nach oben
Meine Merkliste
Ihre Merklisteneinträge speichern
Wenn Sie weitere Inhalte zu Ihrer Merkliste hinzufügen möchten, melden Sie sich bitte an. Wenn Sie noch kein Benutzerkonto haben, registrieren Sie sich bitte im Hanser Kundencenter.

» Sie haben schon ein Benutzerkonto? Melden Sie sich bitte hier an.
» Noch kein Benutzerkonto? Registrieren Sie sich bitte hier.
Ihre Merklisten
Wenn Sie Ihre Merklisten bei Ihrem nächsten Besuch wieder verwenden möchten, melden Sie sich bitte an oder registrieren Sie sich im Hanser Kundencenter.
» Sie haben schon ein Benutzerkonto? Melden Sie sich bitte hier an.
» Noch kein Benutzerkonto? Registrieren Sie sich bitte hier.

« Zurück

Ihre Vorteile im Überblick

  • Ein Login für alle Hanser Fachportale
  • Individuelle Startseite und damit schneller Zugriff auf bevorzugte Inhalte
  • Exklusiver Zugriff auf ausgewählte Inhalte
  • Persönliche Merklisten über alle Hanser Fachportale
  • Zentrale Verwaltung Ihrer persönlichen Daten und Newsletter-Abonnements

Jetzt registrieren
Merken Gemerkt
23.01.2020

Innovative Knochensäge mit geschlossenem Kühlsystem zur Vermeidung von Osteonekrose

Forschungsbeitrag vom IFW – Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen

Knochenzellen degenerieren bereits ab einer Temperatur von circa 48 °C. Bei der spanenden Knochenbearbeitung werden Temperaturen erreicht, die diese kritische Temperatur übersteigen. In diesem Beitrag wird die Entwicklung neuartiger Sägewerkzeuge mit einem geschlossenen Kühlkreislauf vorgestellt, die Operationen ohne die Schädigung des Knochengewebes ermöglichen sollen.

Knochenzellen degenerieren bereits ab einer Temperatur von circa 48 °C. Bei der spanenden Knochenbearbeitung werden Temperaturen erreicht, die diese kritische Temperatur übersteigen. In diesem Beitrag wird die Entwicklung neuartiger Sägewerkzeuge mit einem geschlossenen Kühlkreislauf vorgestellt, die Operationen ohne die Schädigung des Knochengewebes ermöglichen sollen.

Herausforderungen in der spanenden Knochenbearbeitung

Die spanende Bearbeitung von Knochen ist bei zahlreichen chirurgischen Eingriffen, zum Beispiel bei Hüft- und Knieendoprothesen, erforderlich. Die Anzahl chirurgischer Eingriffe in Deutschland steigt seit Jahren aufgrund der demografischen Entwicklung kontinuierlich an. Allein im Jahr 2018 wurden insgesamt 429.000 Hüft- und Knieendoprothesen implantiert [DES18]. Die zu entfernenden Knochenabschnitte werden zumeist mittels oszillierender Sägebearbeitung entfernt. Postoperative Misserfolge entstehen häufig durch thermisch induzierte Gewebeschädigungen, die durch die Wärmeentwicklung während des Sägeprozesses bei der Operation entstehen. Ab einer Temperatur von ca. 48 °C [FUC88] und in Abhängigkeit der Eingriffsdauer kann es zu einer Osteonekrose und damit zur Lockerung des Implantats kommen. Bis heute gab es aus technologischer Sicht keine Möglichkeit, die sehr dünnen konventionell verwendeten Sägeblätter mit einem Kühlkanalsystem auszustatten [FUC86].

Abbildung 1: Konventionell und additiv hergestelltes Sägeblatt im Vergleich (© IFW)

Dem Chirurgen bleibt bislang nur die Option, durch sequentielle Bearbeitung die Temperaturen so gering wie möglich zu halten. Diese ist jedoch undefiniert und es kann nicht garantiert werden, dass die Temperaturen im bioverträglichen Bereich liegen. Eine weitere Möglichkeit ist die Kühlung des Eingriffsorts mittels physiologischer Kochsalzlösung. Diese Kühlung wird allerdings dadurch eingeschränkt, dass der Sägespalt sehr schwer zugänglich ist. Viele Hersteller arbeiten in die Sägeblätter sogenannte „Spansammler“ ein, dies sind Aussparungen in der vorderen Fläche des Sägeblatts (Abb. 1). Diese verhindern, dass die anfallenden Knochenspäne auf der Oberfläche des Sägeblatts anhaften und es Folglich durch die entstehende Schicht zu einer Reibungserhöhung und damit zu
einem Temperaturanstieg kommt. Zusammenfassend reicht jedoch auch diese Methode nicht für die Lösung des Temperaturproblems aus.

