加工ミスを避ける

医療業界におけるコンポーネントの切断は、手術によく似ています。成功すると報酬が得られますが、手術は難しい場合があります。 複雑さは、部品の設計や仕様が難しいことや、食品医薬品局などの規制機関からの厳しい要件によって発生します。 したがって、外科医と同様に、医療現場でも満足のいく結果をもたらすために特別な知識、ツール、技術、実践が必要です。

医療部品を機械加工する工場が直面する主な課題の 1 つは、さまざまな材料をどのように扱うかということです。 例えば、カリフォルニア州リンカーンの超硬ソリッド切削工具メーカー、ロブジャック社のエンジニアリング担当副社長マイク・マッカーサー氏によると、かつては脊椎インプラントはチタンやステンレス鋼などの一般的な材料で作られていたという。 しかし現在、これらのインプラントの材料には、ポリエーテルエーテルケトンなどのポリマーや、医師が組織の治癒の進行状況を確認できる透明なオプションが含まれています。

「そこで私たちは、これらのユニークな素材を切断するための特殊な形状を開発しました」と彼は言いました。

ロブジャックは、目に埋め込まれた眼内レンズを機械加工するためのツールも製造しています。 これらのレンズはかつては硬質のプラスチックで作られていました。 しかし今日、マッカーサー氏は、レンズを折りたたむことを可能にし、患者の目に置きやすくするために選択された材料は柔らかくて柔軟なポリマーであると述べた。

Star Cutter のカスタムメイドの小径超硬ソリッドステップドリルおよびツイストドリルは、医療部品の機械加工に使用されます。 スターカッター 画像提供

「それは患者にとって有益だ」と彼は言った。 「しかし、この柔らかいゴムのような種類の材料を切断するのは非常に困難です。」

この用途の要件を満たすために、ロブジャックは「超研磨仕上げと超鋭利な刃先を備えた」直径 0.254 mm (0.01 インチ) の工具を製造しているとマッカーサー氏は語った。

金属としては、柔軟性に優れたニチノールや耐腐食性のBioDurなど、近年医療業界で人気が高まっています。 ミシガン州ウィクソムにあるNTK Cutting Tools USAのスイスアプリケーションマネージャー、スティーブ・イースターデイ氏は、これらの材料の特性は医療器具やインプラントに有用である一方、従来の代替材料よりも摩耗性が高いと述べた。

コーティングに関する考慮事項

NTK切削工具は、難削材向けの多層物理蒸着工具コーティングに重点を置いています。 厚い窒化チタンコーティングはチタンスレッドの回転には十分かもしれないが、研磨剤のBioDurやニチノールを切断するには十分ではないとイースターデイ氏は述べた。

これらの材料の機械加工に使用される工具については、「TiN コーティングを施し、その上に窒化チタンアルミニウムコーティングを重ねて耐摩耗性を高める可能性がある」と同氏は述べた。

PVD コーティングは比較的厚い場合がありますが、イースターデイ氏は、PVD プロセスでは依然として化学蒸着コーティングよりも薄い層が生成されると指摘しました。 これにより、PVD コーティングは、小さな医療部品の切断に必要な鋭利な刃先のインサートにより適したものになります。

小さな部品を旋削するときは、インサートを使用します。「工具の圧力を軽減し、より自由な切削が必要なため、切れ味がすべてです」と彼は言います。

Easterday は、コーティングに加えて、医療機械加工に携わる工場に対し、送りと速度にも細心の注意を払うようアドバイスしています。 例えば、チタン骨ネジの切断からニチノールやバイオデュアなどのより硬い材料で作られた医療部品に切り替える場合、チップに適切な量の熱を与えるために、1分あたりの表面フィートと送り速度を変更する必要があると同氏は述べた。 ニチノールを旋削する場合、彼は sfm とチタンに使用される送り速度よりも大幅に低い送り速度から始めることを推奨しています。 また、場合によっては、材料の長さと直径、および切込みの深さに応じて、プロセスの進行に応じて初期パラメータを調整する必要がある場合があります。

「これらのエキゾチックな素材のフィードと速度については、実際には何も書かれていません」と彼は言いました。 「正しくするためには、そこに入って微調整する必要があります。」

ミシガン州ファーミントンヒルズの工具メーカー、スターカッター社のアプリケーションエンジニア、ゲイリー・マッカレル氏は、機械加工プロセスが進むにつれて、医療部品に使用されるほとんどの材料は加工硬化する傾向があると述べた。 したがって、安定したプロセス、つまり一貫した供給速度が存在するプロセスが重要であると同氏は述べました。 たとえば、カットに滞留があってはなりません。

