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Componentes para el cuerpo humano

Soluciones para el mecanizado de implantes de cadera de cromo de cobalto

José Manuel Diego, especialista SPM&Medical y Trainer en Sandvik Coromant

14/11/2014

La cirugía de implante de cadera es en la actualidad una de las más frecuentes y exitosas operaciones ortopédicas realizadas en EE UU. En 2013, más de 332.000 personas sustituyeron sus caderas dañadas por una articulación cerámica o metálica. Además, este número sigue creciendo con regularidad debido a las necesidades de una población cada vez mayor, las innovadoras técnicas quirúrgicas y los recientes avances en materiales. Con más de 43 millones de personas que padecen algún tipo de artritis ósea, la Academia de Cirujanos Ortopédicos estadounidense prevé que la demanda total de implantes de cadera aumente un 174% en el año 2030. Esta creciente necesidad de implantes protésicos requerirá constante innovación y la máxima eficiencia de mecanizado.

En el sector de la fabricación de dispositivos médicos, satisfacer los estrictos y específicos requisitos de la comunidad médica y de la Administración de Medicamentos y Alimentos (Food and Drug Administration, FDA) es una gran responsabilidad. Los componentes para el cuerpo humano deben ser hipoalergénicos, biocompatibles y de mecanizado preciso. Para un grupo de selectos cirujanos, el cromo de cobalto es un material deseado para esta extremadamente exigente aplicación. La resistencia del material es fundamental debido a la cantidad de peso que debe soportar la articulación. Frecuentemente sujetos a la fatiga, los dispositivos protésicos y los implantes médicos requieren una robustez y dureza superiores, además de resistencia a la corrosión y un desgaste excelente. Fácilmente fundidos en formas complejas, su alta rigidez puede pulirse hasta conseguir un acabado brillante para ofrecer un movimiento de la articulación sin fricciones.

No obstante, las mismas propiedades que hacen del cromo de cobalto una excelente elección para implantes de articulación de cadera, también lo hacen complicado de mecanizar. A pesar de que el mecanizado de materiales tan duros y abrasivos como el cromo de cobalto presenta ciertos riesgos, se puede hacer con precisión y efectividad. A medida que aumentan las exigencias de calidad, es esencial contar con un control riguroso del proceso para este tipo de componentes. Debe conseguirse un excelente acabado superficial para evitar picaduras, grietas y restos de material no deseado.

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Utilizar una plaquita redonda para la copa acetabular interior y exterior ayudará a crear virutas más finas para una sencilla evacuación. El radio de la plaquita redonda permite al filo de corte aproximarse al material más lentamente, aumentando el empañe. Y con un mayor empañe, el grosor de la viruta se reduce.

Sin margen de error

El coste del error al mecanizar materiales como el cromo de cobalto puede ser alto. Entre la bajada del nivel de producción y el tiempo perdido, tirar componentes de baja calidad debido a la falta de experiencia y formación es económicamente inaceptable para muchos talleres. Conseguir un proceso seguro y predecible que garantice la repetibildad sin comprometer la calidad requiere saber cuál es la herramienta correcta y qué datos de corte aplicar, además de saber cómo controlar la viruta y reducir el coste por componente. Asegúrese de utilizar el soporte y la formación de los representantes de la empresa proveedora de las herramientas para recibir soluciones especiales individuales que le ayuden a superar cualquier reto. Debido a las altas exigencias de tolerancia en micras al menor coste por componente posible, un mayor conocimiento y experiencia ayudarán al taller a mantener su competitividad en la industria.

Problemas del material

Dependiendo del origen del cromo de cobalto, ya sea fundido, forjado o en barra, las dificultades del mecanizado varían. Las piezas brutas de fundición típicas tienen menos material que eliminar que otras formas, pero tienden a tener una “corteza tenaz” que hay que romper. El material bruto en barra normalmente necesita una operación de taladrado para eliminar una parte del material excedente. Pero el material bruto en barra es más fácil de mecanizar que las formas de forja o fundición debido a que su nivel de dureza total es más consistente. Según la escala C del método Rockwell, la dureza del cromo de cobalto es de 40 a 46 HRc, pero algunas partículas de la estructura pueden ser de hasta 58 HRc. Hay una relación directa entre la dureza del material y la vida útil de la herramienta. Cuanto mayor es la dureza de la aleación, más corta es la vida útil de la herramienta y más rápido es el desgaste del filo.

