Micro Med Machining: Präzision jenseits Schweizer Drehautomaten-Standards

Als Jim und Joe Davis 1987 ihren Lohnfertigungsbetrieb gründeten, glaubten sie, gute Chancen in der Medizintechnikbranche zu haben. Sie waren bereits halb so weit. Statt bei Null anzufangen, kauften die beiden Brüder die Präzisions-Schweizer-Drehautomaten-Abteilung des medizintechnischen Unternehmens auf, für das sie beide arbeiteten und das sich verkleinerte. So entstand Micro Med Machining, Inc. (Miami Lakes, Florida).

Die jungen Männer hatten vieles für sich. Sie waren quasi in der Maschinenwerkstatt ihres Vaters aufgewachsen. Beide waren diplomierte Fertigungsingenieure und hatten das Fertigungsmanagement-Praktikantenprogramm ihres ehemaligen Arbeitgebers durchlaufen. So waren sie praxisnah vertraut mit Metallbearbeitungsprozessen im Allgemeinen und mit Schweizer Drehen für die Medizintechnik im Besonderen – mit gutem Verständnis sowohl für die Qualitätsanforderungen der Branche als auch für deren regulatorisches Umfeld. Zudem wussten sie aus eigener Erfahrung, wie schwer es war, Zerspanungslieferanten zu finden, die konsequent den Branchenstandards genügten. Sicherlich gab es eine Nische zu füllen.

Die ersten fünf Monate bestand Micro Meds einzige Arbeit darin, Teile für die Katheter und implantierbaren Herzschrittmacher ihres ehemaligen Eigentümers herzustellen. Doch danach öffneten sich die Aussichten des Betriebs gewaltig. Tatsächlich starteten sie mit 19 Mitarbeitern und haben heute über hundert, während ihr Umsatzvolumen proportional noch stärker gewachsen ist.

Dieses Wachstum resultiert nicht unwesentlich aus ihrer richtigen Annahme über den Bedarf der Medizintechnik an zuverlässigen Lieferanten. Genauso wichtig ist jedoch, wie der Betrieb Technologie anwendet. Sie begannenmostly mit automatischen Schweizer Drehautomaten und Hardinge-Drehautomaten sowie einer Reihe von Sekundärausrüstungen. Heute erledigen sie den Großteil der Arbeit auf Mehrachsen-CNC-Drehfräszentren. Der Betrieb verfügt über 30 dieser hochentwickelten Maschinen in verschiedenen Konfigurationen.

Zwar ist die Technologie sicher teurer als die alten Automaten, doch sie bietet die Fähigkeit, die meisten der sehr komplizierten Teile des Betriebs komplett in einer einzigen Aufspannung zu bearbeiten. Im Grunde verdrängen sie die Kosten mehrerer Aufspannungen durch leistungsfähigere Ausrüstung – was insgesamt eine kostengünstigere Lösung ist – und liefern die Qualitätsniveaus, die ihre Kunden Charge für Charge verlangen. Doch Micro Meds technische Formel erfordert weit mehr als nur gute Maschinen in die Halle zu stellen. Sie verfügen über enorme Prozesserfahrung mit diesen Maschinen, was diesen Betrieb wirklich vom durchschnittlichen Wettbewerb abhebt.

Während wir die kritischsten Elemente des Prozesswissens des Betriebs hier nicht offenlegen können, können wir einen Blick darauf werfen, was diesen bemerkenswerten Betrieb antreibt. Hier ist, wie sie es bei Micro Med machen.

Die Teile und die Maschinen

Um die Anforderungen an die Prozesse zu verstehen, hilft es, zunächst einige der Teile zu betrachten. Sie sind kompliziert, präzise – und klein. Tatsächlich sieht Micro Meds Ausstellung von Mustern eher aus wie aus einem Juweliergeschäft als aus einer Maschinenwerkstatt. Das typische Sortiment umfasst Knochenschrauben; winzige Röhrchen, Fittings und Ventile; Komponenten für miniaturisierte chirurgische Instrumente; und Dentalpfosten. Präzisionsschrauben gehen bis zu 1 mm Länge und 1 mm Durchmesser mit 1-mm-Kanzellösgewinde. Optik ist kritisch, und praktisch alle Teile werden unter dem Mikroskop bei 20-facher Vergrößerung fertig bearbeitet und visuell inspiziert. Grate jeglicher Art sind absolut inakzeptabel.

