Fehlersuche an nicht laufender CNC Dreh-Fräsmaschine: Warum sie stoppte & wie man es behebt

Die zweite B-Achsen-Dreh-Fräsmaschine, die MoManTech kaufte, führt derzeit überhaupt keine Dreharbeiten aus, sondern fertigt eine Reihe komplexer, prismatischer Medizinkomponenten aus Stangenmaterial. (Alle Fotos courtesy MoManTech.)

Ich besuchte diverse sehr fortschrittliche Bearbeitungsbetriebe mitten im Nirgendwo. Aufgrund von Corona-Reisebeschränkungen besuchte ich MoManTech nicht – den Präzisionsmaschinenbetrieb in dieser Story – in Sheridan, Montana. Aber „mitten im Nirgendwo“ beschreibt Inhaber Kirt Johnston seinen Standort präzise.

Es brauchte einen Vertrauenssprung für ihn und seine Familie dorthin. Ursprünglich aus Indiana, war er in den Managementrängen eines Medizintechnikherstellers in Warsaw aufgestiegen. 2003, mit 31, plante er den Unternehmenskauf. Seine Pläne änderten sich, als er aufgrund arbeitsbedingten Stresses im Krankenhaus landete.

Zufällig erfuhr er von einer kleinen Maschinenwerkstatt in einer 700-Einwohner-Stadt in Montana, die von einem Inhaber mit eigenen Gesundheitsproblemen und Ruhestandsabsichten verkauft wurde. Diese 167 m² (1.800 sq ft) Werkstatt hatte nur ein paar Kniemühlen und drei Konventionelle Drehmaschinen. Aber sie lag auf drei Acres Land mit Killeraussicht. Kurz: Er kaufte sie und zog mit seiner Familie hin, verließ die Sicherheit bestehenden Arbeitsplatzes für die Unbekannten dieses neuen Erlebnisses.

Und als ich sage, er zog mit seiner Familie *dorthin*, meint er es ernst. Ein paar Jahre lebten seine Frau und Geschäftspartnerin Michelle und zwei Jungen – damals 2 und 5 – in einer 74 m² (800 sq ft) Wohnung, die an die Werkstatt angebaut war.

Die Situation ist jetzt ganz anders. Nach Umzug im Juli 2004 erweiterte Johnston die Werkstatt um 370 m² (4.000 sq ft) und begann, Mitarbeiter und fortgeschrittenere CNC-Ausrüstung hinzuzufügen: Fräsmaschinen, ein Drehzentrum, Schweizer Drehmaschinen, Drahterodiermaschine und B-Achsen-Dreh-Fräsmaschinen.

MoManTechs erste B-Achsen-Dreh-Fräsmaschine, 2012 gekauft, ermöglichte dem Betrieb komplexere Medizinarbeit. Die zweite tat dies ebenfalls. Letztere ist eine QuickTech 9-Achsen S42ATM Dreh-Fräsmaschine mit Gegenspindel von Absolute Machine Tools, die letzten Juli installiert wurde. Das Interessanteste an dieser Maschine, die sowohl Drehen als auch Fräsen kann: Sie wird ausschließlich zum Fräsen genutzt. „Ich habe nie ein Drehwerkzeug darin installiert“, sagt Johnston. Diese Nutzung ermöglicht schnellere Umrüstungen für die 100 verschiedenen Teilenummern in zwei Teilefamilien, die über die Maschine laufen, während die Option für zusätzliche prismatische Arbeit aus Stangenmaterial offen bleibt, falls solche Arbeit auftaucht.

Kein Zurück zum Drehen

ISO 13485-zertifiziert, spezialisiert sich MoManTech auf chirurgische Geräte für Wirbelsäule, Trauma, Großgelenke und Dental sowie Implantate. Sein Fähigkeitsspektrum macht es zum virtuellen One-Stop-Shop für medizinische Kundenbedürfnisse. Neben diversen Bearbeitungsfähigkeiten hat der Betrieb hausinterne Sekundärprozesse wie Lasergravur/Markierung, Ultraschallreinigung und Zitratpassivierung. MoManTech hat auch Kunststoff- und Metall-3D-Drucker, primär für Vorrichtungen im Betrieb genutzt (siehe Sidebar unten).

Die QuickTech S42ATM war der jüngste Kapitalausrüstungskauf. Johnston nennt Preis und kompakte Größe als große Gründe für dieses Modell. Er schätzt auch, dass sie eine volle C-Achsen-Gegenspindel hat statt eines Werkstückspannvorrichtung für Rückseitenbearbeitung. Die dreiachsige Gegenspindelbewegung trägt ebenfalls zur kompakten Größe bei, da sie in X-Achse über und unter der Teilmittellinie verfahren kann, um der B-Achsen-Frässpindel besseren Teilezugang zu geben. Die B-Achse hat einen 10.000 U/min, 3 PS Motor und Arbeitsbereich von 190° (±95° von vertikal).

Die Maschine hat 30 mm Stangenkapazität. Statt Stangenlader wird ein Stangenzieher genutzt, um in 3-Fuß-Längen (ca. 91 cm) gesägtes Material in die Arbeitszone zu ziehen. Dies reduziert weiter den benötigten Footprint.

Haupt- und Gegenspindel haben jeweils 6.000 U/min, 5 PS Direktantriebsmotoren. Sie sind synchronisiert für präzisen Teiletransfer bei Rückseitenoperationen. Der automatische Werkzeugwechsler (ATC) hat 24 Stationen für HSK-40T Werkzeughalter.

