Präzisionsbearbeitung für die medizinische Industrie

Die Erfüllung der strengen Anforderungen an die Oberflächenqualität medizinischer Teile kann Herausforderungen darstellen, denen nicht jede Maschine gewachsen ist.

Da sich die Nachfrage nach Fortschritten in der Medizin weiter beschleunigt, was hauptsächlich auf das steigende Durchschnittsalter der Bevölkerung zurückzuführen ist, sind Hersteller im medizinischen Bereich herausgefordert, Schritt zu halten. Während diese Hersteller natürlich von neu entwickelten Maschinen angezogen werden, um den Kundenanforderungen für eine effizientere Produktion komplexer Teile gerecht zu werden, sollten sie sich nicht über die Ergebnisse wundern, die sie mit einer Maschine erzielen können, die sich im Laufe der Zeit bewährt hat.

Maschinen für medizinische Teile herstellen

Bumotec ist Hersteller von Bearbeitungszentren, Fräs-Dreh- und Transfermaschinen. Es gehört zur Starrag Group – einer Aktiengesellschaft mit 1.800 Mitarbeitern mit Sitz in der Schweiz, aber mit Produktionsstätten dort sowie in Frankreich, Deutschland und Großbritannien. Das US-Vertriebsbüro mit rund 35 Mitarbeitern befindet sich seitdem in Hebron, Kentucky 2001.

Bumotec ist eines von acht Kernunternehmen innerhalb der Gruppe mit einem starken Fokus auf medizinische und mikromechanische Teile. Es wurde ursprünglich für die Uhrenindustrie entwickelt und erweiterte schließlich seinen Anwendungsbereich für ähnliche Teile in anderen Branchen. Ob High-Mix/Low-Volume oder Serienproduktion, die Teile sind in der Regel hochwertig und beinhalten kleine, komplexe Formen.

Bumotecs FTLs191-RP High Precision Mill-Turn (kurz s191), das langjährige Flaggschiff des Unternehmens, wurde entwickelt, um Fertigteile von der Stange zu liefern, und hat sich bei medizinischen und mikromechanischen Teilen sowie Halbleitern, Munition und anderen Komplexen als erfolgreich erwiesen Mikrokomponenten wie in der Uhrenindustrie. Dies ist ein Blick darauf, wie die Maschine bei der Herstellung von Femurkopfteilen für eine Reihe von medizinischen Herstellern an Popularität gewonnen hat.

Teilefertigung „von der Stange bis zur Schachtel“

Der FTLs191-RP Mill-Turn liefert hochpräzise medizinische und mikromechanische Teile vom Stab bis zur Schachtel in einem einzigen Handling.

Der s191 wurde vor 15 Jahren entwickelt, um komplexe Formen zu verarbeiten, die entweder eine geschliffene Oberfläche oder eine Maßtoleranz auf vier Dezimalstellen beinhalten – hochwertige Teile. Es wird häufig bei schwierigen Materialien wie Titan, Waspaloy, Keramik, Glas, Quarz, Inconel und Edelstahl verwendet. Die Maschine wird standardmäßig mit einem Stangenschieber geliefert, wird aber in den USA am häufigsten mit einem Stangenlader und einem Späneförderer ausgestattet. Es kann auch ein Palettenlader verwendet werden.

Einer der auffälligsten Vorteile der Maschine ist die Rückholeinheit, eine vollwertige Gegenspindel, die als Überrollstation arbeitet und eine Bearbeitung sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Position ermöglicht.

Obwohl es sich um eine 7-Achs-Maschine (mit 5-Achs-Simultanbearbeitung) handelt, ist sie ausschließlich mit der Fanuc 31i-B5-Steuerung als Lösung zur Vereinfachung der Bedienung erhältlich. Das Unternehmen betrachtet die Maschine als global und hat die FANUC-Steuerung aufgrund ihrer internationalen Bekanntheit sowie ihrer Fähigkeit, jede Bewegungsachse in der Präzisionsteileproduktion zu handhaben, zum Standard für diese Maschine gemacht.