Reproduzierbare Sägeschnitte und Einsatzverhalten

In Abbildung 2 ist das Einsatzverhalten konventioneller Sägewerkzeuge dargestellt. Die Untersuchungen wurden am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen am Bearbeitungszentrum Heller MC16 durchgeführt. Die Werkzeugmaschine ermöglicht im Gegensatz zum manuellen Sägen das gezielte Einstellen von Vorschubwerten und Oszillationsgeschwindigkeiten, eine Reproduzierbarkeit der Untersuchungen kann so gewährleistet werden. Mithilfe einer eigens dafür angefertigten Versuchsvorrichtung ist es möglich, die Rotationsbewegung des Bearbeitungszentrums in eine oszillierende Schnittkinematik umzuwandeln. Das Bearbeitungszentrum Heller MC16 ermöglicht außerdem das positionsgenaue Vorbereiten der Löcher für die Temperatursensorik (Thermoelemente Typ K mit zugehöriger Messkette). Somit ist es möglich, die Sensorik in gleichmäßigem Abstand zum Sägespalt zu platzieren und durch Extrapolation die Temperatur direkt an der Oberfläche relativ genau bestimmen zu können. Als Probewerkstoff dient Kunstknochen aus Delrin. Delrin ist ein Kunststoff mit ähnlicher Wärmeleitfähigkeit und Dichte wie Knochen, allerdings wesentlich homogener. Dies ist notwendig, um eine Reproduzierbarkeit der Untersuchungen sicherzustellen.

Abbildung 2: Auftritt von Osteonekrose im grauen Temperatur-Zeit-Bereich; weitere Temperaturen bei der konventionellen Sägebearbeitung (© IFW)

Für die Versuche wurde ein Sägeblatt des Typs KMS1912.L10 STE der Fa. Gebr. Brasseler GmbH & Co. KG verwendet (Abbildung 1). Die Anzahl der Sägehübe betrug 6.000 pro Minute. Die Temperaturmessung findet nach einem zurückgelegten Schnittweg von 15 mm statt, gemessen wird in gleichmäßigem Abstand oberhalb des Sägeschnitts. Das Werkzeug befindet sich abhängig von der gewählten Vorschubgeschwindigkeit bei 45 s (vf = 20 mm/min) oder 36 s (vf = 25 mm/min) direkt unterhalb der Temperatursensoren, in den davor oder danach liegenden Zeitabschnitten wird die Auswirkung der Reibung und die damit einhergehende Temperaturentwicklung aufgenommen.

In grau dargestellt (Abbildung 2) ist der Temperatur-Zeit-Bereich, in dem es zur dauerhaften Schädigung des Knochens kommt. Die Ergebnisse zeigen klar, dass es beim Einsatz konventioneller Sägewerkzeuge zur Überschreitung kritischer Temperaturen oberhalb von 48 °C kommt.

Neue Möglichkeiten durch 3D-Druck

Die Technologie des selektiven Metall-Laserschmelzens bietet im Gegensatz zu konventionellen Fertigungsverfahren viele Vorteile, die Geometriefreiheit ist im vorliegenden Fall am höchsten zu gewichten. Es ist nun möglich, Sägewerkzeuge zu realisieren, deren äußere Geometrie den bisher verwendeten konventionellen Sägeblättern entspricht aber im Innern filigrane Kühlkanäle enthalten. Geschlossene Kühlkreisläufe verhindern hierbei eine mögliche Wundkontamination. Unter Berücksichtigung der für die Operation notwendigen mechanischen Stabilität können die Sägeblätter jede beliebige Kühlkanalstruktur enthalten (Abbildung 3). Mittels eines direkt mitgedruckten Kühlmittelanschlusses lässt sich das Sägeblatt an ein Kühlmittelreservoir anschließen und eine ständige Kühlung bei gleichbleibender Kühlmitteltemperatur kann sichergestellt werden. Durch eine externe Pumpe sind verschiedene Volumenströme einstellbar.

Abbildung 3: Verschiedene Kühlkanaldesigns für innengekühlte Sägeblätter (© IFW)

Herstellung neuartiger Sägewerkzeuge

Die Prototypenfertigung wird mittels selektivem Laserschmelzen durch die Firma Bionic Production AG realisiert (vgl. Abbildung 1). Als Werkstoff wird der Edelstahl 1.4404 verwendet. Basierend auf dieser Technologie werden Sägeblätter mit innenliegenden Kühlkanälen hergestellt, die im Innern entlang der Sägezähne und nah an der Sägeblattoberfläche verlaufen. Somit wird die im Prozess entstehende thermische Energie über das Kühlmittel abtransportiert.

