Pneumatikus méréstechnika alkalmazása ortopédiai berendezéseknél

Az ortopédiai precíziós alkatrészek csak akkor tudnak megfelelni a magas minőségi szabványok követelményeinek, ha minden egyes gyártási lépés (az első vágástól a végső feldolgozásig) következetesen stabil. Ehhez a jellemzők folyamatorientált ellenőrzése, a tűrések túllépésekor küldött azonnali visszajelzés és az összes folyamatadat dokumentálása szükséges.

Jellemzően, ahogy a munkadarabok a nyersanyagtól a végtermékig végighaladnak a gyártási folyamaton, a mérettűrés, a felületminőség és a geometriai jellemzők egyre kritikusabbak - egyre kritikusabb ezeknek a tűréseknek a betartása vagy felismerése a tűrés átlépése esetén. Az ortopédiai berendezések gyártási folyamatának végén mért egyik méretjellemző a kúpos felületeken az egyes alkatrészek illeszkedésének szűk tűrése. Például a csípő- és térdimplantátumok többségénél kúpos felületeket használnak az optimális beállításához és a komponensek megfelelő pozícióban történő biztonságos „rögzítéséhez”. Fenti alkatrészek gyártása során már a kúp alakjának és méretének ellenőrzése meghatározza, hogy milyen lesz az ortopédiai implantátumok teljesítménye élettartamuk során.

Miért a pneumatikus méréstechnika a leghatékonyabb módszer?

Tekintettel az egyre szűkebb tűrésekre, a mérőkészülékeknek egyre stabilabbnak kell lenniük, és megfelelő tervezési jellemzőkkel kell rendelkezniük, hogy az alkatrészeket megfelelően fogják be. A szükséges tűrések méréséhez megfelelő felbontással és pontossággal is kell rendelkezniük. A pneumatikus méréstechnika itt egyre inkább a kritikus paraméterek ellenőrzésének előnyben részesített vizsgálati eszközzé vált. A pneumatikus mérőkészülékek különösen pontosak és nagyon nagy felbontást nyújtanak. Általában olyan alkalmazásokhoz használják, ahol a tűrések szűkek - általában ±25 µm alattiak, és a felületi érdesség kisebb Rz=6,3 µm-nél. Ilyen körülmények fennállása esetén, pl. orvosi alkalmazásokhoz használt precíziós kúpoknál, a pneumatikus méréstechnika gyakran a legjobb megoldásnak bizonyul.

A pneumatikus mérés különösen alkalmas a méretviszonyok vizsgálatára is; a pneumatikus mérőkészülékek gyorsan, könnyen használhatóak és hosszú élettartamúak, még a legkeményebb használati feltételek között is, annak érdekében, hogy több millió alkatrész mérését lehessen végrehajtani. Bizonyos esetekben a pneumatikus méréstechnika akár az alkatrész meghatározott alakjellemzőinek vizsgálatára és értékelésére is használható.

A mérőfúvóka, vagyis minden olyan kis nyílás, amelyből levegő távozik, az oka annak, hogy a pneumatikus méréstechnika ennyire hasznos az ortopédiai kúpos felületek méréséhez. Egyetlen más mérőszenzor sem ilyen kicsi, vagy nem helyezhető el olyan közel a mérési helyhez, ha több átmérőt vagy geometriai alakot kell mérni. Bár a kisméretű elektronikus szenzorok vagy örvényáram-érzékelők mérete megközelítheti a mérőfúvóka méretét, de nem tudnak lépést tartani gazdaságosságukkal vagy a termelési területen történő közvetlen használatra való alkalmasságukkal.

Lehetséges az átmérő és a kúp mérése akár elektronikus szenzorok kombinációjával, akár éltapintós koordináta-mérőgép (CMM) segítségével. A mérőfúvóka közvetlenül precíziós készülékbe szerelhető, így az alkatrész közvetlenül a gyártásban történő mérésére használható. Ily módon a mérés egyetlen gyors mérési folyamatban, minimális kezelői erőfeszítéssel végezhető el. Sem a CMM, sem az optikai méréstechnika nem biztosítja a szükséges sebességet és pontosságot a munkadarabok 100%-os gyártásközi ellenőrzésének végrehajtásához és a folyamatteljesítmény azonnali visszajelzésének biztosításához.