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Los componentes mecanizados en cromo de cobalto para las articulaciones de cadera son las esferas interior y exterior de la copa acetabular, la cabeza y el vástago femoral.

Una buena elección de herramienta

Al comprar una herramienta de plaquita intercambiable para este tipo de material, no es recomendable basar la decisión en el precio. Ahorrar en herramientas de calidad solo conllevará mayores problemas a lo largo del camino. Desde en el taladrado en desbaste hasta en el acabado superficial, la plaquita puede determinar el éxito o el fracaso de una trabajo. Cambiar plaquitas desgastadas prematuramente y tener que tirar constantemente herramientas rotas no mantendrá encendida la luz verde de su taller.

¿Qué tipos de plaquita funcionan mejor en este tipo de material? Busque plaquitas que ofrezcan un filo robusto y una excelente resistencia al desgaste en entalla excesivo. Las plaquitas de forma redonda con ángulo de incidencia positivo ofrecen múltiples ventajas. Para el torneado interior del corte esférico en una articulación de rótula de cadera, las plaquitas redondas optimizan el proceso de desbaste ofreciendo un equilibrio perfecto entre seguridad y productividad.

El desgaste en entalla es un problema habitual al mecanizar este tipo de partes. El desgaste en entalla es un desgaste mecánico que se concentra en la profundidad del corte. Reduce drásticamente la vida útil de la herramienta y produce una rebaba no deseada en el componente. Esta calidad inferior resulta en materiales desechados y en una reducción de los niveles de productividad. Utilizar plaquitas redondas con un ángulo de entrada inferior a Kr 45° ofrecerá fiabilidad y durabilidad, y menores cambios de herramienta. Las plaquitas redondas también permiten aplicar unas velocidades de avance y de corte incrementadas para conseguir así una máxima productividad. Cuando se utiliza una plaquita redonda con una profundidad de corte muy por debajo del radio, el espesor de la viruta, hex, se reduce en relación al avance y se incrementa la longitud del filo. La consecuencia es una menor temperatura y la oportunidad de incrementar tanto el avance como la velocidad para conseguir un máximo volumen de producción.

Los componentes mecanizados para las articulaciones de cadera son las esferas interior y exterior de la copa acetabular, la cabeza y el vástago femoral. Las operaciones para este tipo de piezas suelen ser taladrado en desbaste, torneado en desbaste, semiacabado, torneado de acabado y tronzado. Elija plaquitas para estas operaciones que ofrezcan seguridad del proceso a lo largo de prolongados tiempos en corte. Entre los factores importantes están el radio de punta, el recubrimiento, la geometría y la calidad.

Seleccionar el radio de punta correcto es un factor clave en las operaciones de torneado. Un amplio radio de punta es ventajoso para velocidades de avance más pesadas, mayores profundidades de corte, filos más resistentes y fuerzas radiales incrementadas. En contraste, un radio de punta menor es mejor para las profundidades de corte pequeñas y plaquitas de menor resistencia, y reduce las vibraciones. Utilizar una plaquita resistente al desgaste, resistente al calor y que incremente la seguridad permitirá mecanizar más componentes con menos plaquitas. Los recubrimientos mejoran el tiempo en corte, creando una barrera de calor hacia la zona de corte y la viruta. Desde el fresado de las ranuras hasta el acabado superficial, seleccione geometrías y calidades diseñadas para funcionar bien con el cromo de cobalto. Los filos agudos, de alta tenacidad y versátiles, le proporcionarán el máximo rendimiento al mecanizar estos componentes.