Für die Dimensionierung dient ein konventionelles Sägeblatt der Firma Gebr. Brasseler GmbH & Co. KG mit einer Schnittbreite von 19 mm sowie einer Dicke von 1,19 mm (siehe Abb. 3) als Referenz. Sägeblätter mit diesen Abmessungen sind im Klinikalltag bereits etabliert.

Abbildung 4:Schnittansichten des additiv hergestelltes Sägeblatts (© IFW)

Die Kühlkanäle sollen eine elliptische Form und eine Höhe von 0,6 mm vorweisen. Hergestellt werden Prototypen mit den in Abbildung 3 dargestellten Kühlkanalstrukturen. Mit dem Laserschmelzverfahren wird das Sägeblatt vollständig, inklusive Schneidengeometrie sowie Kühlmittelzu- und Ablauf vertikal aufgebaut. Stützstrukturen sind lediglich im Bereich des Antriebsanschlusses notwendig (Abbildung 3). Die Sägezähne sowie die gesamte Oberfläche, werden nachfolgend mittels eines Schleifprozesses auf Endkontur nachbearbeitet.

Ein durch selektives Metall-Laserschmelzen hergestelltes Sägeblatt ist in Abbildung 1 gezeigt. Der markanteste optisch zu erkennende Unterschied ist das Fehlen des »Spansammlers«. Um ein möglichst großes Werkzeugvolumen für die Kühlkanäle zu erreichen, wird darauf zunächst verzichtet. Weiterführende Untersuchungen werden auch mit den sogenannten Spansammlern durchgeführt. Durch den Anschluss eines Kühlmediums über eine Steckverbindung konnte bereits gezeigt werden, dass die Kühlkanäle bei allen Strukturen durchgängig sind und der Durchfluss gewährleistet ist. In Abb. 4 sind Querschnitte des additiv hergestellten Sägeblatts dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Höhe des Kühlkanals um 0,06 mm von der Soll-Höhe abweicht. Außerdem ist gezeigt, dass die Kühlkanalinnenwände eine höhere Rauheit als die geschliffenen Oberflächen aufweisen. Herausforderungen bzgl. eines Bauteilverzugs bestehen nicht.

Zusammenfassung

Die ermittelten Temperaturen beim Knochensägen zeigen, dass es zwingend notwendig ist, ein steuerbares Kühlkonzept zu entwickeln. Die bisherigen Möglichkeiten reichen nicht aus, um eine Osteonekrose durch Wärmebelastung auszuschließen. Die additive Fertigung bietet nun Möglichkeiten, Werkzeuge herzustellen, die eine innenliegende Kühlung aufweisen. Die ersten Versuche haben gezeigt, dass es trotz geringer Wandstärken sehr gut möglich ist, verschiedene Strukturen herzustellen.

Ausblick

Im weiteren Entwicklungsverlauf ist es notwendig, die Fertigungsparameter für das Metall-Laserschmelzen unter Berücksichtigung einer hohen Bauteilqualität sowie eines wirtschaftlichen Prozesses weiter zu verbessern. Außerdem wird mithilfe einer FEM-Simulation die Kühlkanalstruktur ermittelt, die eine optimale Kühlleistung ermöglicht.
Weiterhin soll untersucht werden, wie sich eine veränderte Sägezahngeometrie auf die Temperaturentwicklung auswirkt.

Danksagung

Das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben »Entwicklung eines Werkzeugs für die spanende Knochenbearbeitung zur Vermeidung thermisch induzierter Osteonekrose« wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie innerhalb des zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) finanziell gefördert. Die Autoren bedanken sich beim Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und den Partnern Bionic Production AG und Gebr. Brasseler GmbH & Co. KG. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Autoren

  • Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover, denkena@ifw.uni-hannover.de
  • M. Sc. Alexander Krödel ist Leiter des Bereichs Fertigungsverfahren am IFW, kroedel@ifw.uni-hannover.de
  • M. Sc. Sarah Busemann ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am IFW, busemann@ifw.uni-hannover.de

Literatur

  • [DES18] Destatis – Statistisches Bundesamt: Tabelle »Die 20 häufigsten Operationen insgesamt«, https://www.destatis.de/DE/Themen/Gesellschaft-Umwelt/Gesundheit/Krankenhaeuser/Tabellen/drg-operationen-insgesamt.html, abgerufen am 20.11.2019
  • [FUC86] Fuchsberger, Alfred. Untersuchung der spanenden Bearbeitung von Knochen. Dr-Ing.-Dissertation, Technische Universität München, 1986
  • [FUC88] Fuchsberger, Alfred. Die schädigende Temperatur bei der spanenden Knochenbearbeitung. Unfallchirurgie, 14(4), S. 173-183, 1988

Unternehmensinformation

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen IFW Leibniz Universität Hannover

An der Universität 2
DE 30823 Garbsen
Tel.: 0511 762-2553

Basics