Méně operací, vyšší stabilita: nový vrták pro medicínské aplikace od Rotany

V medicínském průmyslu se často obrábějí dílce s prostorově složitými geometriemi, kde jsou otvory umístěny na nakloněných nebo zakřivených plochách. V kombinaci s obtížně obrobitelnými materiály, zejména titanovými slitinami, to vede ke zvýšenému riziku nestability nástroje při vstupu do materiálu. Standardní vrtáky v těchto podmínkách vykazují nerovnoměrné zatížení břitů a zvýšený radiální tlak vedoucí k následnému vychýlení nástroje.

„Z tohoto důvodu se v praxi běžně používají přípravné operace, například navrtání nebo frézování rovné plochy kolmé k ose nástroje. Tyto kroky však znamenají prodloužení výrobního cyklu a zvyšují riziko kumulace geometrických nepřesností,“ podotýká Jan Skryja, vedoucí sekce Vývoje a výzkumu společnosti Rotana.

Cíl projektu a role průmyslového zadavatele

Detaily v rozdílu mezi 3D modelem (šedá barva, průhledná) a reálně naskenovaným 3D modelem nástroje (žlutá barva) pilotního vrtáku o průměru 2,95 mm se zaměřením na rozdíly v ostří a příčném ostří mikronástroje

Vývojový projekt byl iniciován společností Rotana, která dlouhodobě působí v oblasti vývoje a výroby specializovaných nástrojů pro náročné aplikace. Cílem projektu bylo vytvořit pilotní vrták – mikronástroj do průměru 3 mm – schopný plynulého vstupu do tvarové plochy bez nutnosti přípravných operací, a to při zachování vysoké přesnosti a procesní stability.

Vědci z Fakulty strojní ČVUT v Praze, konkrétně Ústavu výrobních strojů a zařízení (RCMT), se na projektu podíleli zejména v oblasti experimentálního výzkumu, měření a analýzy dat. Projekt tak spojil praktické konstrukční know-how výrobce a poskytovatele nástrojových řešení ze slinutých karbidů, diamantu a kubického nitridu bóru s akademickým zázemím v oblasti experimentálního obrábění.

Konstrukční návrh pilotního vrtáku

Zásadní konstrukční výzvou bylo navržení geometrie čela nástroje tak, aby byl zajištěn plynulý a kontrolovaný kontakt s obrobkem již v počáteční fázi vrtání. Specifická geometrie pilotního vrtáku umožňuje rozložení řezných sil tak, aby nedocházelo k silovému rázu a ke vzniku nadměrných radiálních složek.

Vedle makrogeometrie byla velká pozornost věnována mikrogeometrii řezné hrany. Právě u mikronástrojů se i velmi malé změny v řádu jednotek mikrometrů výrazně projevují na chování nástroje v řezu, stabilitě procesu i životnosti. „Pilotní vrták nevznikal jako jednorázový návrh. Geometrie se vyvíjela interativně na základě reálných měření a testů, nikoliv pouze podle CAD modelu,“ upozorňuje Jan Skryja.

Počet vyvrtaných otvorů v závislosti na úpravě břitu. Testováno při vrtání slitiny Ti6Al4V pilotním vrtákem o průměru 3 mm do hloubky 6,3 mm při v_c = 70 m/min a f_ot = 0,018 mm

Experimentální metodika a měření

Experimentální část projektu, realizovaná na pracovištích RCMT, zahrnovala měření silového zatížení, testy životnosti nástrojů a detailní geometrickou analýzu pomocí 3D skenování.

Naměřená data potvrdila, že hlavní předností navržené geometrie je schopnost výrazně omezit radiální složky řezných sil a zvýšit podíl zatížení v axiálním směru osy nástroje. Zatímco radiální síly působící kolmo na osu způsobují nežádoucí vybočení nástroje, v axiálním směru vykazuje vrták maximální tuhost.

Tato vlastnost je klíčová zejména při zavrtávání pilotního vrtáku do tvarových ploch, kde dochází k nesymetrickému kontaktu nástroje s obrobkem. Při kontaktu s tvarovou plochou dochází k pozvolnému a plynulému nárůstu silového zatížení, což zamezuje vzniku rázů. Tím se minimalizuje riziko vylomení břitu a zajišťuje přesné navedení nástroje pro následné operace.

Mikrogeometrie břitu a životnost nástroje

Součástí výzkumu bylo také testování vlivu úpravy řezné hrany na životnost nástroje. Experimenty potvrdily, že extrémně ostrý břit není v případě mikronástrojů obrábějících titanové slitiny optimálním řešením.

Fotodokumentace opotřebení pilotních vrtáků s různými variantami úprav břitu na konci jejich trvanlivosti

Naopak se ukázalo, že vhodně zvolená úprava mikrogeometrie břitu vede ke zvýšení stability řezu a výraznému prodloužení životnosti nástroje. V rámci testů bylo dosaženo nárůstu životnosti až o 140 % ve srovnání s referenčním komerčně dostupným nástrojem. Zásadním přínosem byla i vysoká opakovatelnost těchto výsledků, zatímco u referenčního nástroje byla trvanlivost nekonzistentní. Požadovaná kvalita obrábění byla přitom plně zachována.

Přínos pilotního vrtáku pro průmyslovou praxi

„Výsledky projektu jednoznačně ukazují, že pilotní vrták umožňuje efektivní sdružování operací při vrtání do tvarových ploch. Pro naše zákazníky to v praxi znamená eliminaci přípravných operací, zkrácení výrobního času a zvýšení procesní stability,“ zdůrazňuje Jan Skryja z Rotany.

Tyto přínosy jsou obzvláště významné v medicínském průmyslu, kde je stabilita procesu úzce svázána s validačními a certifikačními požadavky a kde každá technologická operace navíc znamená zvýšenou administrativní i výrobní zátěž.

Vývoj pilotního vrtáku realizovaný českou společností Rotana ve spolupráci s odborníky z ústavu RCMT potvrzuje, že systematický, daty podložený přístup k vývoji nástrojů může vést k výraznému zjednodušení výrobních procesů i v technologicky velmi náročných aplikacích. Projekt ukazuje, že skutečný přínos nevzniká pouze návrhem nové geometrie, ale především hlubokým pochopením chování nástroje v reálném řezu.