DE102021120071A1

DE102021120071A1 - Schneidkopf, schneidwerkzeugsystem und verfahren zum erzeugen einer kavität

Info

Publication number: DE102021120071A1
Application number: DE102021120071.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Mokros; Thomas Oberbach; Martin Liebelt; Claudia Ortmann
Original assignee: Mathys AG Bettlach
Current assignee: Synthes Bettlach GmbH
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2022-12-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schneidwerkzeugsystem, ein Verfahren zum Erzeugen einer Kavität in einem Gegenstand und einen Schneidkopf (3) zum Erzeugen einer Kavität in einem menschlichen und/oder tierischen Knochen mit einer Schneide (13), und einem Koppelelement (16). Das Koppelelement (16) ist auf der zur Schneide (13) abgewandten Seite des Schneidkopfs (3) angeordnet. Das Koppelelement (16) ist so ausgeführt, dass es formschlüssig und lösbar mit einer Kraftausübungseinrichtung koppelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schneidkopf, der eine Kavität in einem Gegenstand schafft, sowie ein Schneidwerkzeugsystem mit einem solchen Schneidkopf und ein entsprechendes Betätigungs-Verfahren.
Für zahlreiche Anwendungen ist es erforderlich, in Gegenstände Kavitäten einzubringen. Dazu stehen meist Stanzwerkzeuge zur Verfügung. Diese Stanzwerkzuge bestehen aus einem runden Körper aus Stahl, der auf einer Seite mit einer Schneide versehen ist. Außerdem ist der runde Körper im Bereich der Scheide mit einer Bohrung ausgeführt, so dass das Stanzwerkzeug das ausgestanzte Material aufnehmen kann. Solche Werkzeuge kommen oft in der Medizin zum Einsatz um Kavitäten, z. B. in Knochen, einzubringen. Dies dient z.B. zum Extrahieren von Schadstellen in Gelenken um anschließend gesundes oder künstliches Gelenkmaterial in die Kavität einzubringen.
Die US 6,592,588 B1 zeigt eine Vorrichtung mit einem Entnahmegerät zur Entnahme eines zylinderförmigen Stifts aus einem Gelenkknorpel mit einem Stück Knochen, z. B. im Knie, zur Behandlung chondraler Defekte, subchondraler Defekte und/oder ostechondrale Defekte. Die Vorrichtung enthält jeweils ein Entnahmegerät für die Empfängerstelle und eines zum Extrahieren eines Transplantats. Die Entnahmegeräte für Transplantate und die Entnahmegeräte für die Empfängerstelle erzeugen identisch große osteochondrale Spendertransplantatkerne und Empfängerschäfte. Seitliche Fenster in den Entnahmegeräten ermöglichen die Visualisierung des Transplantats. Ein abnehmbarer dreiteiliger Treiber/Extraktor ist vorgesehen, um das Einschlagen und die Tiefenkontrolle der Entnahmegeräte an den ausgewählten Stellen zu ermöglichen. Die kanülenförmigen Entnahmegeräte sind in dem Treiber/Extraktor fixiert. Der Treiber/Extraktor besteht aus drei Abschnitten: einem Spannfutterende, einem abnehmbaren T-förmigen Griff und einem Schlagende. Das Spannfutter hält das proximale Ende des Entnahmegeräts. Das proximale Ende des Entnahmegeräts ist als Stift ausgeführt und wird durch ein Verspannen des Spannfutters gehalten.
Nachteilig bei dem in der US 6,592,588 B1 gezeigten Entnahmegerät ist die Fixierung durch eine Spannzange. Besonders nachteilig ist dabei ein Verrutschen des Entnahmegeräts bei Krafteinwirkung und dadurch eine Beschädigung des Stiftes des Entnahmegeräts.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schneidkopf, ein Schneidwerkzeugsystem zu schaffen, der bzw. das es jeweils ermöglicht, eine Kavität in einem Gegenstand zu erzeugen und ein zugehöriges Verfahren zum Erzeugen einer Kavität in einem Gegenstand mit dem Schneidwerkzeugsystem zu schaffen, ohne die aufgeführten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch einen erfindungsgemäßen Schneidkopf zum Erzeugen einer Kavität gemäß Anspruch 1, durch ein Schneidwerkzeugsystem zum Erzeugen einer Kavität gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9 und durch ein Verfahren zum Erzeugen einer Kavität in einem Gegenstand mit dem Schneidwerkzeugsystem gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Schneidkopf zum Erzeugen einer Kavität insbesondere in einem menschlichen und/oder tierischen Knochen weist eine Schneide und ein Koppelelement auf. Das Koppelelement ist auf der zur Schneide abgewandten Seite des Schneidkopfs angeordnet. Das Koppelelement ist dabei so ausgeführt, dass es formschlüssig und lösbar mit einer Kraftausübungseinrichtung koppelbar ist. Besonders vorteilhaft wirkt über das Koppelelement eine translatorische und/oder rotatorische Kraft von der Kraftausübungseinrichtung auf den Schneidkopf. Mit der formschlüssigen Ausführung des Schneidkopfs lässt sich der Schneidkopf auch nach großer Krafteinwirkung einfach aus der Kraftausübungseinrichtung entnehmen.
