Controles CNC al servicio de la medicina

Desde hace algún tiempo, la técnica médica se ha convertido en un sector industrial muy importante y se calcula que solo en Alemania tuvo, en 2008, un volumen de ventas de unos 17.800 millones de euros. Y la tendencia es alcista. Para 2010 se pronostica para este sector un crecimiento en todo el mundo en torno al 9%. Un motivo para el crecimiento es que el mundo está experimentando un cambio demográfico y que la edad media de la población es cada vez mayor. Es por ello que aumentan las necesidades de las prestaciones médicas. Además, crecen también las exigencias. Y los ofertantes reaccionan e invierten al año prácticamente el 10% del volumen de ventas generado en investigación y desarrollo, lo que se traduce en una mayor dinámica para el mercado.

Los desarrollos van avanzando en todos los ámbitos de la técnica médica. Se consiguen unos progresos impresionantes tanto en máquinas complejas como, por ejemplo, tomógrafos asistidos por ordenador, o aparatos de laboratorio —entre los que se encuentran, por ejemplo, las centrífugas de alta velocidad. También los instrumentos para la medicina dental y operaciones mejoran constantemente. Por no hablar de las prótesis y de los injertos que, gracias a los modernos materiales y procesos de mecanizado, ya pueden permanecer durante más de 20 años en el cuerpo humano.

Los controles CNC de la serie 30i-A y 31i-A5 de Fanuc son especialmente adecuados para los empleos más exigentes. Foto: Fanuc CNC.

Con motivo del estudio ‘MedTech2020’ elaborado en septiembre de 2009 por la VDE (Asociación alemana de electrotecnia, electrónica y técnicas de información) se encuestó a más de 600 expertos acerca de las tendencias en la técnica médica. Un resultado de esta encuesta es el que los sectores de prótesis e injertos siguen teniendo una fuerza de innovación máxima. Es precisamente aquí donde, además del procesamiento de plásticos, el mecanizado de metal tiene un papel fundamental.

La gama de producción es muy amplia e incluye diferentes procedimientos como el torneado, el fresado, el rectificado, el roscado por remolinado, etc. Los productos estándar como los clavos y los tornillos para huesos se fabrican en grandes series. Por el contrario, alguna fabricación especial compleja sigue siendo pieza única. Un reto tanto para la máquina como para el control lo suponen los materiales a mecanizar como, por ejemplo, el titanio, el cobalto/cromo o la cerámica que requieren un gran know how para conseguir la precisión y calidad de superficie deseadas.

A lo largo de los últimos años muchas empresas que ya contaban con experiencias en otros sectores de alta tecnología han dado el salto para formar parte de los proveedores de la técnica médica, ya que muchos de los conocimientos de la construcción de moldes, de la industria automovilística y aeronáutica, así como de la microtécnica pueden aplicarse prácticamente al cien por cien. También las máquinas herramienta necesarias han quedado ya acreditadas en estos sectores y pueden ser adaptadas a los nuevos retos de la técnica médica por medio de sus modernos controles CNC. Lo que tienen que aportar son una calidad, precisión y seguridad máxima, ya que cuando de salud se trata, todo el mundo quiere lo mejor.

Una máquina para el torneado, el fresado y el taladrado de agujeros profundos

Máquinas especialmente demandadas en la técnica médica son los tornos automáticos para cilindrar. Estas máquinas permiten producir tornillos para huesos, médula, así como muchos tipos de injertos e instrumentos. La tendencia de estas máquinas está claramente enfocada hacia el mecanizado completo para lo cual en caso de productos complejos, además del torneado se requiere normalmente también el fresado y taladrado de agujeros profundos.

A tal fin, los fabricantes innovadores de máquinas ofrecen unos tornos automáticos que están equipados con varios revólveres y ejes adicionales. Las herramientas impulsadas se encargan entonces de los trabajos de fresado, taladrado y roscado. El mecanizado resulta especialmente rentable cuando están engranadas varias herramientas al mismo tiempo, ya que, de este modo, se reducen considerablemente los tiempos por pieza.