Conocimientos sobre datos de corte

Unos datos de corte precisos juegan un papel clave en el control y la prolongación de la vida útil de la herramienta al trabajar con aleaciones de metal duras y abrasivas. Disponer de los datos de corte correctos y seleccionar las herramientas de corte adecuadas es importante para la seguridad del proceso y la productividad, y pueden prolongar la vida útil de la plaquita. La productividad aumenta cuando las plaquitas pueden trabajar durante un lote completo sin necesidad de reemplazase. Conocer la velocidad de avance y de corte correctas también es importante. Utilizar una velocidad de avance demasiado alta causa vibraciones en la herramienta y tensiones que pueden causar la rotura y el astillamiento de la plaquita. Si su velocidad de corte es demasiado alta, esto aumenta el calor y la fricción, lo cual rápidamente resulta en un endurecimiento por deformación en frío. Una vez se endurece el material, se produce un efecto dominó y la vida útil de la herramienta desciende rápidamente porque provoca un desgaste prematuro, un acabado superficial inaceptable y unos requisitos de tolerancia insuficientes.

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Disponer de los datos de corte correctos y seleccionar las herramientas de corte adecuadas es importante para la seguridad del proceso y la productividad, y pueden prolongar la vida útil de la plaquita. La productividad aumenta cuando las plaquitas pueden trabajar durante un lote completo sin necesidad de reemplazase.

Controlar la viruta

El control de la viruta es otro obstáculo en el mecanizado de cromo de cobalto. A menudo produce virutas largas que no se rompen correctamente y tienden a enredarse, las virutas de cromo de cobalto pueden provocar un tiempo de inactividad innecesario. Parar constantemente la operación para desenredar las virutas conlleva un menor volumen de producción y, en última instancia, una menor rentabilidad. Utilizar refrigerante de alta presión puede ayudar a evacuar la viruta y al mismo tiempo evita el endurecimiento en frío, al prevenir el traspaso de calor de la plaquita al material. Utilizar refrigerante de gran precisión dirigirá el refrigerante directamente al filo. Un suministro de refrigerante tan preciso contribuye a la rotura y la evacuación de las virutas, incrementando la estabilidad del proceso, a la vez que ayuda a rebajar la temperatura en la zona de corte e incrementar la vida útil.

Las técnicas de adelgazamiento radial de la viruta también pueden ayudar y son otro motivo por el que elegir una plaquita redonda. Utilizar una plaquita redonda para la copa acetabular interior y exterior ayudará a crear virutas más finas, por lo que evacuarlas ya no es un problema. El radio de la plaquita redonda permite al filo de corte aproximarse al material más lentamente, aumentando el empañe. Y con un mayor empañe, el grosor de la viruta se reduce.

La importancia del acabado superficial

La integridad superficial es un aspecto importante de por qué el cromo de cobalto es un material apropiado para los implantes de cadera. Médicamente es necesario utilizar un material que pueda resistir el desgaste natural del cuerpo humano durante toda una vida. El acabado superficial debe ser excelente, no solo para la comodidad y movilidad del paciente, porque crea menos fricción, sino también porque debe estar preparado para todos los demás procesos secundarios a los que se somete el componente antes de llegar al quirófano. Sin un acabado superficial adecuado, los códigos y números grabados en cada componente para su identificación y rastreo no serán visibles.

Este año, los dispositivos médicos fabricados en EE UU, incluyendo los componentes para implantes de cadera, incluirán un identificador de dispositivo único (UDI). Este código único permitirá a los pacientes, profesionales sanitarios, fabricantes y reguladores federales rastrear cada dispositivo. Para el 2018, cada componente fabricado en EE UU deberá llevar este UDI.

Los talleres tienen que proporcionar componentes de máxima calidad, al menor coste por componente posible, para conservar su competitividad. Debido a la creciente demanda de prótesis como consecuencia del envejecimiento de la población, cumplir las estrictas directrices y normativas de la comunicación médica supone algunos retos. Dado que el cromo de cobalto es uno de los materiales más duros y abrasivos de mecanizar, esas exigentes calidades son exactamente las que lo convierten en un material excelente para las piezas de los implantes de cadera. Además de su capacidad de soportar el peso, facilitar el movimiento, resistir la corrosión y proporcionar un excelente desgaste, este material es hipoalergénico, biocompatible y proporciona la precisión de mecanizado necesaria para que la articulación se mueva sin fricciones. Cuando se entienden factores clave como la selección de la herramienta, los datos de la herramienta de corte y el control de la viruta, mecanizar un componente de alta calidad puede ser difícil de conseguir, pero a través de los conocimientos, la formación y el soporte técnico correctos, los talleres pueden superar estos retos y garantizar su éxito en la industria.

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