Vorteilhafterweise besteht der Schneidkopf bevorzugt aus einem Keramikwerkstoff. Besonders vorteilhaft ist der Schneidkopf bevorzugt aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder stabilisiertem und/oder unstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂) und/oder Siliziumdioxid (SiO₂) und/oder Natriumoxid (Na₂O) und/oder Calciumoxid (CaO) und/oder Aluminiumoxidverstärkter Zirkonoxidkeramik (ATZ) und/oder Zirkonoxidverstärkter Aluminiumoxidkeramik (ZTA) und/oder Siliziumnitrid Si₃N₄ und/oder Titannitrid (TiN) und/oder Calciumcarbonat (CaCO₃) und/oder Yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (YTZP) und/oder Ceriumoxid (CeO2) und/oder Magnesiumoxid (MgO) und/oder seltenen Erdoxide und/oder Salzen der seltenen Erdoxide gefertigt. Besonders vorteilhaft ist der Schneidkopf mit einer Antiallergiebeschichtung beschichtet.
In vorteilhafter Weise ist das Koppelelement des Schneidkopfs formschlüssig, bevorzugt polygonförmig, insbesondere mehrkantenförmig, insbesondere sechskantförmig ausgebildet. Durch die Sechskantform des Koppelelements wird ein mit der Kraftausübungseinrichtung eingeleitetes Drehmoment besonders wirkungsvoll übertragen. Trotz der guten Kraftübertagung lässt sich der Schneidkopf leicht aus der Kraftübertragungseinrichtung entnehmen.
Weiter vorteilhaft ist die Schneide bevorzugt kreisförmig ausgebildet. So lassen sich runde Kavitäten besonders einfach erzeugen.
Vorteilhafterweise enthält das Koppelelement des Schneidkopfs bevorzugt eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Zentriereinrichtung. Mit der kegelförmigen oder kegelstumpfförmigen Zentriereinrichtung wird ein besonders exaktes Einbringen der Kavität ermöglicht. Des Weiteren wird die in die Kraftausübungseinrichtung eingeleitete translatorische Kraft durch die Zentriereinrichtung besonders effektiv in den Schneidkopf übertragen.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Schneide des Schneidkopfs bevorzugt einen Schnittwinkel von 5° bis 20°, vorzugsweise von 10° bis 20°, besonders bevorzugt von 15° bis 18°, insbesondere von 16,5° aufweist. Mit Hilfe dieses Schnittwinkels wird das Eindringen des Schneidkopfs in den Gegenstand erleichtert. Die Standzeit und damit die Schnitthaltigkeit der Schneide wird durch diesen Schnittwinkel deutlich verbessert.
Vorteilhafterweise enthält der Schneidkopf bevorzugt eine Tiefenskala. Somit ist eine Eindringtiefe in den Gegenstand eindeutig und einfach erkennbar. Dabei kann auf eine Verwendung von zusätzlichen Messmitteln verzichtet werden. Somit lässt sich eine gewünschte Eindringtiefe besonders einfach und exakt einhalten.
Weiter vorteilhaft enthält der Schneidkopf bevorzugt eine axiale Durchdringung. Die axiale Durchdringung ermöglicht eine Aufnahme des während des Einbringens der Kavität anfallenden überschüssigen Materials.
Vorteilhafterweise ist die axiale Durchdringung besonders bevorzugt stufenförmig ausgebildet. Somit ist die Reibung des Schneidwerkzeugs an dem überschüssigen Material deutlich reduziert. Die Kraft zum Eintreiben des Schneidwerkzeugs ist damit so reduziert, dass der Gegenstand maximal geschont wird.
Das erfindungsgemäße Schneidwerkzeugsystem zum Erzeugen einer Kavität umfasst den oben beschriebenen Schneidkopf und eine Kraftausübungseinrichtung. Die Kraftausübungseinrichtung weist einen Griff und eine Achse auf. Die Kraftübertragungseinrichtung enthält weiter eine Achse eine Schneidkopfaufnahme zur Fixierung des Schneidkopfes. Das Koppelelement des Schneidkopfs ist formschlüssig und lösbar über die Schneidkopfaufnahme mit einer Kraftausübungseinrichtung koppelbar.
Vorteilhafterweise umfasst das Schneidwerkzeugsystem zum Erzeugen einer Kavität besonders bevorzugt ein Fixierelement. Das Fixierelement hält den Schneidkopf an seinem Koppelelement ausfallsicher in der Schneidkopfaufnahme. Dazu ist das Fixierelement von dem Schneidkopf durchdringbar und an bzw. auf die Schneidkopfaufnahme fixierbar.