Vizsgálóeszköz megfelelő kivitelének kiválasztása

Gyakorlatilag annyi módszer létezik a kúpos alakra vonatkozó követelmények meghatározására, mint ahány kúpos alkatrészgyártó létezik. A referenciafelület gyártótól függően változhat, a tűrések különböző módon adhatók meg.

Attól függően, hogy az egyes alkatrészeket hogyan kell egy egységgé összeállítani, a kúp tűrései szűkebbek lehetnek, mint az átmérőké, vagy fordítva. Alternatív megoldásként kúpok tűréseinek kombinációja is megadható csak egy átmérőn. Így a rajzon található adat a legjobb iránymutatás a pneumatikus mérőeszköz legmegfelelőbb változatának kiválasztásához. A pneumatikus méréstechnikánál a vizsgálóeszközöket kifejezetten minden egyes kúpos alkalmazáshoz készítették, így döntő jelentőségű a követelmények munkadarab-specifikus vizsgálata.  Ennek a mérési módszernek a rugalmassága és előnyei mégis szinte felülmúlhatatlanok: nagyon nagy felbontást kínál, a mérőszenzorok változatosan kombinálhatók annak érdekében, hogy tetszőleges számú dimenzionális és geometriai mérési adat közvetlenül a gyártásban történő fogadása lehetséges legyen.

Különböző típusú pneumatikus kúpmérő eszközök  

Az orvosi implantátumoknak rendkívül tartósnak és ellenállónak kell lenniük, hogy a kúpos illeszkedés a két rész között nagyon pontos legyen. A két résznek biztonságosan kell összekapcsolódniuk egymással, és megfelelő magasságban kell lenniük. A gyártásban szokásos gyakorlat az, hogy az alkatrészek 100%-át megvizsgálják a két alkatrész gyártási pontosságának biztosítása érdekében. Ez általában differenciális pneumatikus méréstechnológia segítségével történik, amely egyesíti a szükséges nagy felbontást és pontosságot a gyártási területen megkövetelt gyorsasággal, egyszerű működéssel és robusztus kivitellel.  

A pneumatikus kúpmérő eszközök leggyakoribb típusában két pár fúvóka van két mérési síkban elhelyezve, és a munkadarab és a mérőeszköz közötti köpenyes rendszerre van méretezve (lásd ábrák). Ha a kúpszög túl nagy, a kisebb kúpvégen nagyobb holtjáték van a két felület között. Ha a kúpszög túl kicsi, a nagyobb végen van nagyobb holtjáték. Mindkét esetben ez csökkentheti az alakzáró kapcsolatot, aminek következtében a „biztonságos kapcsolat” idővel megszűnhet, ha meglazul vagy túlforog. Ha a kúpszög helyes, de a méret nem megfelelő, akkor ez az ortopédiai egység teljes hossza nem megfelelő, ami a beültetés után nemkívánatos eredményeket okozhat.

A köpenyes rendszerű kúpos fúvókás mérőcsapokhoz nem részleges átmérőt mérnek, inkább a munkadarab két mérési helyén mért átmérőkülönbségét mutatják, amelyet aztán összehasonlítanak az etalon, ill. a mester megfelelő mérési helyeivel. Ha a kúp nagy végén az átmérőkülönbség nagyobb, mint a kis végén lévő átmérőkülönbség, a felső fúvókák nagyobb ellennyomást érzékelnek, mint az alsó fúvókák. Ebben az esetben negatív kúpot, ill. nagyobb kúpszöget ír le. Ha a kis végén nagyobb az átmérőkülönbség, akkor az ellenkezője a helyzet, és a mérőkészüléken pozitív kúp olvasható le. Mivel azonban a köpenyes rendszerű pneumatikus kúpmérő eszköz csak az átmérőkülönbségeket jeleníti meg, a két helyen nem jeleníti meg a részleges átmérőt. Bár ez a típusú pneumatikus mérőeszköz a mérőkúp kopására vonatkozóan jó adatokat szolgáltat, és lehetővé teszi a kapcsolat alakzárásának előrejelzését, de azonban nem tud semmit mondani a kúpkomponensek pozicionáló pontosságáról.
Ehhez egy homlokrendszerű (néha karimás kivitelnek is nevezik) pneumatikus mérőeszközt használnak, amelynél a gyűrű alakú befogó a pneumatikus kúpméréshez úgy van méretezve, hogy a teljes kúpot be tudja fogni. Attól függően, hogy hol van az alkatrész referenciafelülete, az alkatrész referenciapontra állása a kúp végén, az egyik karimán (vállon) a felső rész felületével szemben lehetséges. Ez lehetővé teszi az átmérők ismert magasságokban történő mérését (a holtjáték eltérése mellett, mint a köpenyes rendszerű kivitel esetében). A mérőfúvókák további szintje kiegészíthető a konkáv, ill. konvex hengeralak vizsgálatához, v agyis két további feltétellel, amelyek  a két illeszkedő komponens (belső és külső kónusz) közötti érintkezési felületet csökkentik.

