صنعت تولید ایمپلنت‌های ارتوپدی یکی از حساس ترین و دقیق ترین بخش‌های صنعت پزشکی است. این ایمپلنت‌ها که شامل پیچ‌های استخوانی، پلیت‌های فیکساسیون، مفاصل مصنوعی زانو، و قفسه های بین مهره ای هستند، نیازمند دقت فوق‌العاده در ماشینکاری هستند. انتخاب صحیح ابزار برش، به ویژه مته های فرز انگشتی، نقش حیاتی در کیفیت نهایی محصول، عمر ابزار، و کارایی فرآیند تولید دارد.
مواد اولیه ایمپلنت‌های ارتوپدی
قبل از بررسی مته فرز انگشتی‌ها، باید به مواد اولیه ای که در تولید ایمپلنت‌های ارتوپدی استفاده می‌شوند، توجه کنیم. سه دسته اصلی شامل تیتانیوم و آلیاژهای آن (به‌ویژه Ti-6Al-4V)، استیل ضد زنگ پزشکی (AISI 316L)، و آلیاژهای کبالت-کروم-مولیبدن هستند. هر کدام از این مواد ویژگی‌های منحصربه فردی دارند که چالش‌های خاصی را در ماشینکاری ایجاد می‌کنند.
تیتانیوم به دلیل زیست سازگاری عالی، نسبت استحکام به وزن بالا، و مقاومت در برابر خوردگی، انتخاب اصلی برای بسیاری از ایمپلنت‌ها است. با این حال، ماشینکاری تیتانیوم بسیار چالش‌برانگیز است زیرا این ماد تمایل شدید به چسبیدن به لبه برش را دارد، هدایت حرارتی پایینی داشته و باعث تجمع حرارت در ناحیه برش می‌شود، و سفت شدگی کرنشی قابل توجهی دارد.
آلیاژهای کبالت-کروم نیز به عنوان مواد دشوار در تراشکاری شناخته می‌شوند. این آلیاژها دارای سختی بسیار بالا (معمولاً در محدوده ۴۰-۵۰ HRC)، مقاومت سایشی عالی، هدایت حرارتی پایین، و تمایل به ایجاد ارتعاش هستند. در حین ماشینکاری کبالت-کروم، گرما در لبه برش متمرکز می‌شود و نمی‌تواند از طریق براده خارج شود که این امر منجر به تنش حرارتی شدید بر روی ابزار می‌گردد.
انواع مته فرز انگشتی‌های مورد استفاده
در تولید ایمپلنت‌های ارتوپدی، مته فرز انگشتی‌های تمام الماس یا کارباید، انتخاب اصلی هستند. کارباید، می‌تواند در سرعت های بالاتر از فولاد پرسرعت کار کند، مقاومت بالایی در برابر سایش دارد، و می‌تواند دماهای برش بالا را تحمل کند. برای کاربردهای مختلف، انواع متفاوتی از مته های فرز انگشتی استفاده می‌شوند.
مته های فرز انگشتی‌های مینیاتوری
برای تولید پیچ های استخوانی و قطعات کوچک ارتوپدی، مته فرز انگشتی‌های مینیاتوری (Micro End Mills) ضروری هستند. این ابزارها، معمولاً برای ایجاد پروفیل‌های Hexalobe در پیچ‌های استخوانی و دندان پزشکی استفاده می‌شوند. مته فرز انگشتی‌های مینیاتوری با قطرهای بسیار کوچک (گاهی کمتر از یک میلی‌متر) باید دقت فوق‌العاده‌ای داشته باشند و قادر به ماشینکاری قطعات پیچیده در قطعات مینیاتوری مانند استنت‌ها و کاتترها باشند.
مته فرز انگشتی‌های خشن کاری و پرداخت
برای ماشینکاری اولیه و ایجاد شکل کلی ایمپلنت‌ها، مته فرز انگشتی‌های خشن، با زاویه ۴۵ درجه و طراحی Fine-Pitch استفاده می‌شوند. این ابزارها دارای لبه های برش براده شکن هستند که براده‌های کوچک تولید می‌کنند و امکان برداشت حجم بالای مواد را با ارتعاش کمتر فراهم می‌آورند. برای عملیات نهایی و رسیدن به سطح صیقلی مطلوب، مته های فرز انگشتی‌های پرداخت، با هندسه خاص استفاده می‌شوند.