Die Drehmomentmaschine mit Linearmotor und Direktantrieb verfügt über 25 PS auf der Haupt-C-Achse, 15 PS auf der B-Achse und 12 PS auf der Nachaufnahme (aus Gründen der OSHA-Sicherheit werden an zwei Stellen Kugelumlaufspindeln verwendet, jedoch nur zum Positionieren und nicht auf die Bearbeitungsachsen). Die Rückholspindel liegt in einer Linie mit der C-Achse und hat fast die gleiche Kraft. Aber sobald es das Werkstück vom C erhält, kann es neu ausgerichtet werden, um das Teil vertikal zu bearbeiten.

Die Maschine verfügt über eine Rückholeinheit – eine vollständige Gegenspindel, die als Überrollstation fungiert und eine Bearbeitung in horizontaler oder vertikaler Position ermöglicht.

Eine weitere Option ist ein Zweibacken-Schraubstock, der neben der Gegenspindel montiert ist und auch zum Greifen von Werkstücken verwendet werden kann. Wird die Gegenspindel zum Drehen nicht benötigt, kann der Schraubstock das Teil aus dem Abstich nehmen, neu orientieren und für Fräsarbeiten festhalten.

Die meisten Maschinen, die auf Spannzangen basieren, werden als Stangenfräslösungen verkauft, können aber auch für Rohlinge eingerichtet werden. Sie können mit Stangendurchmessern von 32 mm bis 65 mm arbeiten. Bumotec arbeitet eng mit Hainbuch und anderen Lieferanten für Schnellwechsellösungen zusammen, die die Herstellung und Bestückung von Vorrichtungen überflüssig machen. Durch die schnelle Einrichtung und Umstellung passt die Maschine gut in eine Prototypenumgebung mit hoher Produktvielfalt und geringem Volumen.

Die Flexibilität, die das auf Spannzangen basierende System bietet, und die Möglichkeit, Teile „von der Stange bis zur Schachtel“ zu produzieren, wie das Unternehmen es bewirbt, entsprechen den Anforderungen der Kunden, von denen viele über eine medizinische ISO-Akkreditierung und/oder eine FDA-Akkreditierung verfügen. Sie erfordern die Fähigkeit, einen etablierten Prozess zu zeigen, der auf mehrere Maschinen übertragbar und wiederholbar ist und der mit konsistenter Präzision von der Einrichtung bis zur Umstellung auf einer einzigen Plattform erreicht wird.

Die Maschine verfügt auch über Messmöglichkeiten im Werkzeugwechsler.

Der Werkzeugwechsler kann bis zu drei Ebenen mit 30 Werkzeugen pro Ebene aufnehmen.

Unter Einbeziehung der Technologie von Renishaw misst der optische Messtaster OMP400 das Teil, und der Kontaktmesstaster TS27R für die Werkzeugeinstellung prüft auf Werkzeugbruch in Länge und Durchmesser. Es ist eine kompakte Maschine und bietet dennoch eine gute Steifigkeit bei 10.000 Pfund. Die Standard-Spindeldrehzahl beträgt 30.000 U/min, mit einer Option von 40.000 U/min, und die Linearantriebe bieten eine Beschleunigung von 1,2 G. Mit einem dreistöckigen Karussell im Hochzeitstortenstil kann der Werkzeugwechsler 90 Werkzeuge (30 pro Platte) aufnehmen.

Bearbeitung eines Femurkopfes

Während der s191 für eine Reihe komplexer Teile für verschiedene Branchen verwendet wird, ist eine Anwendung gut geeignet, um seine volle Leistungsfähigkeit zu demonstrieren. Bei einer Hüftoperation (zur Linderung von arthritischen Schmerzen oder manchmal zur Behandlung von Hüftfrakturen) wird der Femurkopf – die Kugel am oberen Ende des Femurs (Oberschenkelknochen) – durch eine Prothese ersetzt. Bumotec ist spezialisiert auf maschinelle Anpassungen für Prozesse wie die Produktion des Femurkopfes und hat eine schöne Marktnische für medizinische Zulieferer gefunden, die diese Teile benötigen.