Weiter vorteilhaft enthält das Fixierelement ein Gewinde oder einen Bajonettverschluss oder einen Klickverschluss. Mithilfe dieser Verbindungen lässt sich der Schneidkopf besonders sicher und schnell in dem Koppelelement fixieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer Kavität in einem Gegenstand mit dem Schneidwerkzeugsystem umfasst folgende Verfahrensschritte: Einführen des Schneidkopfs in die Schneidkopfaufnahme des Schneidwerkzeugsystems, Anbringen des Fixierelements zur Fixierung des Schneidkopfs, Einschlagen des Schneidkopfs in den Gegenstand und Drehen des Schneidwerkzeugsystems um eine zentrale Achse durch den Schneidkopf.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugsystems;
2: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schneidkopfs in einer dreidimensionalen Darstellung;
3: das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schneidkopfs in dreidimensionaler Darstellung;
4: ein Ausführungsbeispiel des Schneidkopfs mit Tiefenskala;
5A: das Ausführungsbeispiel des Schneidkopfs in einer Draufsicht;
5B: das Ausführungsbeispiel des Schneidkopfs in einer Schnittdarstellung; und
6: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer Kavität in einem Gegenstand.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugsystem 1. Das Schneidwerkzeugsystem 1 besteht im Wesentlichen aus einer Kraftausübungseinrichtung 2 und einem erfindungsgemäßen Schneidkopf 3.
Wie in 1 zu erkennen ist, besteht die Kraftausübungseinrichtung 2 aus einer Achse 4 und einem Griff 5. Die Achse 4 der Kraftausübungseinrichtung 2 ist stabförmig ausgeführt. Alternativ ist die Kraftausübungseinrichtung 2 gebogenförmig ausgeführt. An einem ersten Ende der Achse 4 ist eine Schneidkopfaufnahme 5 angeformt. An einem zweiten Ende der Achse 4, das der Schneidkopfaufnahme 5 gegenüberliegt, ist eine Griffaufnahmeeinrichtung 6 angeformt. In der Griffaufnahmeeinrichtung 6 ist der Griff 7 fixiert.
Die Schneidkopfaufnahme 5 ist ein zylinderförmiger Abschnitt am ersten Ende der Achse 4 der Kraftausübungseinrichtung 2. Der zylinderförmige Abschnitt geht über einen kegelförmigen Abschnitt 8 in die Achse 4 über. Der kegelförmige Abschnitt 8 dient zur Übertragung einer Kraft von der Achse 4 in die Schneidkopfaufnahme 5. Dabei ist besonders hervorzuheben, dass durch den kegelförmigen Abschnitt 8 die währen der Verwendung des Schneidwerkzeugsystems 1 auftretenden Kräfte gleichmäßig übertragen werden. Somit ist ein Abknicken, z.B. während eines Schlagvorgangs, und eine Drehverformung, z. B. während einer Rotation um die Rotationsachse des zylinderförmigen Abschnitts, vermieden.
Der zylinderförmige Abschnitt der Schneidkopfaufnahme 5 ist hohl ausgeführt, so dass darin der Schneidkopf 3 aufgenommen werden kann. Dazu weist der Hohlraum eine Geometrie auf, die geeignet ist, ein Koppelelement (in 1 nicht dargestellt) des Schneidkopfs 3 formschlüssig aufzunehmen. Dabei ist der Hohlraum so ausgeführt, dass der Schneidkopf 3 leicht eingeführt und wieder entnommen werden kann. Der Hohlraum ist in Bezug auf die Größe des Schneidkopfs 3 mit einem Übermaß ausgeführt, wodurch der Schneidkopf 3 mit Spiel eingelegt ist. Das hierzu vorgesehene Übermaß ist bevorzugt im Bereich von 0,05 mm und 0,15 mm.
Um den Schneidkopf 3 in der Schneidkopfaufnahme 5 kraftschlüssig zu fixieren, ist auf der Außenfläche des zylinderförmigen Abschnitts der Schneidkopfaufnahme 5 ein Außengewinde 9 vorgesehen. Mit Hilfe des Außengewindes 9 kann ein Fixierelement 10 angeschraubt bzw. aufgeschraubt werden. In einer Ausführungsform ist auf der Außenfläche des zylinderförmigen Abschnitts der Schneidkopfaufnahme 5 ein zu einem Bajonettverschluss des Fixierelements 10 zugehöriges Gegenstück vorgesehen. Mit Hilfe des Bajonettverschlusses kann ein Halteelement zum kraftschlüssigen Halten des Schneidkopfs verriegelt werden. In einer weiteren Ausführungsform ist auf der Außenfläche des zylinderförmigen Abschnitts der Schneidkopfaufnahme 5 eine zum Fixierelement 10 zugehöriges Gegenstück zur Klickverbindung vorgesehen. Mit Hilfe der Klickverbindung kann ein Halteelement zum kraftschlüssigen Halten des Schneidkopfs 3 aufgeschoben und durch ein Einklicken verriegelt werden. Eine Einrichtung zum kraftschlüssigen Fixieren des Schneidkopfs 3 in der Schneidkopfaufnahme 5 ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele begrenzt.
Das Fixierelement 10 weist eine zentrische Bohrung auf, die so bemessen ist, dass das Fixierelement 10 von dem Schneidkopf 3 durchdrungen wird. Dabei ist die Bohrung des Fixierelements 10 weiter so dimensioniert, dass das Fixierelement 10 im Bereich der Bohrung nicht von der Halteeinrichtung (in 1 nicht dargestellt) des Schneidkopfs 3 durchdrungen werden kann. Somit ist der Schneidkopf 3 mit Hilfe des Fixierelements 10 in der Schneidkopfaufnahme 5 fixierbar.