برای مثال، در تولید سطح بیرونی سینی های تیبیا “Tibial Tray” (جزء مصنوعی در زانوی مصنوعی)، مته فرز انگشتی‌های پرداخت نهایی بسیار تخصصی طراحی شده‌اند که می‌توانند پروفیل کامل را با دقت بسیار بالا ایجاد کنند. همچنین برای ماشینکاری سطوح داخلی کاسه‌های استابولار (Acetabular Cups) در لگن مصنوعی، مته فرز انگشتی‌های سرگرد استفاده می‌شوند که قادر به تولید سطوح کروی صاف با تلرانس‌های کوچک هستند.
ابعاد و مشخصات مته های فرز انگشتی
مته های فرز انگشتی مورد استفاده در صنعت ارتوپدی در طیف وسیعی از اندازه‌ها تولید می‌شوند، اما بیشترین کاربرد در محدوده قطرهای خاص و مشخصی می باشد.
مته های فرز انگشتی کوچک (۲-۸ میلی‌متر)
این سایز از مته فرز انگشتی برای ماشینکاری دقیق قطعات کوچک مانند پیچ‌های استخوانی، پین‌ها، و فیچرهای جزئی در ایمپلنت‌ها استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، برای پیچ‌های استخوانی با قطر ۲.۷ میلی‌متر که در جراحی‌های مختلف استفاده می‌شوند، مته فرز انگشتی‌هایی با قطرهای متناسب (معمولاً ۱.۵ تا ۳ میلی‌متر) برای ایجاد نخ‌ها و پروفیل‌های خاص مورد نیاز است.
مته فرز انگشتی‌های متوسط (۱۰-۱۶ میلی‌متر)
این محدوده برای ماشینکاری استم‌های فمورال (Femoral Stems)، پلیت‌های فیکساسیون، و بخش‌های میانی ایمپلنت‌های بزرگ تر استفاده می‌شود. این مته های فرز انگشتی نیرو برش متعادلی دارند و می‌توانند دقت خوب و بازده بالا را همزمان تامین کنند.
مته های فرز انگشتی بزرگ (۱۸-۵۰ میلی‌متر)
برای ماشینکاری کاسه‌های استابولار، بخش‌های بزرگ استم‌های لگن، و قطعات حجیم ایمپلنت‌ها، مته های فرز انگشتی با قطرهای بزرگ تر مورد نیاز است. به عنوان مثال، برای ماشینکاری یک کاسه استابولار با قطر ۵۰-۶۰ میلی‌متر، مته فرز انگشتی‌های ۲۰-۳۰ میلی‌متری برای عملیات خشن کاری و مته فرز انگشتی‌های سرگرد، با قطرهای متناسب برای پرداخت نهایی استفاده می‌شوند.
روکش ها
یکی از مهم‌ترین عوامل در عملکرد مته های فرز انگشتی در ماشینکاری مواد ارتوپدی، نوع روکش سطحی آن‌ها است. روکش ها به افزایش عمر ابزار، کاهش اصطکاک، و بهبود مقاومت حرارتی کمک می‌کنند.
روکش TiN (Titanium Nitride)
روکش TiN به رنگ طلایی، یک روکش همه منظوره است که برای ماشینکاری مواد نرم تر تا فولادهای متوسط مناسب است. این روکش دارای سختی حدود ۲,۴۴۷ HV و حداکثر دمای کاری ۱,۰۰۰ درجه فارنهایت است. با این حال، برای ماشینکاری تیتانیوم و کبالت-کروم، این روکش معمولاً کافی نیست و روکش های پیشرفته‌تر مورد نیاز است.