Un ejemplo: el mecanizado completo de clavos para huesos no sólo requiere un torneado, sino también un taladrado de agujeros profundos y transversales y la realización de los fresados más variados. La solución ideal para estas tareas es un torno automático para cilindrar, equipado con tres revólveres, así como un eje Y y un eje B en el revólver. Las posibilidades de mecanizado de cinco ejes permiten incluso el fresado eficaz de los llamados ‘grooves’ (estrías torcidas en el clavo para los huesos) y de los salientes de refuerzo de formas especiales. Estos salientes de las que habitualmente hay dos en cada clavo, son de forma libre y pueden mostrar diferentes contornos. Para poder mecanizar estos salientes con dos fresas al mismo tiempo, no sólo se requiere una sofisticada técnica de máquinas, sino también un control de varios canales especialmente potente.

Un control de alto rendimiento de este tipo es, por ejemplo, el control CNC de Fanuc de la serie 30i. La máquina mencionada a modo de ejemplo requiere cuatro canales y la posibilidad de controlar un total de hasta 16 servoejes, de los cuales siempre deben interpolarse entre sí de cinco a seis ejes. Además, el control debe dominar al menos siete husillos.

A fin de controlar un grado de complejidad tan elevado, Fanuc pone a disposición un soporte de programación adicional. En este sentido, al margen del interpolador CNC convencional, el usuario puede utilizar también la función ‘Path Table Operation (PTO)’. Esta función facilita la sincronización de todos los ejes en el ciclo de interpolación de milisegundos, permitiendo la programación exacta de unos movimientos especialmente sensibles.

Los injertos se caracterizan en muchos casos por sus complejos contornos, a menudo de formas libres, y sus altas calidades de superficie. Por este motivo, son cada vez más los fabricantes que recurren a los centros de mecanizado de cinco ejes capaces de dar una respuesta adecuada a estas exigencias. También en este caso resultan recomendables los controles de alto rendimiento como pueden ser los controles CNC de Fanuc de las series 30i y 31i-A5 que ofrecen múltiples funciones de cinco ejes especiales, entre las que figuran, por ejemplo, las posibilidades de compensación de la longitud, del sentido y del radio de la herramienta (TCP, TPC y TRC).

Fanuc pone a disposición otras funciones dentro del mecanizado de cinco ejes para garantizar la alta calidad de superficie de los componentes mecanizados. En este sentido existen, por ejemplo, las posibilidades de la nano interpolación y las funciones Smooth TCP y Smooth TCP2. Estas dos funciones se basan en la función ‘Tool Center Point’. Smooth TCP sirve para compensar las desviaciones en la aproximación de la herramienta e ignora los comandos redundantes con respecto a la posición del centro de la herramienta. Smooth TCP2 sirve para optimizar la compensación del sentido de herramienta (incluso en programas existentes) para conseguir un movimiento más homogéneo durante el mecanizado lateral. Ambas funciones ayudan además a acortar los tiempos de ciclo.

Otra función auxiliar ofrecida por Fanuc proporciona una elevada seguridad de mecanizado, gracias a la protección contra colisiones incorporada. El 3D-Interference Check que se encuentra disponible independientemente del tipo de mecanizado, es una función integrada en el núcleo CNC de las series 30i y 31i. A diferencia de muchos sistemas de protección contra colisiones offline que sólo brindan una seguridad limitada, el 3D-Interference Check ofrece una protección contra colisiones prácticamente del cien por cien. Aunque esta función está integrada en el CNC, la velocidad de mecanizado no se ve mermada.