Erschwerend kommt die Zähigkeit der Materialien hinzu, aus denen sie gefertigt werden. Etwa 65 Prozent der Teile werden aus Titan geschnitten, weitere 30 Prozent aus den zähesten Edelstählen, der Rest aus Edelmetallen wie Gold und Platin. Mehr als 60 Prozent der Stücke erfordern irgendeine Fräs- oder Bohroperation. Gebohrte Querbohrungen sind üblich, einige bis zu 0,005 Zoll (0,127 mm) Durchmesser (kleinere Bohrungen werden erodiert). Viele dieser kleinen Bohrungen müssen sowohl präzise als auch tief sein. Beispielsweise erfordert ein Röhrchen eine 0,04-Zoll-Mittelbohrung (1,016 mm), 1,5 Zoll (38,1 mm) tief ... bei nur 0,007 Zoll (0,178 mm) Wandstärke ... in Titan. Und die Teile sind nicht nur rund. Ziemlich viele im Wesentlichen prismatische Teile werden auf den CNC-Schweizer Maschinen gefertigt, dank ihrer Fräsfähigkeiten und der inhärenten Spannvorteile bei der Fertigung dieser empfindlichen Teile aus Stabmaterial.

Alle Mehrachsenmaschinen stammen von Citizen (Marubeni Citizen-Cincom, Allendale, New Jersey). Einige Maschinen sind vergleichsweise einfache 3-Achsen-Konstruktionen mit dem charakteristischen Schweizer Gleitstock und Führungsbüchse (Z), einköpfigem Werkzeugrevolver (X) und Drehpositionierung der Hauptspindel (C). Sowohl stationäre als auch angetriebene Werkzeuge sind am Revolver für Dreh- oder zentrische Bohr- und Fräsoperationen montiert.

Micro Meds andere Maschinen sind deutlich komplexer. Die E-Serien-Modelle sind 6-Achsen-Konstruktionen, die einen zweiten 2-Achsen-Revolver und eine Gegenspindel für Rückseitenbearbeitung hinzufügen. Die Zwillingsrevolver ermöglichen Pinch-Drehen – also Drehen mit zwei Werkzeugen gleichzeitig –, was effizient ist und gleichermaßen der Neigung dünner Werkstücke entgegenwirkt, sich von einem einzelnen Werkzeug abzulenken. Und der zweite Revolver erlaubt einen breiteren Operationsumfang an Teilen, die entweder in der Primär- oder Sekundärspindel eingespannt sind. Zudem können Dreh- oder Fräsoperationen gleichzeitig an beiden Spindeln ausgeführt werden.

Die 8-Achsen-M-20-Modelle des Betriebs gehen noch weiter. Statt eines zweiten Revolvers verfügen die Maschinen über eine 8-Stationen-Gangplatte, die bis zu fünf stationäre und drei rotierende Werkzeuge aufnehmen kann. Gangwerkzeug ist bei Drehoperationen extrem effizient, da es die Indexierzeiten entfällt, die Revolver für den Werkzeugwechsel benötigen. Diese Maschinen verfügen auch über Y-Achsen-Fähigkeit für das Gangwerkzeug, sodass exzentrische Fräs- und Bohroperationen an den angetriebenen Stationen durchgeführt werden können. Eine achte Schwenkachse ermöglicht In-Prozess-Werkstück- oder Werkzeugvermessung oder robotergestützte Werkstückmanipulation.

Der Zweck all dieser Maschinen ist, dass sie Micro Med erlauben, selbst sehr komplizierte Teile in einer einzigen Aufspannung zu bearbeiten. Die Vorteile dieser Fähigkeit sind vielfältig. Vielleicht am offensichtlichsten spart sie die Zeit, den Arbeitsaufwand und die In-Prozess-Kosten der Auftragsführung über eine Reihe von Einzweckmaschinen. Sie ermöglicht dem Betrieb auch, viel reaktionsschneller auf die zunehmend anspruchsvollen Lieferanforderungen der Kunden zu reagieren. Ein Eilauftrag abzuarbeiten ist weit simpler, wenn der Auftrag nur über eine einzige Maschine geroutet werden muss, statt über drei oder vier.