Um ein unbeabsichtigtes Lösen des Fixierelements 10 zu verhindern, kann eine Kontermutter (in 1 nicht dargestellt) vorgesehen werden. Mit Hilfe der Kontermutter wird die Überwurfmutter bzw. allgemein das Fixierelement 10 an der Schneidkopfaufnahme verspannt. So ist ein Lockern des Fixierelements 10 auch bei Vibrations- oder Schockbelastungen des Schneidwerkzeugsystems verhindert.
Alternativ kann auch ein Dämpfungselement in das Fixierelement 10 eingelegt sein. Dieses Dämpfungselement ist im Bereich der Bohrung des Fixierelements 10 zwischen Fixierelement 10 und Haltelement (in 1 nicht dargestellt) des Schneidkopfs 3 angeordnet.
Die Griffaufnahmeeinrichtung 6 ist so geformt, dass der Griff 7 verdrehsicher befestigt ist. Die mittlere Achse des Griffs 7 und die Rotationsachse der Kraftübertragungseinrichtung 2 sind dabei senkrecht zueinander ausgerichtet. Die Griffaufnahmeeinrichtung 6 ist als Polygon, insbesondere als Mehrkant, im Ausführungsbeispiel als Vierkant oder Sechskant, geformt. Somit ist eine gute Kraftübertragung einer Drehkraft von dem Griff 7 auf die Kraftausübungseinrichtung gegeben. Um ein unbeabsichtigtes Lösen des Griffs 7 zu verhindern, sind Befestigungsbolzen 11 vorgesehen, die sowohl den Griff 7 als auch die Griffaufnahmeeinrichtung 6 durchdringen.
Das Ende der Griffaufnahmeeinrichtung 6, die auch das zweite Ende der Kraftübertragungseinrichtung 2 bildet, ist ballig oder plan ausgeführt und ragt über den Griff 7 hinaus. Diese ballig oder plan ausgeführte Fläche dient als Schlagfläche für einen Hammer. Die durch den Hammer ausgeübte Schlagkraft dient zum Eintreiben des Schneidkopfs 3 in den Gegenstand.
2 und 3 zeigen jeweils eine dreidimensionale Darstellung aus verschiedenen Perspektiven des erfindungsgemäßen Schneidkopfs 3. 4 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Schneidkopfs 3. 5A zeigt eine Draufansicht des erfindungsgemäßen Schneidkopfs 3 und 5B eine dazugehörige Schnittdarstellung. Wie besonders deutlich in 5B zu erkennen ist, ist der Schneidkopf 3 einstückig ausgeführt. Der Schneidkopf 3 weist eine axiale Durchdringung 17 auf. Eine solche einstückige Ausführung hat den Vorteil, dass der Schneidkopf 3 äußerst robust ist. Dies wird durch die im Folgenden beschriebene geometrische Gestaltung des Schneidkopfs 3 unterstützt.
Ein erfindungsgemäßer Schneidkopf 3 ist in diesem sehr bevorzugten Ausführungsbeispiel aus einer Keramik gefertigt. Vorzugsweise kommen hier Hochleistungskeramiken zum Einsatz. Hierzu eignen sich vorzugsweise Keramiken aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder stabilisiertem und/oder unstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂)und/oder Siliziumdioxid (SiO₂) und/oder Natriumoxid (Na₂O) und/oder Calciumoxid (CaO) und/oder Aluminiumoxidverstärkter Zirkonoxidkeramik (ATZ) und/oder Zirkonoxidverstärkter Aluminiumoxidkeramik (ZTA) und/oder Siliziumnitrid Si₃N₄ und/oder Titannitrid (TiN) und/oder Calciumcarbonat (CaCO₃) und/oder Yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (YTZP) und/oder Ceriumoxid (CeO2) und/oder Magnesiumoxid (MgO) und/oder seltene Erdoxide und/oder Salze der seltenen Erdoxide. Besonders vorteilhaft ist der Schneidkopf mit einer Antiallergiebeschichtung beschichtet.
Diese Keramiken weisen eine hohe mechanische Festigkeit bei einer hohen Bruchzähigkeit auf. Außerdem weisen solche Keramiken im Vergleich zu den sonst bei Schneiden üblichen Metallen eine deutlich bessere Abriebfestigkeit auf. Mit diesen keramischen Werkstoffen wird somit vermieden, dass ein Metallabrieb an den Oberflächen der Kavität zurückbleibt. Außerdem ist die Standzeit und damit die Schnitthaltigkeit gegenüber von metallischen Schneiden deutlich verbessert.
Die Herstellung eines solchen Schneidkopfs 3 erfolgt in verschiedenen Schritten.
In einem ersten Schritt wird durch Pressen eines Granulats, das aus einem Keramikpulver mit Bindemitteln und Zuschlagstoffen besteht, ein Hubel erzeugt. Der Hubel enthält somit auch Bindemittel und weitere keramikfremde Stoffe. Diese Bindemittel und keramikfremden Stoffe werden für die spannabhebende Bearbeitung, z.B. einer CNC-Bearbeitung, im Grünzustand benötigt.