冷静さを保つ

マカレル氏はまた、医療部品の切断には「常にきれいな冷却液の流れ」を推奨している。

さらに、ショップは一流の冷却剤や医療部品の加工用に特別に開発された冷却剤を使用しているかどうかを調査する必要があると同氏は述べた。

場合によっては、厳格な純度基準のため、従来のクーラントを医療加工には除外しなければならない可能性があるとマッカーサー氏は指摘しました。 たとえば、インプラントは潜在的な汚染物質との接触が許可されない場合があります。 このような状況では、プログラムされた切断技術が過度の熱を発生させないようにすることが 1 つの選択肢であると同氏は述べました。 たとえば、同氏は、店が重いカットではなく、より速い送り速度で軽いカットを行うことができると提案しました。

医療およびその他の用途では、刃先に向けられた高圧クーラントが切りくずを排出し、工具寿命を延ばすのに役立ちます。 画像提供：NTK切削工具

別の可能性は、冷却と潤滑に超臨界二酸化炭素を使用することです。 臨界温度および臨界圧力以上に保たれた CO2 の流動状態である超臨界 CO2 は、気体のように見えますが、密度は液体と同じです。 超臨界二酸化炭素を冷却剤として使用した場合、超臨界二酸化炭素は医療部品に残留汚染を残さないとマッカーサー氏は述べた。同社は医療部品の機械加工に超臨界二酸化炭素を使用する企業と提携している。

超臨界二酸化炭素は「最新の技術ではない」と同氏は述べ、「しかし、医療業界向けにテストされ、導入されつつある」と述べた。

サプライヤーのオプション

医療業界などによってもたらされる製造上の最大の課題の 1 つは、部品サイズの縮小です。 これに応えて、RobbJack は医療機械加工に使用される精密小型ツールを、切断直径 0.127 mm (0.005 インチ) から 1.5748 mm (0.062 インチ) まで 0.0254 mm (0.001 インチ) 刻みで在庫することを決定しました。

一般的な工具直径に妥協するのではなく、「顧客が正確に1000分の1インチまで切削直径を選択できるようにしています」とマッカーサー氏は述べた。 「これにより、プロセスをより適切に最適化できるようになります。」

また、ユーザーは正確なツールを非常に迅速に入手できるようになります。 したがって、たとえば歯科医は、待っている患者のためにクラウンを作成するためにカスタムツールが作成されるのを待つ必要がありません。

「すべての工具を在庫しておくことで、迅速な納品が容易になります」とマッカーサー氏は語った。

医療機械加工では一般に標準化されたツールが使用されますが、スター カッターは、医療用途向けに製造しているようなカスタム ツールを使用することに重要な利点があると考えています。

「当社のツールは、用途に合わせて特別に設計されています」とラウンドツールのセールスマネージャー、ジェイミー・ダンバック氏は述べています。 「ですから、私たちのような会社に来れば、より良い結果とスループットが得られるでしょう。」

同氏は、小型の医療部品は多くの異なる標準化されたツールを使用して機械加工されることが多いと述べた。 しかし、スター カッターがこのような部品を評価すると、単一の組み合わせツールでその仕事ができることが判明することがよくあります。

「既製の標準品、特にマイクロツールを見ると、（企業は）こうした組み合わせツールを持っていない」とダンバック氏は語った。 「それらはすべて単一直径の工具です。」

したがって、たとえば、ショップは 2 つの異なる穴直径を切断するために 3 つの標準化された工具と面取り工具を購入する必要があります。

NTK切削工具では、ねじ切りワーリングカッタシステムにTiNコーティングを施しております。 画像提供：NTK切削工具

ただし、スターカッターは、穴径と面取りの両方を切断できる小径ドリルを作成できます。 ダンバック氏は、工場のサイクルタイムの短縮に役立つだけでなく、2 つの別々の工具ではなく 1 つの工具で両方の直径を切断できるため、同心度の観点からも部品の品質が向上すると述べました。

複数の部品を同じ機械で作成する場合、異なる工具を 1 つに組み合わせるもう 1 つの利点は、タレット内に他の作業に使用できる工具用のスペースができることです。

ダンバック氏は、「工場がそこに追加のツールをロードできれば、複数の部品に対応できるように準備された機械をすぐに使用できるようにするか、すべてが収まらないために（作業ごとに）ツールを交換するかという選択肢が得られます」と述べた。元々は砲塔でした。」

ベストプラクティス

医療部品を切断するショップも、マカレルが推奨する基本的な実践から恩恵を受けることができます。 これらには、ワークピースとスピンドルの固定具がしっかりしていて、スピンドルが適切に位置合わせされていることを確認することが含まれます。