Exigencia de mecanizado completo también para instrumentos

No sólo se requiere el mecanizado completo para los injertos. Como muchos instrumentos médicos muestran la tendencia hacia una mayor variedad de variantes y series más pequeñas, por motivos económicos, se precisan unos cambios de producto rápidos. Esto supone un claro indicador para el mecanizado completo en el que se realiza hasta el mecanizado de acabado en una máquina, sin tener que cambiar la sujeción. Todo ello da lugar a una mayor seguridad del proceso y precisión.

La precisión exigida aumenta, por ejemplo, en el caso de los instrumentos dentales impulsados por energía y sujetados a la mano. Aquí las tolerancias de diámetro y medidas de longitud, pero también las tolerancias de forma y posición son cada vez más estrechas, lo que se debe a los muy altos números de revoluciones que deben ser transmitidos de forma fiable en caso de estos instrumentos. Algo similar ocurre en la fabricación de centrífugas de laboratorio que se utilizan en el sector médico y farmacéutico. Una mayor precisión proporciona la posibilidad de unas velocidades de giro más rápidas, hecho que proporciona unos mejores resultados de trabajo.

Si el mecanizado completo no fuera posible debido a la complejidad, Fanuc pone a disposición otra función auxiliar para poder alcanzar la máxima precisión. La compensación de la posición de pieza (Workpiece Setting Error Compensation) resulta muy ventajosa cuando se retira la pieza después de un proceso de mecanizado, por ejemplo, para realizar mediciones, para continuar después el mecanizado en la máquina. En este proceso no pueden evitarse pequeñas desviaciones de medidas frente a la sujeción original. Esta función es capaz de integrar los resultados de medición como factores de corrección para los procesos de mecanizado posteriores.

Además de los clásicos torneados y fresados, en la técnica médica son habituales otros procedimientos de mecanizado. En este sentido, los tornillos para huesos se fabrican muy a menudo, por ejemplo, con roscadoras por remolinado. Como la producción en serie no sólo requiere una alta productividad, sino también una fiabilidad máxima, también aquí se utilizan controles CNC de Fanuc. Los mismo es aplicable a las fresadoras de roscas que también son utilizadas para la producción de tornillos para huesos.

La máxima disponibilidad de los controles CNC de Fanuc no sólo queda de manifiesto en la técnica médica por las afirmaciones de los clientes finales, sino que también puede respaldarse con números: El resultado de los análisis estadísticos es que, desde el punto de vista aritmético, tan sólo al cabo de más de diez años puede producirse un fallo que provoque una avería de la máquina herramienta provocada por el control (Mean Time Between Failures – MTBF).

De gran importancia para las empresas productoras de la técnica médica resulta también la compatibilidad ascendente de todo el software de Fanuc que es aplicable a todos los sistemas y todas las generaciones. Esto quiere decir que cada programa que se ha programado una vez para un control CNC de Fanuc, funciona sin ningún problema en cualquier modelo de control más reciente. De este modo, en caso de un parque de máquinas de nuevo equipamiento, los usuarios ahorran mucho tiempo en la programación, por ejemplo, de piezas o piezas de recambio muy poco solicitadas.

Las articulaciones de la cadera se fabrican, por ejemplo, en una rectificadora planetaria de bolas y calotas que está equipada con un cabezal de revólver para cinco herramientas y que dispone de una unidad de medición para realizar mediciones de interiores y exteriores. El fácil manejo por medio de la pantalla táctil y la interfaz de diálogo especial han sido posibles gracias al control CNC de Fanuc.

Los controles CNC de Fanuc también se utilizan para el rectificado de precisión en la técnica médica. Este procedimiento se utiliza, por ejemplo, para la fabricación de las bolas de cerámica para las articulaciones de la cadera. La precisión de los contornos de los injertos debe ser de hasta 1 µm, para lo que se requiere un control muy preciso y capaz de recorrer esta pista con el menor fallo de arrastre posible. Los controles CNC de Fanuc son capaces de interpolar los recorridos de desplazamiento de los diferentes ejes con exactitud y de conseguir, de este modo, el ángulo de cono deseado.