Genauso wichtig sind die qualitativen Vorteile. Jedes Mal, wenn ein Teil aus einem Spannmittel gelöst und dann erneut gegriffen wird, wird ein neues Element dimensionsaler Variabilität in den Prozess eingeführt. Bei Micro Meds Arbeit sind 0,001-Zoll-Toleranzen (0,0254 mm) typisch, aber sie müssen oft auf ein "Zehntel" – 0,0001 Zoll (0,00254 mm) – halten und das konsequent. Angesichts der Schwierigkeit, diese kleinen Teile für Sekundäroperationen zu spannen, braucht es keine sehr hohe Summe von Spannmitteltoleranzen, um den gesamten Bearbeitungsprozess aus akzeptablen Grenzen zu treiben. Es ist weit besser, das Teil für den gesamten Prozess in einem einzigen Griff zu halten und dieses Problem ganz zu eliminieren.

Die ständige physische Kontrolle des Werkstücks verleiht dem Prozessbeherrschungsanspruch des Betriebs auch eine wissenschaftliche Glaubwürdigkeit, was ein zentrales Anliegen von Micro Meds qualitätsbewussten Kunden ist. Sagt Joe Davis: "Heute schauen sich Leute Ihre Cpk-Werte an. Sie wollen wissen, dass Sie Ihren Prozess unter Kontrolle haben." Und für ihre anspruchsvollsten Kunden ist Micro Med in der Lage, statistisch verlässliche Fertigungs-Machbarkeitsstudien zu liefern. Das hilft weit dabei, neue Aufträge in den Betrieb zu holen.

Dennoch bleibt der Wettbewerb Kosten zu einer Hauptüberlegung – und für die Qualitätsniveaus, auf die der Betrieb ausgelegt ist, hat das Eliminieren von Aufspannungen einen enormen positiven Einfluss. Ein gutes Beispiel ist ein medizinischer Steckverbinder, den ein anderer Lieferant in sechs Aufspannungen auf einer Reihe von Einzweck-Drehautomaten und Fräsmaschinen fertigte. Bei Volumen von 4500 Stück pro Monat zahlte der Kunde 8 Dollar pro Stück. Micro Med betrachtete das Teil, schlug ein paar einfache Änderungen für die Zerspanbarkeit vor und setzte es auf eine der 6-Achsen-Maschinen. "Wir haben die Kosten auf vier Dollar und etwas gedrückt," sagt Mr. Davis. Verlangte der frühere Lieferant einen überhöhten Satz? "Nicht wirklich," sagt er, "das war wahrscheinlich ziemlich genau seine Kosten. Er hatte einfach nicht den besten Prozess für den Job."

Bessere Prozesse

Jeder kann Ausrüstung kaufen, aber sie optimal zu nutzen, ist eine ganz andere Sache, und hier glänzt Micro Med. Prozesskreativität ist extrem wichtig – für Effizienz und Qualität – und die kann nur von Leuten kommen, die die Maschinen gründlich kennen. Ebenso kritisch ist zu wissen, was mit Standardwerkzeug machbar ist und was nicht, und wie Werkzeug modifiziert oder speziell gebaut werden kann. Diese Expertise erlaubt dem Betrieb, Dinge mit ihren Maschinen zu tun, die selbst die Maschinenentwickler erstaunen. "Diese Maschinen nicht voll auszunutzen ist wie ein Rennwagen mit 50 Meilen pro Stunde zu fahren," sagt Mr. Davis. Bei Micro Med fahren sie gerne schnell.

Das ist aber nur bildlich gesprochen, denn hohe Spanabtragsraten zu erreichen, ist eindeutig nicht das Ziel dieses Betriebs. Ein kritisches Anliegen der Medizintechnik ist, wie das Teil fertiggestellt wird – gratfrei und optisch makellos – aber die Effizienz und Qualität dieser Endoperation hat sehr viel damit zu tun, wie das Metall zunächst abgetragen wurde. Fertigstellung ist eine Handoperation, und wie jeder andere Präzisionszerspanungsbetrieb möchten sie diese minimieren. "Wir tauschen gerne Hauptmaschinenzeit gegen Fertigstellungszeit," sagt Mr. Davis, aber sie können den Ertrag dieses Tauschs nur durch sorgfältige Konstruktion der Bearbeitungsroutine ernten.