「超硬ソリッドドリルを扱う場合、ほとんどの場合、深さ対直径の比率が非常に高いため、壊れやすいのです」と彼は言う。 「したがって、何らかの位置合わせの問題やブッシュ内での何らかの動きがある場合、これらのツールが破損し、部品のエンドユーザーに必要な穴の品質が得られなくなります。」

もう 1 つの重要な習慣は、マシンの予防保守が常に計画された時間に実行されるようにすることです。

マカレル氏は、「フィールドサービスエンジニアとして、部品やプロセスがうまく動作するのに、機械がメンテナンスされていないために突然機能不全に陥るのを何度も見てきました。」と語った。

このような場合、多くの事態が機械加工プロセスに悪影響を与える可能性があります。 例えば、時間の経過とともに、丸いブッシュが楕円形になり、きれいな冷却液が浮遊微粒子によって汚れる可能性があると同氏は述べた。

しかし、「適切な（予防保守）プロセスを導入していれば、これらは防ぐことができるものです」とマカレル氏は言う。

研削、ホーニング、ラッピング、超仕上げ、研磨に使用される物質。 例としては、さまざまな粒度のガーネット、エメリー、コランダム、炭化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンドなどがあります。

円筒形のスリーブは通常、高級工具鋼で作られており、切削工具をガイドするためにジグ固定具に挿入されます。 主要なタイプは 3 つあります。再生可能なライナーで使用され、治具に取り付けられます。 プレスフィット、短期間の生産のためにジグに直接取り付けられます。 ライナー（またはマスター）は、再生可能なブッシュを受け入れるためにジグに恒久的に取り付けられます。

工具の表面に厚さ 2μm ～ 12μm のコーティングを堆積させる目的で、化学反応を誘発する高温 (1,000°C 以上)、雰囲気制御されたプロセス。 コーティングされたツールを参照してください。 PVD、物理蒸着。

機械加工中に工具とワークピースの界面での温度上昇を軽減する液体です。 通常、可溶性または化学混合物（半合成、合成）などの液体の形をとりますが、加圧空気またはその他のガスの場合もあります。 水は多量の熱を吸収する能力があるため、冷却剤およびさまざまな切削コンパウンドの媒体として広く使用されており、水とコンパウンドの比率は加工作業によって異なります。 切削液を参照してください。 半合成切削液。 可溶性油切削液。 合成切削油。

ワークの加工面に対して直角な方向で測定した、ワークの切り込みの底から未切削面までの距離。

穴を開けるために使用された工具の直径と穴の深さの比。

切削中のワークに対する工具全体の位置の変化率。

ツールコーティングプロセスは、化学蒸着（1,000℃）と比較して低温（500℃）で実行されます。 電場を利用してツールの表面にコーティングを堆積するために必要な熱を生成します。 CVD、化学蒸着を参照。

ツールコーティングプロセスは、化学蒸着（1,000℃）と比較して低温（500℃）で実行されます。 電場を利用してツールの表面にコーティングを堆積するために必要な熱を生成します。 CVD、化学蒸着を参照。

工具のコーティングとしてよく使用されます。 AlTiN は、アルミニウムの含有量がチタンよりも多いことを示します。 コーティングされたツールを参照してください。

超硬合金の高速加工を可能にするために炭化チタン工具に追加されます。 工具のコーティングとしても使用されます。 コーティングされたツールを参照してください。

超硬合金の高速加工を可能にするために炭化チタン工具に追加されます。 工具のコーティングとしても使用されます。 コーティングされたツールを参照してください。

ワークピースはチャックに保持され、フェースプレート上に取り付けられるか中心間に固定され、回転しながら、切削工具 (通常は一点工具) がその周縁に沿って、あるいは端または面を横切って送り込まれます。 直線旋削（ワークの外周に沿って切削）の形式をとります。 テーパー旋削（テーパーの作成）。 ステップ旋削（同じワークで異なるサイズの直径を旋削）。 面取り（エッジまたは肩の面取り）。 フェーシング（端をカット）。 ねじ山を回す（通常は外部ですが、内部の場合もあります）。 粗加工（大量の金属除去）。 そして仕上げ（最終的なライトカット）。 旋盤、ターニングセンタ、チャッキングマシン、自動ネジ盤などで行われます。

切削中に摩耗を引き起こす応力に耐える工具の能力。 合金組成、母材、熱条件、工具や操作の種類、その他の変数に関連付けられた属性。

William Leventon は、Cutting Tool Engineering 誌の寄稿編集者です。 電話（609-920-3335）または電子メール（[email protected]）で連絡してください。

NTK切削工具USA248-668-0100www.ntkcuttingtools.com/us

ロブジャック社844-342-0222www.robbjack.com

スターカッター株式会社248-474-8200www.starcutter.com