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Come la lavorazione CNC sta cambiando il settore medico

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motori digitali, software sofisticati e utensili da taglio specializzati consentono di ottenere precisione, ripetibilità e scalabilità nella lavorazione CNC.

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I prodotti, i dispositivi e gli accessori utilizzati in medicina stanno diventando sempre più sofisticati grazie all'emergere di nuove tecnologie per migliorare la salute umana e i risultati dei pazienti. Questi prodotti si trovano ovunque, dai reparti chirurgici ai centri di riabilitazione, dalle cliniche di provincia all'armadietto dei medicinali di famiglia.

Indipendentemente dal tipo di prodotto, tutti condividono alcune caratteristiche comuni.

. In primo luogo, devono essere sicuri da usare, e questo grado di sicurezza comprende ovviamente le materie prime con cui sono realizzati.

. Devono essere affidabili, con tolleranze strette necessarie per prestazioni prevedibili e ripetibili.

. Spesso sono altamente personalizzati, con design unici che li rendono adatti ad applicazioni molto specifiche legate all'anatomia umana.

. È importante che le nuove idee di prodotto possano essere prototipate, testate, approvate e immesse sul mercato in tempi rapidi.

La lavorazione CNC è una soluzione produttiva ideale per soddisfare tutti questi criteri e molto altro ancora.

Lo stato attuale dell'arte della lavorazione CNC

I progressi della tecnologia delle macchine utensili CNC sono guidati dalle richieste del mercato. Progetti sofisticati per applicazioni di nuova generazione richiedono livelli più elevati di precisione e ripetibilità. Questo, a sua volta, sta ampliando il limite di ciò che è fisicamente possibile nella progettazione degli utensili.

I produttori di macchine sono sempre alla ricerca di modi per ottimizzare le prestazioni controllando le vibrazioni, aumentando la velocità della macchina, riducendo i costi di manutenzione e fornendo piattaforme di lavorazione flessibili in grado di eseguire più operazioni complesse in un'unica configurazione di macchina.

Esistono tre soluzioni tecniche avanzate che possono aiutare in tutte queste aree.

Azionamenti lineari

Le macchine CNC multiasse si muovono su più assi indipendenti. A tale scopo, la maggior parte delle macchine utilizza una guida a cremagliera o un sistema di trasmissione lineare a vite e sfera alternata. Entrambi i tipi sono soggetti ad attrito e usura e presentano limiti sia in termini di precisione che di velocità.

Ma i sistemi di azionamento lineare funzionano come un treno Maglev. La corrente elettrica, interagendo con potenti magneti, fa levitare il carrello dalla rotaia di guida e allo stesso tempo ne guida la corsa. Questo significa niente attrito, niente usura e niente manutenzione. Inoltre, i sistemi di azionamento lineare si muovono molto più velocemente, con un grado di accuratezza e precisione molto più elevato.

Guide idrostatiche

Un'altra soluzione di azionamento innovativa, anch'essa calibrata per ridurre l'attrito, è la guida idrostatica. Queste utilizzano guide rettificate con precisione e ammortizzate con un sottile strato d'olio. L'olio viene pompato continuamente all'interno e all'esterno di un carrello che sostiene il pezzo. Il galleggiamento dell'olio attenua le vibrazioni e rimuove l'attrito, consentendo di ottenere eccellenti finiture superficiali del pezzo.

Controllo della temperatura

L'accumulo di calore è sempre un problema quando si lavora al limite delle prestazioni. Infatti, l'espansione naturale di tutti i materiali quando si riscaldano manda fuori controllo le tolleranze, a meno che il calore non venga controllato con un serio raffreddamento centrale. Inoltre, i produttori più intelligenti hanno capito come calcolare il tasso di espansione di tutti i componenti critici del sistema e come contrastare i movimenti di conseguenza.

Le macchine utensili più avanzate consentono la fabbricazione di prodotti più avanzati, e questo non fa certo eccezione quando si tratta di dispositivi medici.

Non esiste un altro processo di produzione di massa così affidabile, preciso, scalabile, conveniente e facilmente personalizzabile. Vediamo più da vicino come la lavorazione CNC può essere utilizzata per migliorare lo sviluppo dei dispositivi medici in alcune aree chiave.

Prototipazione rapida

Ogni nuovo prodotto inizia con un prototipo. Questo vale per la tecnologia medica come per qualsiasi altro settore. L'utilizzo della lavorazione CNC per i prototipi medicali presenta numerosi vantaggi.

Innanzitutto, è veloce. Una volta approvato il progetto, un pezzo finito può essere programmato e lavorato in un solo giorno. In questo modo gli ingegneri del prodotto possono mettersi subito al lavoro per testare l'adattamento e la funzionalità, fasi critiche del processo di prototipazione.

I prototipi fisici aiutano a identificare eventuali difetti di progettazione o aree che possono essere migliorate e, se è necessario apportare piccole modifiche, è sufficiente modificare il programma della macchina di conseguenza.