Grate sind wahrscheinlich das größte einzelne Problem. Der beste Weg, mit Graten umzugehen, ist, sie zu verhindern, und wenn sie unvermeidbar sind, den Prozess so zu steuern, dass sie in einem vernünftig effizienten Sekundärprozess leicht entfernbar sind. Das bedeutet, sie müssen sich mit der Gratrichtung, seiner Größe und dem Aufwand, ihn abzubrechen, befassen. Diese Überlegungen können einen großen Einfluss auf Zykluszeiten haben. In diesem Fall ist jedoch Geschwindigkeit nicht so wichtig wie der Zustand des Teils, wie es von der Maschine kommt.

Die Beherrschung der Werkstückdurchbiegung ist ein weiterer Faktor, der den Bearbeitungszyklen spürbar Zeit hinzufügen kann, und vielleicht der Bereich der feinsten Betriebsgeheimnisse des Betriebs. Bedenken Sie, dass Micro Med präzise dimensionsale Integrität an einer Reihe sehr schlanker Teile aus extrem schwer zerspanbaren Materialien wahrt, oft geschnitten mit feinen Werkzeugen, die noch stärker zur Durchbiegung neigen als das Werkstück. Sie müssen die für diese Bedingungen geeigneten Drehzahlen, Vorschübe und Schnitttiefen in außerordentlich feinem Grad verstehen. Beispielsweise ein Gewinde, das acht Schnitte erfordern sollte, benötigt in Wirklichkeit 18. Sie haben auch Wege entdeckt, in Abschnitten zu gewinden und diese alle nahtlos zu verbinden. Es ist häufig ein langsamer und mühsamer Prozess, aber lohnenswert, weil Prozessvorhersagbarkeit das oberste Anliegen des Betriebs ist.

Werkzeugstandzeit ist ein weiterer wichtiger Faktor, nicht so sehr wegen der Werkzeugkosten selbst, sondern wieder wegen der qualitativen Prozesskontrolle. Bediener müssen ständig wachsam sein, um verschlissene Werkzeuge aus dem Prozess zu nehmen, bevor sie diesen aus der Kontrolle treiben. Und sie müssen minderwertige Werkzeuge gänzlich aus dem Prozess aussortieren. Werkzeugqualität ist kritisch sogar bei scheinbar weichen Materialien wie Platin – im Gegenteil, besonders bei Platin, das ein hoch abrasives Material ist und offensichtlich so wertvoll, dass Ausschuss eine kostspielige Angelegenheit ist. Oder wie Mr. Davis es prägnanter ausdrückt: "Wenn Sie ein 0,012-Zoll-Loch (0,3048 mm) bohren, ist Werkzeugqualität verdammt kritisch, und Sie können nicht annehmen, dass irgendein Standardwerkzeug den Job erledigt."

Da durchschnittliche Lose 1500 bis 2000 Stück betragen und Mehrachsen-Drehfräszentren recht teure Anlagen sind, um untätig zu stehen, müssen Bediener sehr gut darin sein, Aufträge auf und von den Maschinen zu bekommen. Ein Weg, das zu tun, ist das Voreinstellen der Werkzeuge. An manchen Maschinen haben sie beispielsweise zusätzliche Revolver gekauft. So werden Werkzeuge offline eingerichtet und qualifiziert "innerhalb ein paar Zehntel". Dann, sobald diese Revolver montiert sind, braucht es nur ein paar Einrichtteile, um den Prozess laufen zu lassen. Das heißt nicht, dass sie einstellige Rüstzeiten anstreben; diese Maschinen sind zu komplex. Aber sie bekommen Jobs in einer Stunde laufen, versus den sechs, die es dauern könnte, alle Werkzeuge einzeln in die Maschine zu laden und einzustellen.

Und es gibt noch viele andere Dinge zu wissen. Programmierung ist wichtig, aber die Maschinensteuerungen bieten hier gute Unterstützung. Einzelne Dreh- oder Fräsoperationen können unabhängig programmiert werden, und der CNC kompiliert sie dann automatisch zu einer einzelnen, effizienten Routine. Spannmittel sind ebenfalls kritisch, besonders für das Aufnehmen bearbeiteter Teile in der Gegenspindel, und manchmal werden Sonder-Spannzangen gefertigt. Es ist viel zu wissen. Aber die Beherrschung dieser kritischen Prozessinformationen war nach eigener Einschätzung des Betriebs der entscheidende Unterschied zwischen Micro Med und seinem Wettbewerb.

