Medizinische Instrumente effizient schleifen

Stahl erfüllt die spezifischen Anforderungen der Medizintechnik in vielen Punkten am besten. Medizinische Instrumente aus Stahl kommen deshalb in nahezu allen Bereichen des Gesundheitswesens zum Einsatz. Zum Beispiel in der

Chirurgie: Bei Skalpellklingen, Zangen, Scheren, Nadelhaltern und Klammergeräten,

Orthopädie: bei Implantaten wie Knochenplatten, Schrauben und Stiften für Frakturreparaturen, künstlichen Gelenken,

Kardiologie: für Stents, Herzklappenersatz und andere Geräte für Eingriffe am Herzen,

Endoskopie und Diagnostik: bei Pinzetten, Sonden und Klemmen für verschiedene Diagnoseverfahren und nicht zuletzt auch in der

Zahnmedizin: für Spiegel, Zangen, Sonden und Bohrer.

Auch bei externen Ausrüstungen bzw. hochwertigen Geräten wie Dialyse- oder Beatmungsgeräten wird selbstverständlich Stahl genutzt.

Medizinische Produkte sind laut Definition für den Einsatz am Menschen bestimmt und wirken „primär physikalisch“. Stähle für die Medizintechnik müssen außergewöhnlich langlebig sein und besondere Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit aufweisen (siehe weiter unten). Moderne Produktionsanlagen garantieren dabei gleichbleibend hohe Qualität. Solche Stähle erfüllen die wichtigsten medizinischen Standards und sind zum Beispiel nach ISO und ASTM zertifiziert.

Zwei Arten von medizinischem Stahl

Grundsätzlich werden in der Medizintechnik zwei Arten von medizinischem Spezialstahl verwendet: zum einen Medizinstahl, auch Chirurgenstahl genannt. Zum anderen der sogenannte Implantat- oder Prothesenstahl. Beide unterscheiden sich durch ihre Herstellungsverfahren, Zusammensetzungen (Legierungen) sowie chemischen und mechanischen Eigenschaften. Schauen wir zunächst einmal auf den Medizin- bzw. Chirurgenstahl:

Medizinstahl – extrem hart und verschleißfest

Stahl für medizinische Instrumente gehört meist, zu etwa 80 Prozent, zu den martensitischen Edelstählen, wird also durch das spezielle Produktionsverfahren der „martensitischen Umwandlung“ hergestellt. Vereinfacht gesagt, wird dabei durch sehr schnelle Abkühlung im Herstellungsprozess eine Strukturänderung des Rohmaterials Austenit bewirkt – die folgende Volumenexpansion des Austenits lässt extrem harten Stahl entstehen. Weitere Elemente wie Stickstoff, Nickel, Chrom und Molybdän werden zugefügt und beeinflussen die Eigenschaften des Stahls zusätzlich.

Martensitischer Stahl muss in der Medizintechnik besonderen Anforderungen gerecht werden. Hier ist vor allem seine außergewöhnliche Härte zu nennen. Er verfügt über größte Festigkeit und verschleißt auch bei hohen Anforderungen nicht. Auch größtmögliche Steifheit ist wichtig, damit beispielsweise Klingen, selbst bei intensiver Nutzung, lange scharf bleiben. Das ermöglicht präzise Schnitte.

Hohe Beständigkeit gegen Hitze und Säuren ist notwendig, um tägliche Sterilisationen nach dem Einsatz, beispielsweise bei OPs, zu überstehen. Und selbstverständlich dürfen Instrumente nicht rosten, da der menschliche Körper ja fast nur aus Wasser besteht. Wie gut also, dass Edelstahl nicht korrodiert und je nach Legierung sogar eine antibakterielle Wirkung hat, um maximale Hygiene zu gewährleisten.

Apropos Hygiene: Die meisten medizinischen Instrumente sind verchromt. Und zwar nicht nur, weil es besser aussieht. Sondern weil Chrom für eine kratzfeste Oberfläche sorgt, die stets hygienisch bleibt. Denn andernfalls könnten selbst kleinste Kratzer zu einer Brutstätte von Bakterien werden.

Implantatstahl – beständig und (bio)kompatibel

Implantate bestehen überwiegend aus Edelstählen, die ein spezielles austenitisches Herstellungsverfahren durchlaufen, zum Beispiel das Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren. Diese Stähle sind besonders rein, frei von metallischen Verunreinigungen und zeichnen sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit sowie Biokompatibilität aus, was sie ideal für ihren sensiblen Einsatz im Menschen macht.