Precisione e ripetibilità della lavorazione CNC

Una volta messo a punto il progetto, qualsiasi fresa o tornio CNC correttamente funzionante è in grado di produrre pezzi in duplice copia, in qualsiasi volume, con una variazione minima della tolleranza da parte a parte, in genere 5 micron o meno. In un'epoca precedente, ottenere questo grado di precisione da una macchina utensile azionata manualmente avrebbe richiesto l'abilità di un maestro macchinista in condizioni controllate, e sarebbe stato molto più lento e costoso.

Oggi, motori digitali, software sofisticati e strumenti di taglio specializzati rendono questo grado di perfezione facilmente raggiungibile e completamente affidabile. Pertanto, i progettisti di prodotti medicali non devono più chiedersi: si può fare? Sì, è possibile.

Scalabilità

Alcuni processi di produzione di massa dipendono innanzitutto dalla realizzazione di stampi dedicati per lo stampaggio o la fusione, come nel caso dello stampaggio a iniezione della plastica o della microfusione. La produzione di questi stampi richiede molto più tempo e un grande investimento finanziario iniziale. L'unico modo per recuperare il costo di questo investimento, dal punto di vista dello sviluppatore, è impegnarsi a realizzare un gran numero di prodotti finiti nel tempo.

Ma molti progetti medici sono altamente personalizzati e non saranno prodotti in grandi volumi, quindi investire in utensili non è un'opzione praticabile.

La lavorazione CNC non richiede utensili rigidi, quindi è possibile produrre un singolo pezzo a costi contenuti e aumentare lentamente i volumi con l'aumentare della domanda.

Versatilità

La lavorazione CNC è anche indifferente alla materia prima su cui si lavora, purché sia abbastanza rigida da sopportare la forza degli utensili da taglio. Possono essere necessarie alcune piccole regolazioni della macchina per tenere conto dei diversi tipi di metallo o plastica - velocità e avanzamenti - ma questa versatilità significa essenzialmente che i progettisti, così come i tecnici medici, hanno un ampio margine di manovra per scegliere il materiale migliore per l'applicazione prevista.

Certificazioni

Esistono numerose certificazioni indipendenti che possono essere applicate a vari dispositivi medici, la più importante delle quali è l'ISO 13485. Questa stabilisce che un produttore ha dimostrato di possedere i necessari protocolli di catena di custodia per salvaguardare tutte le materie prime che passano attraverso la sua struttura, nonché tutti i prodotti finiti o semilavorati. Le materie prime devono essere mantenute pulite e incontaminate, nonché isolate da altri prodotti non conformi, e si deve dimostrare che non contengono sostanze chimiche nocive.

Va notato che quando si tratta di richiedere l'approvazione o l'autorizzazione della FDA negli Stati Uniti per un dispositivo medico, o l'equivalente marchio CE in Europa, è il proprietario o il licenziatario del progetto che ha la responsabilità di presentare la domanda necessaria, non il produttore. Il progettista del prodotto deve dimostrare che l'articolo in questione ha soddisfatto tutti i requisiti normativi in ogni fase della sua produzione, e la collaborazione con un'azienda registrata ISO è un modo per farlo.

Applicazioni

Grazie alla sua versatilità, la lavorazione CNC si presta a qualsiasi tipo di fabbricazione personalizzata per i prodotti medicali.

Tra gli esempi si possono citare strumenti, pinze e morsetti in acciaio inossidabile; impianti chirurgici per la riparazione delle ossa; componenti ortopedici e protesici; raccordi ad alta temperatura per le camere di sterilizzazione; parti e componenti per le apparecchiature di prova; e molti altri ancora. L'elenco è davvero infinito. Tuttavia, la lavorazione CNC non è adatta a grandi volumi di pezzi in plastica, che dovrebbero invece essere stampati a iniezione.

Il futuro della lavorazione CNC

Già più di 160 ospedali negli Stati Uniti dispongono di strutture permanenti per la stampa 3D in loco, per aiutare a realizzare forme altamente personalizzate e complesse vicino al punto di cura. Ciò dimostra che esiste un'esigenza consolidata e riconosciuta di fabbricare oggetti fisici sul posto per soddisfare requisiti speciali che possono sorgere in qualsiasi momento e senza il lusso di fare previsioni.

Per questa stessa ragione, la lavorazione CNC può trovare spazio in ospedali, cliniche e centri di ricerca medica. Per molte applicazioni, la lavorazione CNC è più veloce della stampa 3D e i pezzi che può produrre sono molto più resistenti e precisi.

I centri di lavorazione multiasse, piccoli, portatili e in gran parte autonomi, potrebbero essere facilmente collocati anche in aree remote per fornire soluzioni di produzione rapide, precise e poco costose dove altre opportunità sono limitate.