Der von ihm entwickelte Turnkey-Prozess für diese Teile unterscheidet sich nach Unternehmensangaben von der bisherigen Produktion. Es nutzt die Rücknahmeeinheit, um das Teil in der Arbeitszone zu manipulieren und es von der Stange zum fertigen Produkt zu bringen, einschließlich Drehen, Fräsen, Schleifen und Superfinish. Die Familie der Hüftkopfteile umfasst drei verschiedene Größen, hergestellt aus Chrom-Kobalt-Stab. Es werden verschiedene Stangenmaterialdurchmesser und Spannzangen verwendet, um den unterschiedlichen Teilegrößen gerecht zu werden, aber das Programm und die Werkzeugausstattung bleiben gleich. Schleifscheiben können auch von 28 mm bis 35 mm eingestellt werden.

Der Femurkopf aus Chrom-Kobalt-Stab muss gedreht, gefräst, geschliffen und feinstbearbeitet werden.

Während der Produktion des Teils bearbeitet Station eins, die Hauptspindel, den Innendurchmesser, die Stirnfläche und die Anfangsstadien des Außendurchmessers. Die Gegenspindel nimmt dann das Teil mit einer Ottet-Spannzange auf, einer Spannzangenmarke, die hauptsächlich für dünnwandige Werkstücke entwickelt wurde und das Spannen entweder am Innen- oder Außendurchmesser ermöglicht. Beim Abtrennen des Femurkopfes klemmt er durch Aufweiten des ID. In diesem Stadium wird die Kugel des Teils geschnitten, beginnend in der horizontalen Position (für eine bessere Spanabfuhr), dann in die vertikale gedreht. Es werden drei unterschiedliche Schleifscheibenkörnungen aufgebracht, anschließend wird das Teil auf der Maschine poliert und superfinish bearbeitet.

Das Finish auf dem Teil beträgt 4 Mikrometer und es dauert etwa 12 Minuten, bis es fertig ist. Der wahre Wert der Maschine liegt in ihrer autonomen Natur bei der Herstellung von Teilen wie dem Femurkopf. Das Programm ist bereits geschrieben. Sobald die Stangen geladen sind, benötigt die Maschine nur noch sehr wenig Überwachung. Solange Material verfügbar ist und frische Werkzeuge im Werkzeugwechsler bereitgehalten werden, kann die Maschine unbegrenzt weiter produzieren. Der Werkzeugwechsler befindet sich außerhalb des Arbeitsbereichs, sodass Werkzeuge in jeder Phase des Prozesses ausgetauscht werden können.

Wenn die Maschine unbeaufsichtigt arbeitet, kann der Bediener tagsüber für andere Aufgaben eingesetzt werden. Er oder sie kann drei oder vier der Maschinen gleichzeitig betreiben oder an anderen Projekten beteiligt sein. Die schlüsselfertige Maschine kann einen robusten, wiederholbaren Prozess liefern, der wenig Überwachung erfordert. Wenn es den Boden erreicht, stellt es sofort Teile her, und der klar definierte Prozess kann zur Prozesswiederholbarkeit leicht auf andere Standorte übertragen werden.

Palettierte Beladung

Im Showroom von Bumotec ist die s191 für die Produktion des Femurkopfes mit einem Palettierer statt mit einem Stangenlader ausgestattet. Es werden jeweils zehn Paletten mit jeweils 20 bis 30 Werkstücken (je nach Teilegröße) beladen. Die B-Achse wird sowohl für die Bearbeitung als auch für die Teilemanipulation verwendet. Mit einem HSK 40-Werkzeughalter führt die B-Achse während des Bearbeitungsprozesses Dreh- und Fräsoperationen aus. Ist das Teil aber fertig, tauscht er das bisherige Werkzeug gegen einen Zweibackengreifer von Schunk. Die Palette kommt zurück in den Arbeitsbereich, und die B-Achse greift die Kugel und lädt sie zurück auf die Palette. Der Fokus liegt darauf, die Menschen aus der Maschine herauszuholen und dem Prozess zu erlauben, für sich selbst zu sorgen.