Der erste Herstellungsschritt zur Herstellung des Schneidkopfs 3 kann in einem Spritzgussverfahren erfolgen. Dabei wird eine thermoplastisch verformbares Granulat, das aus einem Keramikpulver mit Bindemitteln und Zuschlagstoffen besteht, soweit erhitzt, dass eine fließfähige Masse entsteht. Diese Masse wird durch einen Extruder in eine Spritzgussform unter hohem Druck eingespritzt. Nach dem Erkalten wird der so geformte Grünkörper aus der Spritzgussform entnommen und der weiteren Bearbeitung zugeführt.
Ein weiteres für den ersten Herstellungsschritt geeignetes Verfahren ist der Schlickerguss. Dabei wird eine wässrige Suspension aus Bindemitteln und Keramikpartikeln, Schlicker genannt, in eine Gipsform gefüllt. Über die Gipsform wird dem Schlicker das Wasser entzogen. Durch das Entziehen des Wassers und durch die Bindemittel werden die Keramikpartikel so gebunden, dass ein Grünkörper für die weitere Bearbeitung entsteht.
Des Weiteren eignen sich Verfahren mit schichtweisem Auftrag einer Keramik-Polymer-Mischung, ein sogenanntes Layer by Layer Verfahren. Insbesondere kommt hier ein lithographisches Verfahren zur Herstellung von Keramikbauteilen, ein Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM) Verfahren zum Einsatz. Dabei wird ein Schlicker eingesetzt, der als Bindemittel ein oder verschiedene durch Licht vernetzende Monomere enthält. Aus diesem Schlicker wird Schicht für Schicht ein sogenannter Grünkörper aufgebaut, wobei die einzelnen Schichten mithilfe von UV-Licht ausgehärtet werden.
Nach Abschluss der Formgebung liegt ein nahezu der endgültigen Form entsprechender Grünkörper vor, bei dem ein Bearbeitungsaufmaß für die Hartbearbeitung und Sinterschwindung einkalkuliert ist. Durch eine Wärmebehandlung im Bereich von 400°C bis 700°C, bevorzugt 480°C bis 550°C, wird die Organik entfernt. Der so behandelte Formkörper bildet den ausgegasten Grünkörper.
Der Grünkörper wird in einem weiteren Schritt gesintert. Das Sintern erfolgt bei einer Sintertemperatur zwischen 1000°C und 2200°C, bevorzugt zwischen 1400°C und 1700°C unter inerter Atmosphäre (z.B. unter Wasserstoff) oder unter Luft. Unter diesen Bedingungen versintern die Keramikpartikel zu einem Werkstück mit einem homogenen Gefüge. Nachfolgend erfolgt ein Heiß-Isostatischer-Press (HIP) Prozess, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Das Heiß-Isostatische-Pressen (HIP) erfolgt in einem gasdruckdichten Ofen, der mit einem Inertgas, vorzugsweise mit Stickstoff oder Argon gefüllt ist. Das Gas wird im kalten Zustand mit einem Druck von ca. 2 MPa eingefüllt. Während des Sinterns wird der Grünkörper mit einer Temperatur von 1000°C bis 2200°C, vorzugsweise mit einer Temperatur zwischen 1400°C und 1500°C, und einem Druck bis zu 200 MPa, vorzugsweise 100 MPa, beaufschlagt. Dieser Druck entsteht durch die Ausdehnung des Inertgases in dem gasdruckdichten Ofen mit konstantem Volumen während des Aufheizens. Bei diesem Prozess werden Gefügeinhomogenitäten wie z.B. kleine geschlossene Poren im Gefüge eleminiert. Das heissisostatisch nachverdichtete Werkstück wird als Weißkörper bezeichnet.
In der Weißkörperbearbeitung werden die Oberflächen, die besonderen Anforderungen unterliegen, bearbeitet. Die Bearbeitung erfolgt aufgrund der Härte mit Diamantwerkzeugen. Die Bearbeitung mit Diamantwerkzeugen lässt nur geringe Schnitttiefen und Schnittgeschwindigkeiten im Vergleich zur Grünkörperbearbeitung zu. Insbesondere wird bei der Weißkörperbearbeitung die Schneide des Schneidkopfs auf seine gewünschte Schärfe und Geometrie geschliffen.
Wie in 3 gezeigt, ist an einem ersten Ende des dargestellten Schneidkopfs 3 ein Schneidrohr 12 mit einer Schneide 13 angeformt. Dies ist besonders gut in der Schnittdarstellung der 5B zu erkennen. Das Schneidrohr 12 ist zylindrisch ausgeführt und enthält eine axiale Durchdringung 17. Das Schneidrohr 12 hat eine Wandstärke von 0,1mm - 2,0mm, bevorzugt von 0,5mm bis 0,8mm, wobei der Außendurchmesser dem Durchmesser der zu erzeugenden Kavität angepasst ist. Im Bereich der Schneide 13 ist der Außenumfang des Schneidrohrs 12 bis zur Kante der Schneide 13 zylinderförmig fortgesetzt. Die Schneide 13 wird durch ein keilförmiges Aufweiten des Innen- und/oder Außendurchmessers des Schneidrohrs 12 gebildet. Der Keilwinkel entspricht dabei dem Schnittwinkel α der Schneide 13. Der Schnittwinkel α der Schneiden 13 weist einen Winkel von 5° bis 20°, vorzugsweise von 10° bis 20°, besonders bevorzugt von 15° bis 18° insbesondere von 16,5° auf.
