Revolutionierung orthopädischer Implantate:Automatisierte Einzelstück-Workflows senken Kosten

Unternehmen für orthopädische Implantate stehen vor vielen Herausforderungen, aber eine der größten ist die Bestandsverwaltung. Diese Unternehmen (und die Unternehmen, die die von ihnen verkauften Produkte herstellen) müssen herausfinden, wie sie ein breites Spektrum an Implantattypen, -varianten und -größen kosteneffizient herstellen und dann den Bestand verwalten können, der zwischen Lagern und Krankenhäusern hin und her bewegt wird. Dies entspricht einem hohen Lagerbestandsbedarf, der die Ressourcen eines Unternehmens belasten kann.

Mach Medical ist ein Auftragshersteller für orthopädische Implantate, der gegründet wurde, um einige der Herausforderungen anzugehen, mit denen Erstausrüster orthopädischer Implantate konfrontiert sind, einschließlich der Lagerhaltung, mithilfe fortschrittlicher Fertigung und Automatisierung.

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Bestandskontrolle

Es liegt in der Natur ihrer Arbeit, dass orthopädische Implantatunternehmen in der Regel einen Lagerbestand von 12 Monaten zur Verfügung haben, um ihre Kunden zu bedienen, erklärt Dave Anderson, Mitbegründer und Leiter der Geschäftsentwicklung bei Mach Medical. „Ein Produkt wird in der Chirurgie verwendet und das Krankenhaus benötigt sofort Nachschub, oder es benötigt möglicherweise sechs Produkte derselben Größe im Regal, falls an diesem Tag zwei, drei oder vier Patienten zusammenkommen, die alle ein Knie für die linke Seite in Größe 5 benötigen.“

Erschwerend kommt hinzu, dass das Inventar ständig in Bewegung ist. Laut Steve Rozow, Mitbegründer und Geschäftsführer von Mach Medical, sind orthopädische Implantate so etwas wie Schuhe – es gibt sie in verschiedenen Arten und Größen. Wenn jemand ein neues Paar Schuhe haben möchte, geht er möglicherweise in ein Schuhgeschäft, das jeden Schuhstil in mehreren Größen zum Anprobieren führt. Aber Patienten, die orthopädische Implantate benötigen, können nicht in ein Geschäft gehen, um verschiedene Implantate auszuprobieren. Der Laden (oder ein vorgegebener Teil davon) muss zum Patienten im Operationssaal des Krankenhauses kommen. Chirurgen haben vor der Operation eine Vorstellung davon, welche Implantatgröße ein Patient benötigt. Im Operationssaal stehen ihnen jedoch häufig mehrere Optionen zur Verfügung, sodass sie zum Zeitpunkt der Operation die beste Passform oder Duplikate auswählen können, falls ein Implantat kontaminiert wird. Anschließend wird ungenutzter Bestand zurückgesendet und der verbrauchte Bestand wird wieder aufgefüllt. „Dieser Bestand ist ständig in Bewegung und dient der Versorgung von Arztpraxen oder wird möglicherweise in einem Krankenhaus gelagert, wenn es sich bei dem Krankenhaus um ein Krankenhaus mit hohem Durchsatz handelt“, sagt er. Mindestens 50 % des Lagerbestands des Herstellers befinden sich zu jedem Zeitpunkt entweder in einem Krankenhaus oder sind unterwegs. „Damit orthopädische Hersteller Kunden gewinnen können, müssen sie häufig ihre Lagerfläche vergrößern, um diese Kunden bedienen zu können“, fährt er fort.