روکش AlTiN (Aluminum Titanium Nitride)
این روکش که به رنگ بنفش-خاکستری است، یکی از پرکاربردترین روکش ها برای ماشینکاری مواد سخت از جمله تیتانیوم، استیل زنگ نزن، و کبالت-کروم است. AlTiN می‌تواند تا دمای ۱,۱۰۰ درجه سانتی‌گراد (۲,۱۰۰ درجه فارنهایت) پایدار بماند و در دماهای بالا یک لایه محافظ اکسید آلومینیوم تشکیل می‌دهد که به شدت از ابزار محافظت می‌کند. سختی این روکش در حدود ۳,۲۰۰ HV است و برای برش با سرعت بالا و شرایط خشک (بدون خنک کاری) بسیار مناسب است.
روکش AlTiN Nano
این نوع روکش، نسل پیشرفته‌تر از AlTiN است که با ساختار نانو-کامپوزیت چندلایه تولید می‌شود. سختی این روکش به ۴,۱۸۱ HV می‌رسد و مقاومت سایشی، پایداری حرارتی، و استحکام آن بسیار بالاتر از AlTiN معمولی است. این روکش برای ماشینکاری فولادهای سخت شده، آلیاژهای نیکل پایه، تیتانیوم، و اینکونل طراحی شده و در شرایط سخت ماشینکاری که راه‌اندازی دقیق انجام شده و ارتعاش به حداقل رسیده، نتایج عالی ارائه می‌دهد.
نتیجه گیری
تولید ایمپلنت‌های ارتوپدی نیازمند ترکیبی از ابزارهای پیشرفته، دانش تخصصی، و کنترل دقیق فرآیند است. مته های فرز انگشتی الماس با روکش های مناسب، هندسه بهینه شده، و انتخاب صحیح پارامترهای تراش، کلید موفقیت در این صنعت هستند. با توجه به رشد روزافزون تقاضا برای ایمپلنت‌های ارتوپدی و افزایش استفاده از مواد جدید مانند تانتالوم و سرامیک‌های پیشرفته، نیاز به توسعه و بهبود مستمر ابزارهای ماشینکاری احساس می‌شود.
منابع
1. GWS Tool Group. (2024). “Medical - Bone Screws and Orthopedic Implant Manufacturing.” Retrieved from: https://www.gwstoolgroup.com/
2. Tungaloy Corporation. (2023). “Medical - Artificial Hip Joint and Bone Screw.” Retrieved from: https://tungaloy.com/
3. Vision Engineering. (2023). “Taking a Closer Look at Orthopedic Implants - Quality Control and Inspection.” Retrieved from: https://www.visioneng.us/
4. Cougar Cutting Tools Inc. (2024). “Medical Applications - Tibial Implant Finish Milling.” Retrieved from: https://cougarct.com/medical-
5. SAMHO Tool. (2025). “Best End Mill Manufacturers for Aerospace, Mold, and Medical Industries.” Retrieved from: https://samhotool.com/blog/
6. SDF Tools. (2025). “Introduction To Diameter Specifications Of End Mills - Orthopedic Applications.” Retrieved from: https://sdftools.com/
7. SDF Tools. (2025). “End Milling Cutter Material Introduction.” Retrieved from: https://sdftools.com/end-
8. Rohit Cutting Tools. “Titanium Milling Made Easy: 11 Pro Tips for Machinists.” Retrieved from: https://www.rigpl.com/blog/
9. Products Finishing. (2017). “PVD Coatings for Medical Device Applications.” Retrieved from: https://www.pfonline.com/
10. Accu-Cut Taiwan. “How to Choose the Best End Mill Coating: AlTiN, TiAlN coating and more.” Retrieved from: https://www.accu-cut.com.tw/
11. Canadian Metalworking. (2019). “Cutting through cobalt chrome - Machining Difficult Materials.” Retrieved from: https://www.
12. ResearchGate. (2017). “Machinability of Cobalt-based and Cobalt Chromium Molybdenum Alloys - A Review.” Retrieved from: https://www.researchgate.net/
13. NCBI/StatPearls. (2023). “Orthopedic Implant Materials.” Retrieved from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
14. Harvey Tool. “Tool Coatings For Ferrous and Non-Ferrous Materials - Medical Applications.” Retrieved from: https://www.harveytool.com/
15. RobbJack Tools. “Medical Industry Solutions - Titanium and Cobalt Chrome Machining.” Retrieved from: https://robbjack.com/industry-