Die Schneide 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgebildet. Sie dient vornehmlich zum Einbringen runder Kavitäten. Es sind jedoch beliebige andere Schneideformen anwendbar. Die Schneide 13 kann dreieckig, quadratisch, rechteckig, sechseckig oder in jeder anderen Form ausgebildet sein.
Die Oberfläche des Schneidrohrs 12 ist an der Innenwand und/oder der Außenwand geschliffen. Die geschliffenen Oberflächen haben eine Oberflächengüte mit einem Mittenrauwert von gleich oder weniger 0,8 Mikrometer. Durch diese Oberflächenbehandlung wird die Reibung zwischen Schneidkopf 3 und dem zu bearbeitenden Gegenstand deutlich reduziert. Somit ist eine deutlich geringere Kraft zum Eintreiben der Schneide 13 in den Gegenstand notwendig.
Wie in 4 gezeigt, ist auf dem zylinderförmigen Schneidrohr 13 eine Tiefenskala 14 angebracht. Die Tiefenskala 14 wird durch Lasergravieren angebracht. Die Tiefenskala 14 ist somit fest in das Schneidrohr 12 integriert und kann nicht durch mechanische Belastung abplatzen und die erzeugte Kavität verunreinigen. Außerdem hat die Lasergravur den Vorteil, dass keine Vertiefungen und/oder erhabene Bereiche durch die Beschriftung erzeugt werden.
Dem Schneidrohr 12 folgt ein Übergangsstück 15 zum Koppelelement 16. Wie in der Schnittdarstellung der 5B entlang der in 5A angegebenen Schnittebene besonders gut zu erkennen ist, wird die Wandstärke des Schneidrohrs 12 zum Koppelelement 16 verstärkt. Die axiale Durchdringung 17 ist im Bereich des Koppelelements 16 stufenförmig ausgebildet. Somit ist der Innendurchmesser im Bereich des Koppelelements 16 größer als im Bereich des Schneidrohrs 12. Dabei geht die axiale Durchdringung 17 im Bereich des Koppelelements 16 mit einem Radius 28 in einen konusförmigen Bereich 27 über. Der konusförmige Bereich 27 geht somit in den kleineren Durchmesser der axialen Durchdringung 17 im Bereich des Schneidrohrs 12 über. Dadurch wird ein Einschieben eines Stößels zum Ausstoßen von im Schneidrohr 12 angesammeltem Material erleichtert, da dieser ungehindert in das Schneidrohr 12 gleiten kann. Bevorzugt enthält der Stößel ein Gewinde, das geeignet ist, in ein entsprechendes, in der Kraftausübungseinrichtung 2 angebrachtes Innengewinde eingeschraubt zu werden. Somit wird das Ausstoßen des im Schneidrohr 12 angesammelten Materials durch Drehen des Stößels erleichtert.
Der Übergang zwischen Schneidrohr 12 und Übergangsstück 15 weist einen erster Freistich 18 in Form einer Hohlkehle auf. Der Außendurchmesser des Schneidrohrs ist somit im Bereich des ersten Freistichs 18 minimal reduziert. Dieser erste Freistich 18 stellt sicher, dass beim Bearbeiten der Außenwand des Schneidrohrs 12 keine scharfe Kante entsteht. Eine solche scharfe Kante würde nachteilig eine Sollbruchstelle ergeben. Des Weiteren ist an dem Übergang zwischen dem Übergangsstück 15 und dem Koppelelement 16 eine nach innen versetzte Hohlkehle 19 vorgesehen. Diese nach innen versetzte Hohlkehle 19 stellt sicher, dass die Überwurfmutter 10 plan auf dem Koppelelement 16 aufliegt und der Schneidkopf 3 die Überwurfmutter 10 in dem gewünschten Bereich ungehindert durchdringen kann.
Das Koppelelement 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel sechskantförmig ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen kann da Koppelelement 16 auch anders polygon, mehrkantig, verzahnt oder als Außensechsrund, ähnlich dem TORX für Schraubenanwendungen, ausgebildet sein. Es sind auch beliebige andere Formen anwendbar, die geeignet sind, eine formschlüssige Verbindung sicherzustellen.
Das Koppelelement 16 enthält auf der der Schneide zugewandten Seite eine plane Flanschfläche 20. In Bezug auf das Schneidrohr 12 ist die Flanschfläche 20 im rechten Winkel ausgebildet. Diese Flanschfläche 20 ist so ausgebildet, dass die Überwurfmutter 10 den Schneidkopf 3 in axialer Richtung in der Kraftausübungseinrichtung 2 fixiert.