Die Herausforderungen bei der Herstellung von Teilefamilien machen die Bestandsverwaltung noch komplexer. „Mit der Fertigung sind Mindestbestellmengen verbunden, die größtenteils von der Rüstzeit der Maschine abhängen“, sagt Anderson. „Angenommen, Sie brauchen acht Stunden, um eine Maschine für den Betrieb einer SKU einzurichten. Sie möchten so viele dieser Teile wie möglich laufen lassen, damit Sie einen angemessenen Preis pro Einheit erzielen können, bevor Sie die Maschine abreißen.“ Bestimmte SKUs werden jedoch häufiger verwendet als andere. Wenn ein Hersteller bei Größen, die am größeren und kleineren Ende der Glockenkurve menschlicher Größen liegen, „20 oder 50 einer einzelnen SKU herstellt, könnte das ein Lagerbestand von fünf bis zehn Jahren sein“, erklärt er. „Das wird sitzen.“

Beginn mit der Standardisierung

Eine Möglichkeit, wie Mach Medical diese Herausforderungen angeht, besteht darin, die Produktionsprozesse so weit wie möglich zu standardisieren. Anstatt beispielsweise unterschiedliche Gussteile für unterschiedliche Implantate und Größen zu beschaffen, beginnt das Unternehmen mit einem allgemeineren Guss für jeden Implantattyp. „Es gibt praktisch keine Werkzeugentwicklung und es ist einfach von der Stange“, sagt Rozow. Während dies bedeuten kann, dass Implantate mehr Zeit auf der Maschine verbringen und mehr Material entfernt werden muss als bei einem individuelleren Guss, ist die Flexibilität den Kompromiss wert. „Wenn es eine Designänderung gibt oder der Kunde hier und da etwas optimieren möchte, handelt es sich normalerweise um eine recht einfache Programmänderung“, fährt er fort. „Um dem gerecht zu werden, müssen wir keine Werkzeugwechsel vornehmen, was zu höheren Kosten führt.“ Er fügt hinzu, dass Mach Medical, wenn Kunden die Implantatproduktion steigern, auf einen kundenspezifischen Guss umsteigen kann, der effizienter zu bearbeiten und kostengünstiger ist.

So wie Mach Medical den Bestand an Endprodukten für seine Kunden reduzieren möchte, arbeitet das Unternehmen auch daran, seinen eigenen Bestand an Gussteilen und anderen Rohmaterialien schlank zu halten. „Wir neigen dazu, die Lagerbestände recht niedrig zu halten und haben Vereinbarungen mit diesen Unternehmen getroffen, um uns diese auf einer ziemlich engen JIT-Basis zuzuleiten“, sagt Rozow. Seine Anlage in Columbia City, Indiana, liegt so nah an seinen Rohmaterial- und Gusslieferanten, dass sie zweimal pro Woche „Milchläufe“ durchführen können, um das Material, das Mach Medical für jeweils ein paar Tage benötigt, abzuliefern.

Der Rohstoff durchläuft einen ersten Produktionsprozess. Laut Rozow umfasst dies typischerweise zwei Bearbeitungsprozesse:Inspektion, Reinigung und Beschichtung (was bei Sites Medical, dem Schwesterunternehmen von Mach Medical, geschieht). Zu diesem Zeitpunkt beginnt das orthopädische Implantat Gestalt anzunehmen, ist aber noch unvollständig. Ab diesem Zeitpunkt kann das Unternehmen die Teile in mehrere SKUs umwandeln, beispielsweise in unterschiedliche Größen oder rechte und linke Versionen. Wenn die Kunden dann Bestellungen aufgeben, vervollständigt Mach Medical die Implantate durch abschließende Bearbeitungsvorgänge, bei denen sie auf die richtige Größe und Form zugeschnitten werden, einen Reinigungsprozess, eine Inspektion, Nachbearbeitungsprozesse und anschließend eine Endreinigung.

Dieses „Flex-Lot-Sizing“-System bietet Mach Medical das Beste aus beiden Welten:Volumen, die das Gießen und die Wärmebehandlung kosteneffizienter machen können, sowie die Flexibilität, Bestellmengen ab einem Teil abzuwickeln. Außerdem werden die Vorlaufzeiten für Kunden drastisch verkürzt, von 20 auf drei Wochen. Rozow sagt, dass flexible Losgrößen und kürzere Vorlaufzeiten es den Kunden von Mach Medical ermöglichen, ihren Lagerbestand zu reduzieren. „Sie können in einem kürzeren Zyklus nachfüllen und müssen diese Ausreißer nicht so oft bestellen“, erklärt er.