MoManTech fährt derzeit zwei Teilefamilien über diese Maschine. Eine ist eine Titan-Implantat-Familie, die andere für Edelstahl-Medizingeräte. Alle Teile erfordern 5-Achs-Bearbeitung (Positionierung, nicht Vollkonturierung) sowie Rückseitenbearbeitung. Typische Losgrößen: 5 bis 25 Stück. Prismatische Teile aus zylindrischem Stangenmaterial zu fertigen erleichtert Setups im Vergleich zu konventionellen Fräsmaschinen, die spezielle Vorrichtungen bräuchten.

Johnston nutzt die ATC-Kapazität, um viele Standardwerkzeuge für die meisten Jobs installiert zu halten. So ist kein Abtaasten für diese gängigen Werkzeuge nötig, was Umrüstzeit auf einen neuen Job reduziert. Umrüstungen erfordern typischerweise nur Abtaasten am Stangenende zur Werkstücknullpunktfestlegung und eventuelle neue Werkzeuge für den neuen Job. Absolute Machine Tools erstellte auch benutzerdefinierte Makros, um Arbeitsversätze von der Hauptspindel auf die Gegenspindel zu übertragen. So ist Werkzeugabtaasten nur an der Hauptspindel nötig.

Effektive Bearbeitung prismatischer Teile aus Stangenmaterial erfordert Überlegung, wie ein blockiges Teil im Volumen zylindrischen Stangenmaterials „orientiert“ wird. Johnston versucht, den Großteil der Bearbeitung auf der Spindelseite durchzuführen, wobei ein Merkmal zurückbleibt, das die Gegenspindel leicht für Rückseitenbearbeitung greifen kann. Das könnte nur Taschenbearbeitung in den Gegenspindelbacken erfordern, statt kundenspezifischer Greifer. Die meisten Teile werden komplett bearbeitet und aus der Gegenspindel in ein Sammelgerät ausgeworfen.

Mehr Arbeit am (Big Sky) Horizont?

Als ich Johnston im frühen Mai sprach, sagte er, sein Geschäft sei durch die COVID-19-Pandemie nicht negativ beeinträchtigt worden. Oddly enough, bot es eigentlich die Chance, Personal hinzuzufügen. Er stellte Leute ein – eine Vollzeit und zwei Teilzeit vom College –, die ihre Sommerjobs verloren hatten. Zudem, da Wahloperationen wieder anlaufen, könnte der Betrieb mehr Arbeit zu diesen Eingriffen sehen. Das könnte zu weiteren Maschinenkäufen führen. Und wer weiß, vielleicht läuft die neue Dreh-Fräsmaschine tatsächlich Aufträge, die Drehen erfordern.

3D-Druck in einer Maschinenwerkstatt

MoManTech hat zwei 3D-Drucker von Markforged, einer für Kunststoff, einer für Metall. Diese nutzen Fused Filament Fabrication (FFF). Beim Kunststoffdruck heizt der Drucker das Thermoplastik nahe seinem Schmelzpunkt und extrudiert es durch eine Düse. Die Düse bewegt sich in X- und Y-Richtung auf einer Bauplatte, um das Teil Schicht für Schicht zu erstellen. Das Onyx-Basismaterial von Markforged – Nylon gemischt mit gehackter Kohlefaser – soll 1,4x stärker als ABS sein. Zudem kann der Betrieb Lagen aus Glasfaser, Kevlar oder Kohlefaser hinzufügen für stärkere Eigenschaften je nach Anwendung. Auch Metalleinsätze sind möglich. Dazu wird der Druckjob zum passenden Zeitpunkt gestoppt, der Einsatz eingelegt und der Druck fortgesetzt, der den Einsatz einkapselt. Der Betrieb nutzt diesen Drucker häufig für Kunststoffvorrichtungen. Fast alle Vorrichtungen an MoManTechs Lasermarkiermaschine sind 3D-gedruckt aus Onyx.

Dieser kunststoffgedruckte Vorrichtung für den Lasermarker enthält Keys zur Sicherstellung korrekter Teileorientierung.

Das Metal X Gerät druckt kundenspezifische harte Vorrichtungen aus 17-4 Edelstahl für komplexe Teile an Fräsmaschinen. Johnston sagt, harte Vorrichtungen drucken hilft, da er niemanden von einem Produktionsbearbeitungszentrum abziehen muss, um Vorrichtungen zu bearbeiten. Die Vorrichtung kann designed und dann gedruckt werden (über Nacht falls nötig), um am nächsten Tag genutzt zu werden. Und angesichts der komplexen Geometrie mancher Teile, die diese Vorrichtungen halten müssen, kann das Bearbeiten einer Vorrichtung herausfordernd, wenn nicht unmöglich sein.

Dieser Drucker nutzt zwei Materialspulen: eine hat Metallpulver und Bindemittel in einer Kunststoffhülle. Die zweite ist Keramikpulver in Kunststoff. Spulen werden durch einen Heizblock geführt, der das Kunststoff auf Schmelzpunkt erhitzt und durch eine Extrusionsdüse führt. Die Einheit legt zuerst Keramikmaterialschichten für Teilablösung von Einweg-Druckbögen, die per Vakuum auf dem Druckbett gehalten werden. Das Keramikmaterial dient auch für Stützstrukturen für das Metall, wo nötig. Nach Abschluss des Drucks mit der Edelstahlspule werden Teile gesintert, wodurch das Metallpulver zu festem Metall verschmilzt.