Das Koppelelement 16 enthält weiter eine kegelstumpfförmige Zentriereinrichtung 21. Der Flankenwinkel bezogen auf eine Symmetrieachse, die auch als Rotationsachse durch das Schneidrohr 12 verläuft, beträgt 30° bis 60°. Bevorzugt beträgt der Flankenwinkel 45°.
Der Übergang 22 zwischen dem sechskantförmigen Abschnitt und der kegelstumpfförmigen Zentriereinrichtung 21 ist mit einem Radius ausgebildet. Der Radius des Übergangs 22 beträgt 1mm bis 5mm. Bevorzugt beträgt der Radius 3mm. Dieser Übergang 22 erleichtert das Einführen des Schneidkopfs 3 in die Kraftübertragungseinrichtung 2. Durch den Radius wird ein Verklemmen an den entsprechenden Innenwänden der Kraftübertragungseinrichtung 3 verhindert.
Die kegelstumpfförmige Zentriereinrichtung 21 geht in ein rohrförmiges Führungsstück 23 über. Das röhrenförmige Führungsstück 23 bildet ein zweites Ende des Schneidkopfs 3. Der Übergang 24 zwischen der kegelstumpfförmigen Zentriereinrichtung 21 und dem röhrenförmigen Führungsstück 23 weist einen zweiten Freistich 24 in Form einer Hohlkehle auf. Der Außendurchmesser des röhrenförmigen Führungsstücks 23 ist im Bereich der Hohlkehle minimal reduziert. Diese Hohlkehle stellt sicher, dass beim Bearbeiten der Außenwand des röhrenförmigen Führungsstücks 23 keine scharfe Kante entsteht. Eine solche scharfe Kante würden nachteilig eine Sollbruchstelle ergeben. Außerdem würde ein exaktes Platzieren des Schneidkopfs 3 in der Kraftausübungseinrichtung 2 durch eine solche Kante verhindert werden.
Im Bereich des zweiten Endes des Schneidkopfs 3 ist die Außenkante mit einer ersten Fase 25 an dem rohrförmigen Führungsstück 23 ausgebildet. Diese erste Fase 25 erleichtert das Einführen des Schneidkopfs 3 in die Kraftausübungseinrichtung 2. Die Innenkante des rohrförmigen Führungsstücks 23 ist im Bereich des zweiten Endes des Schneidkopfs 3 mit einer zweiten Fase 26 ausgebildet. Somit wird ein Einführen eines Stößels zum Auswerfen des extrahierten Materials erleichtert.
Das Material, das beim Erzeugen der Kavität extrahiert wird, wird im Schneidrohr 12 des Schneidkopfs 3 gehalten. Dieses Material lässt sich durch den oben erwähnten Stößel in Richtung der Schneide 13 aus dem Schneidrohr 12 ausstoßen. Der Stößel weist einen Außendurchmesser auf, der bevorzugt 0,1 mm und besonders bevorzugt 0,05mm kleiner ist als der Innendurchmesser des Schneidrohrs 12.
Wird das Schneidwerkzeugsystem 1 bei der Erzeugung einer Kavität in einem Knochen und/oder in einem Gelenk eingesetzt, kann das so gewonnenen Material nahezu unbeschädigt einer histologischen Untersuchung zugeführt werden.
Dabei ist besonders hervorzuheben, dass das entnommene Material durch keinerlei vom Schneidwerkzeugsystem 1 stammende Verunreinigungen kontaminiert ist. So kann besonders vorteilhaft eine exakte Untersuchung der Zusammensetzung des entnommenen Materials erfolgen.
6 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer Kavität in einem Gegenstand. In einem ersten Schritt 101 wird der Schneidkopf 3 in die Schneidkopfaufnahme 5 des Schneidwerkzeugsystems 1 eingeführt. Dabei ist der Schneidkopf 3 so ausgerichtet, dass er kraftfrei in die Schneidkopfaufnahme 5 eingeführt wird.
In einem zweiten Schritt 102 wird die Überwurfmutter 10 zur Fixierung des Schneidkopfs 3 aufgeschraubt. Dabei wird die Überwurfmutter 10 so festgezogen, dass der Schneidkopf 3 spielfrei in der Schneidkopfaufnahme 5 gehalten wird. Zusätzlich kann die Überwurfmutter 10 durch eine Kontermutter fixiert werden.
In einem weiteren Schritt 103 wird der Schneidkopf 3 in den Gegenstand eingeschlagen. Dabei wird an Tiefenskala 12 abgelesen, ob eine geforderte Eindringtiefe erreicht ist. Das Einschlagen kann durch einen einzelnen Schlag oder wiederholte Schläge mit einem Hammer auf das zweite Ende der Kraftübertragungseinrichtung 2 erfolgen.
In einem nächsten Schritt 104 wird das Schneidwerkzeugsystem 1 um eine Zentrale Achse gedreht. Die zentrale Achse entspricht der Achse der Kraftausübungseinrichtung 2.
Nun wird der Schneidkopf 3 aus der erzeugten Kavität mit Hilfe der Kraftausübungseinrichtung 2 herausgezogen. In einem nicht dargestellten weiteren Schritt wird das in dem Schneidkopf 3 befindliche Material mit einem Stößel ausgestoßen. Das so gewonnene Material kann anschließend einer histologischen Untersuchung zugeführt werden. In einem weiteren nicht dargestellten Schritt wird das Schneidwerkzeugsystem 1 in seine Einzelteile zerlegt, gründlich gereinigt und instandgesetzt.