Einzelstück-Workflow automatisieren

Da die Strategie von Mach Medical darauf basiert, Teile schnell zum Kunden zu bringen, sind Automatisierung und automatisierte Bearbeitung von entscheidender Bedeutung. Allerdings muss jedes Automatisierungssystem, das das Unternehmen implementiert, in der Lage sein, die Produktion kleinerer Teilechargen zu bewältigen, um Kunden (oder sich selbst) nicht mit Lagerbeständen zu überfordern. „Wir können eine wirtschaftliche Bestellgröße von 20 oder 50 Oberschenkelknochen festlegen, die alle die gleiche Artikelart haben, und das den ganzen Tag über automatisieren. Das ist ziemlich einfach“, sagt Rozow. „Aber wenn Sie eine von SKU

Die Flexxbotics-Zelle von Mach Medical automatisiert die Erstverarbeitung der teilweise fertigen Implantate zu Endprodukten – Endbearbeitung, Inspektion und einen Reinigungsprozess. Angesichts der unterschiedlichen und möglicherweise kleinen Losgrößen von Mach Medical benötigte das Unternehmen die Gewissheit, dass die Zelle das richtige Teil ergreift und die entsprechenden Programme für dieses Teil lädt. „Wir müssen uns vor dem Absturz unserer Maschine und unseres KMG schützen“, sagt Rozow. Flexxbotics bietet eine Plattform, die es allen Komponenten der Zelle ermöglicht, miteinander zu kommunizieren, einschließlich eines Bildverarbeitungssystems. Ein Cobot von Universal Robots greift ein Teil von einem Bereitstellungsregal und bringt es zum Bildverarbeitungssystem, das über einen Code auf dem Teil bestätigt, dass die Werkzeugmaschine über die richtigen Werkzeuge und das richtige Programm verfügt. Nach der Bearbeitung auf einer Okuma-Fünf-Achsen-Maschine bringt der Roboter das Teil zur In-Prozess-Reinigung zu einer Ultraschall-Reinigungsstation. Anschließend bringt der Roboter das Teil zurück zum Bildverarbeitungssystem, das das Teil mithilfe des Dorns bestätigt, bevor es zur Prüfung zum KMG bewegt wird. Wenn das KMG eine Nichtkonformität erkennt, verschiebt es dieses Teil auf einen von sechs Plätzen auf einem Bereitstellungsregal, das für fehlerhafte Teile vorgesehen ist. Wenn dieser Bereich voll ist, schaltet sich die Zelle ab und benachrichtigt einen Bediener. Sechs Slots für nicht konforme Teile scheinen nicht viel zu sein, aber Rozow hält dies tatsächlich für übertrieben, wenn man bedenkt, dass die Nichtkonformitätsrate des Unternehmens weniger als 1 % beträgt.

Trotz der großen Vielfalt an SKUs, die in der Zelle vorkommen, hat Mach Medical andere Komponenten in der Zelle standardisiert. „Aufgrund der standardisierten Werkzeuge ist der Roboter gegenüber allem, was wir dort einbringen, ziemlich agnostisch“, sagt Rozow. Die Teile werden auf Vorrichtungen mit einer gemeinsamen Schnittstelle gehalten, über die der Roboter sie durch die Zelle bewegt.