Die Grenzen verschieben

Micro Med hat einen Teil dieses Wissens dadurch gewonnen, dass sie die erwarteten Dinge täglich tun und den Ergebnissen genau Aufmerksamkeit schenken. Sie nutzen SPC, um jeden neuen Prozess zu qualifizieren, und zeichnen ihn danach für die Produktionskontrolle auf. Doch der größere Teil des potentesten Wettbewerbsvorteils des Betriebs kommt von ihrer beharrlichen Neigung, den Prozessrahmen zu verschieben, ständig neue Effizienzen suchend, die ihre Qualitätsstandards nicht untergraben.

Zweifelsohne sind die Davis-Brüder stolz auf ihre "Prozess-Abenteuerlust" – ihre Neigung, neue Ideen auszuprobieren und schwierige Probleme zu lösen. Aber es ist nicht bloß Bravour, die sie antreibt; sie glauben, dass fortgesetzte Prozessexperimente die Lernerfahrungen liefern, die der Betrieb braucht, um seinen Wettbewerbsvorteil zu halten. Das ist ein großer Grund, warum dieser Fertigungsbetrieb bereit ist, Prototypenbau zu betreiben – gleichzeitig Teil und Prozess an Produktionsanlagen auszuarbeiten – für das Wissen, das es liefert. Buchstäblich suchen sie, die äußersten Bereiche ihrer sehr fähigen Produktionsausrüstung mit den ungewöhnlichen Anforderungen der Branche, der sie dienen, zu verbinden. Weil die Schlüsselpersonen des Betriebs aus der Medizintechnik kommen, haben sie dabei einen signifikanten Vorteil. Sie tragen viel Wissen über angemessene Prozesse innerhalb der Constraints des Feldes, und sie können sogar weit dabei helfen, Kunden Designs zu entwickeln – Fertigbarkeit zu verbessern, ohne Funktionalität zu opfern oder in gängige regulatorische Constraints zu laufen. Aus diesen Gründen sind die Manager des Betriebs entschlossen, das Geschäft sehr fokussiert zu halten. Micro Med ist am besten im Mehrachsen-Schweizer-Drehen auf sehr hohen Qualitätsstandards, und das werden sie weiterhin tun. Interessanterweise hilft dieser starke und konsistente Fokussierungssinn den Mitarbeitern des Betriebs, ihre persönlichen Qualitätsstandards auf ein angemessenes Niveau für die Art von Kunden einzustellen, denen Micro Med dient, was wiederum dem Betrieb hilft, das richtige Gleichgewicht von Qualität und Effizienz zu erreichen. Das ist ein heikles Thema in der Medizintechnik, die zunehmend kostenbewusster wird, wo Teile aber immer noch perfekt aussehen müssen. "Man will den Wunsch nach Perfektion einpflanzen," sagt Mr. Davis, "aber gleichzeitig will man nicht, dass sie Zeit vergeuden, um ein Niveau zu erreichen, das über die praktischen Anforderungen des Jobs hinausgeht." Es ist ein delikates Gleichgewicht, und er glaubt, es wird sich nicht dafür eignen, mehr Commodity-Zerspanung ins Portfolio aufzunehmen. Entweder hätte der Betrieb für solche Teile überhöhte Kosten oder, schlimmer, sie würden eine destruktive Ambiguität in den Betrieb einführen, was "gut genug" bedeutet.

Also wird Micro Med sich weiterhin auf schwierige Teile konzentrieren. Mr. Davis glaubt, es gibt noch viel mehr davon da draußen, und er ist mehr als bereit, seine Chancen auf die Fähigkeit des Betriebs zu setzen, weiterhin erfolgreich um diese Arbeit zu konkurrieren.

Anmerkung der Redaktion: Zwei Wochen nach unserem Besuch bei Micro Med gab das Unternehmen bekannt, dass es an Uniform Tubes verkauft wurde, einen Hersteller von kundenspezifischen Rohrkomponenten. Uniform Tubes wird Micro Med verstärkte Engineering- und Vertriebsunterstützung geben. Laut Joe Davis bleiben Unternehmensführung und Mission intakt.