A pneumatikus kúpmérő eszköz harmadik típusa az előzőleg említett típusok keveréke. Ez lényegében egy köpenyes rendszerű és hosszmérő szenzorral felszerelt pneumatikus mérőeszköz, amelynek referenciapontra állása a referenciafelület felületéhez történik. Ezzel bizonyítható, hogy milyen mélyre merül a pneumatikus mérőeszköz a mérendő részbe. Tehát amíg a kúpszög leolvasható a pneumatikus kiértékelő készüléken, a hosszmérő szenzor kijelzőjén  az egyes átmérő mélységadata jelenik meg. Belső kúpos munkadarab mérésekor, ha a kúposság túl nagy, a mérőkészülék tovább merül az alkatrészbe. Ha a kúpemelkedés túl kicsi, az elvártnál kevésbe merül az alkatrészbe. Ha a merülési mélységet mérőtapintóval határozzák meg, ez az érték bármely mérési mélységnél figyelembe vehető az átmérők számításakor.
 

A felület figyelembe vétele

A pneumatikus méréstechnika nagy pontossága és felbontása miatt ezt a darab felületminősége befolyásolhatja. Ez bonyodalmakat okoz a pneumatikus méréstechnika alkalmazásakor, mivel a használathoz jó felület szükséges. Normál használatnál a mérőfúvókák légárama befedi a darab felületének egy területét. A légáram visszaverődik a felületről a méréshez szükséges ellennyomás létrehozásához. Sima felületen lényegtelen az átlagos felület és az érdességi csúcsok közötti különbség, amely a belső átmérőjű munkadarab esetében szintén minimális játékot jelent. Ha azonban a felület nagyon durva, a terület, ill. a hely, ahol az ellennyomás fellép, jelentős mértékben eltérhet. Ez regisztrálható a pneumatikus mérőkészülék kijelzőjén, és befolyásolhatja a megjelenített átmérőt.

A felület problémái esetén  speciális lépések hajthatók végre azok figyelembe vételéhez. Amíg a felületi érdesség Rz 6,3 µm alatt van, az eltolás általában figyelmen kívül hagyható. De még ha a folyamatfejlesztés során felfedett hiba nem is kompenzálható és a tényleges átmérő meg is jelenik a gépkezelő számára. Tekintettel a felület jellegére és reakciójára szabadon lefújó mérőfúvókánál elektronikus erősítők és mérőszámítógépek is bocsáthatnak rendelkezésre megbízható számításokat a közepes vagy maximális átmérőkről.

Végkövetkeztetés

Az ortopédiai precíziós komponenseknek rendkívül magas minőségi szabványoknak kell megfelelni. Az ortopédiai berendezések gyártási folyamata közben mért egyik kritikus méretjellemző a kúpos felületeken az egyes alkatrészek illeszkedésének szűk tűrése. Tekintettel az egyre szűkebb tűrésekre, a mérőkészülékeknek stabilabbnak kell lenniük, és megfelelő tervezési jellemzőkkel kell rendelkezniük, hogy az alkatrészeket megfelelően fogják be. Ezenkívül  a szükséges tűrések méréséhez megfelelő felbontással és pontossággal is kell rendelkezniük. A pneumatikus méréstechnika itt egyre inkább a kritikus paraméterek ellenőrzésének elsődleges vizsgálati eszközzé vált.

A cikk szerzője George Schuetz, a Mahr Inc. Precision Gages igazgatója.