Die Standardisierung erstreckt sich auch auf Schneidwerkzeuge, obwohl Rozow sagt, dass dies schwieriger ist. Das Unternehmen beginnt mit einem standardisierten Werkzeugpaket für die Werkzeugmaschine, muss jedoch gelegentlich Spezialwerkzeuge für komplexe Funktionen hinzufügen. Da die Werkzeuge einen großen Kostenfaktor darstellen, arbeitet Mach Medical kontinuierlich an der Optimierung der Werkzeuglebensdauer. Es nutzt die Pareto-Analyse manuell erfasster Werkzeuglebensdauerdaten, um die nächste Priorität für die Optimierung zu bestimmen. Flexxbotics erhöht außerdem die Werkzeugstandzeit, sorgt für eine gleichbleibende Teilequalität und reduziert den Ausschuss, indem es eine geschlossene Anpassung der Schnittparameter auf der Grundlage der Prüfdaten des KMG ermöglicht. „Wenn es zu Werkzeugverschleiß oder Ähnlichem kommt, wird das in Echtzeit korrigiert“, sagt er.

Mach Medical arbeitet noch daran, seinen Prozess zu testen und zu stabilisieren, bevor er die unbeaufsichtigte Bearbeitung ausweitet. Derzeit ist die Zelle auf eine Laufzeit von 36 Stunden ausgelegt, das Unternehmen plant jedoch die Errichtung eines größeren Regalsystems, um eine längere Laufzeit zu ermöglichen. „Zudem werden wir eine weitere Maschine hinzufügen“, sagt Rozow. „Sobald wir dieses Vertrauen haben, werden wir eine Maschine rüberschieben.“ Zukünftig könnte die Zelle auch um eine dritte Maschine erweitert werden. Darüber hinaus plant das Unternehmen die Automatisierung weiterer vorgelagerter Prozesse, beispielsweise der Herstellung teilweise fertiger Implantate.

Diese Zelle ermöglicht nicht nur eine flexible Losgrößenanpassung, sondern hilft Mach Medical auch dabei, enge Toleranzen wiederholbar einzuhalten. Laut Rozow erlauben Kunden im Allgemeinen eine Toleranz von 1 mm, das Unternehmen nutzt jedoch weniger als 25 % davon. Er glaubt jedoch, dass das Unternehmen mit diesen Toleranzen wahrscheinlich lediglich die Nase vorn hat, und da Chirurgen von der manuellen Knochenpräparation auf eine präzisere und konsistentere robotergestützte Knochenpräparation umsteigen, müssen die Toleranzen für Implantate verschärft werden.

Schultern, Knie und Zehen

Mach Medical konzentriert sich zunächst auf Knie- und Knöchelimplantate, plant jedoch, dieses Produktionsmodell auf andere Arten von Implantaten wie Hüften, Wirbelsäulenkomponenten oder sogar Schienbeine auszuweiten, von denen Rozow sagt, dass sie in noch mehr Varianten als andere Implantattypen erhältlich sind und wahrscheinlich extrem geringe Mengen oder Einzelstückbestellungen erfordern würden.

Die Flexxbotics-Zelle ist ein Schritt in Richtung des ultimativen Ziels von Mach Medical, ein Just-in-Time-Produktionsmodell für orthopädische Implantate zu schaffen. „Wir können eine Bestellung innerhalb von drei Wochen entgegennehmen und ausliefern. Das liegt normalerweise innerhalb des Operationsterminfensters eines Patienten“, betont Anderson. Weitere Weiterentwicklungen in der präoperativen Planungssoftware würden es Ärzten oder Arzthelfern ermöglichen, zu bestimmen, welche Implantatgröße der Patient voraussichtlich benötigt, sodass Mach Medical diese Teile herstellen und rechtzeitig vor der Operation an das Krankenhaus schicken kann. Selbst wenn der Hersteller mehrere Implantate verschickt (z. B. mehrere unterschiedliche Größen oder Duplikate im Falle einer Kontamination), könnte dies den Implantatherstellern laut Anderson eine Reduzierung ihrer Lagerbestände um 85 % ermöglichen. „Das sind Einsparungen in Höhe von Hunderten Millionen Dollar pro Jahr“, sagt er.