Implantatwerkstoffe müssen vielfältigste Anforderungen erfüllen, um den speziellen Eigenschaften des menschlichen Körpers standzuhalten. Grundlegend sind exzellente mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit sowie bestmögliche Integration in das Gewebe, die sogenannten Bioädhasion. Neben der bereits genannten, im „feuchten“ menschlichen Körper unbedingt erforderlichen Korrosionsbeständigkeit, muss Implantatstahl beispielsweise auch säurebeständig sein. Im Körper werden laufend Säuren produziert, die zwar meist direkt durch Basen neutralisiert werden, aber das Material trotzdem angreifen könnten. Aus diesem Grund werden Implantate oft mit einer Schicht aus antibakteriellen Mitteln überzogen, um Immunreaktionen zu vermeiden. Ähnlich verhält es sich mit der biologischen Verträglichkeit: Prothesenstahl darf keinerlei Fremdkörperreaktion erzeugen, sondern muss in den Stoffwechsel integriert werden können. Aufgrund hervorragender Biokompatibilität des Stahls ist dies kein Problem.

Ein weiterer prominenter Werkstoff für Implantate ist Titan. Das Leichtmetall hat bei bestimmten Legierungen eine sehr hohe Festigkeit und punktet mit besonders guter Bioadhäsion, heißt: Es wird nach einer bestimmten Zeit sogar vollständig vom Körper in die Knochenstruktur eingearbeitet. Es ist allerdings auch deutlich teurer als Produkte aus Implantatstahl und sehr anspruchsvoll in der Bearbeitung, dazu weiter unten mehr.

Die EU hat in der ISO-5832-Normenreihe „Chirurgische Implantate – Metallische Werkstoffe“ die Eigenschaften und Prüfungsverfahren für kaltumformbare, nichtrostende metallische Werkstoffe festgelegt, welche zur Produktion von chirurgischen Implantaten genutzt werden dürfen.

Das Schleifen von medizinischen Instrumenten und Implantaten bringt einige werkstoff- und (end-)produktspezifische Herausforderungen mit sich, unter anderem:

Präzision: Die Toleranzen bei medizinischen Geräten mit ihren oft engen Radien und Konturen sind teilweise extrem eng. Schon geringste Abweichungen könnten die Funktion beeinträchtigen oder schlimmstenfalls die Patientensicherheit gefährden. Deshalb ist eine hochpräzise Bearbeitung notwendig. Zudem erfordern die Instrumente gratfreie, sehr scharfe Schneidkanten.

Materialhärte: Besonders Medizinstahl ist auf hohe Festigkeit bzw. Zähigkeit ausgelegt und daher vergleichsweise anspruchsvoll in seiner Bearbeitung. Das führt unter anderem zu mehr Wärmeentwicklung, Vibrationen, Lärm und auch zu erhöhtem Kornverschleiß. Das Schleifen von medizinischen Instrumenten, aber auch Implantaten, erfolgt deshalb in vielen Fällen mit strukturierten Schleifmitteln. Denn: Diese erzeugen trotz hohem Abtrag das gewünschte feine Finish.

Temperaturentwicklung: Beim (Fein-)Schleifen von Medizin- und Implantatstahl entsteht Hitze, die das Materialgefüge verändern, zu Verformungen und Verfärbungen führen kann. Ein möglichst kühler Schliff ist daher wünschenswert.

Oberflächengüte: Letztlich geht es beim Schleifen von medizinischen Instrumenten und Implantaten vor allem um eine äußerst gute, qualitativ sehr hochwertige Oberfläche: so glatt wie möglich, ohne Kratzer, Riefen oder Materialumwerfungen. In der Regel ist eine glatte, polierte Hochglanzoberfläche erwünscht, um Sterilität zu gewährleisten und Kontamination oder Korrosion zu verhindern. Das Ziel ist immer ein fehlerfreies, einheitliches und reproduzierbares Schliffbild bei hohem Materialabtrag.

Die Bearbeitung von medizinischen Instrumenten und auch Implantaten erfolgt in der Regel per Handschliff, das heißt: entweder am Backstand/Schleifbock und am freien Band oder per Hand Powertool. XELERION ist speziell für diese Schleifverfahren entwickelt und optimiert worden.

Bei der Produktion am freien Band wird von großen Herstellern immer mehr auf Roboterschliff gesetzt, um möglichst konstante Ergebnisse zu erzielen. Aufgrund seines einzigartigen Einsatzverhaltens ist XELERION für diese automatisierte Nutzung geradezu prädestiniert, denn: Es liefert über die komplette Nutzungsdauer ein konstant hohes Abtragsverhalten – während Wettbewerbsprodukte, deren Schleifkorn beispielsweise über eine Pyramidenstruktur verfügt, recht schnell abstumpfen, mehr Wärme generieren und dann in ihrer Leistung nachlassen.