Das erfindungsgemäße Schneidwerkzeugsystem 1 ist somit besonders vorteilhaft wiederholt einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Schneide 13 des Schneidkopfs 3 durch seine Geometrie und seine Materialauswahl über viele Schneidvorgänge scharf bleibt. Selbst aggressive Reinigungsmittel, die auch antibakteriell und/oder antiviral sein können, beeinflussen die Schärfe der Schneide 13 nicht. Die besonders gute Reinigungs- und Desinfektionseignung auch der weiteren Komponenten des Schneidwerkzeugsystems 1 sind besonders vorteilhaft im Vergleich zu der bisher bekannten Vorrichtungen nach US 6,592,588 B1 mit einem Entnahmegerät zur Entnahme eines zylinderförmigen Stifts.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale oder in den Ansprüchen beanspruchten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6592588 B1 [0003, 0004, 0062]

Claims

Schneidkopf (3) zum Erzeugen einer Kavität in einem Gegenstand, insbesondere einem menschlichen und/oder tierischen Knochen, mit einer Schneide (13), und einem Koppelelement (16), wobei das Koppelelement (16) auf der zur Schneide (13) abgewandten Seite des Schneidkopfs (1) angeordnet ist, und wobei das Koppelelement (16) so ausgeführt ist, dass es formschlüssig und lösbar mit einer Kraftausübungseinrichtung (2) koppelbar ist.
Schneidkopf (3) nach Anspruch 1, wobei der Schneidkopf (3) im Wesentlichen aus einem Keramikwerkstoff, insbesondere aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder stabilisiertem und/oder unstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂) und/oder Siliziumdioxid (SiO₂) und/oder Natriumoxid (Na₂O) und/oder Calciumoxid (CaO) und/oder Aluminiumoxidverstärkte Zirkonoxidkeramik (ATZ) und/oder Zirkonoxidverstärkte Aluminiumoxidkeramik (ZTA) und/oder Siliziumnitrid Si₃N₄ und/oder Titannitrid (TiN) und/oder Yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (YTZP) und/oder Ceriumoxid (CeO2) und/oder Magnesiumoxid (MgO) und/oder seltenen Erdoxide und/oder Salzen der seltenen Erdoxide besteht.
Schneidkopf (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Koppelelement (16) polygonförmig, insbesondere mehrkantförmig oder sechskantförmig, ausgebildet ist und/oder wobei die Schneide (13) kreisförmig ausgebildet ist.
Schneidkopf (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Koppelelement (16) eine kegelförmige oder kegelstumpfförmige Zentriereinrichtung (21) enthält.
Schneidkopf (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schneide (13) einen Schnittwinkel (α) von 5° bis 20°, vorzugsweise von 10° bis 20°, besonders bevorzugt von 15° bis 18°, aufweist.
Schneidkopf (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schneidkopf (3) eine Tiefenskala (14) enthält.
Schneidkopf (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schneidkopf (3) eine axiale Durchdringung (17) enthält, die insbesondere stufenförmig ausgebildet ist.
Schneidwerkzeugsystem (1) zum Erzeugen einer Kavität umfassend: einen Schneidkopf (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, und eine Kraftausübungseinrichtung (2), wobei die Kraftausübungseinrichtung (2) einen Griff (7) und eine Achse (4) aufweist, wobei die Achse (4) eine Schneidkopfaufnahme (5) zur Fixierung des Schneidkopfes (3) enthält, und wobei das Koppelelement (16) des Schneidkopfs (3) formschlüssig und lösbar über die Schneidkopfaufnahme (5) mit einer Kraftausübungseinrichtung (2) koppelbar ist.
Schneidwerkzeugsystem (1) zum Erzeugen einer Kavität umfassend: einen Schneidkopf (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, und ein Fixierelement (10), wobei das Fixierelement (10) den Schneidkopf (3) an seinem Koppelelement (16) ausfallsicher in der Schneidkopfaufnahme (5) fixiert, wobei das Fixierelement (10) von dem Schneidkopf (3) durchdringbar ist, und wobei das Fixierelement (10) auf der Schneidkopfaufnahme (5) fixierbar ist.
Schneidwerkzeugsystem (1) nach Anspruch 9, wobei das Fixierelement (10) ein Gewinde oder einen Bajonettverschluss oder einen Klickverschluss enthält.
Verfahren zum Erzeugen einer Kavität in einem Gegenstand mit einem Schneidwerkzeugsystem nach Anspruch 9, wobei folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: Einführen (101) des Schneidkopfs (3) in die Schneidkopfaufnahme (5) des Schneidwerkzeugsystems (1), Anbringen (102) des Fixierelements (10) zur Fixierung des Schneidkopfs (3), Einschlagen (103) des Schneidkopfs (3) in den Gegenstand, und Drehen (104) des Schneidwerkzeugsystems (1) um eine zentrale Achse, die durch den Schneidkopf (3) verläuft.