Orthopädische Implantate revolutionieren: Automatisierte Einzelstück-Workflows senken Kosten

Orthopädische Implantatunternehmen stehen vor vielen Herausforderungen, aber eine der größten ist das Bestandsmanagement. Diese Unternehmen (und die Unternehmen, die die von ihnen verkauften Produkte herstellen) müssen bewältigen, wie sie eine breite Palette von Implantattypen, Varianten und Größen kosteneffektiv produzieren und dann diesen Bestand verwalten, während er zwischen Lagern und Krankenhäusern hin und her bewegt wird. Dies bedeutet hohe Bestandsanforderungen, die die Ressourcen eines Unternehmens aufzehren können.

Mach Medical ist ein orthopädischer Implantat-Lohnfertiger, der gegründet wurde, um einige der Herausforderungen anzugehen, denen orthopädische Implantat-OEMs gegenüberstehen, einschließlich Bestandsmanagement, durch fortschrittliche Fertigung und Automatisierung.

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Bestandskontrolle

Aufgrund der Art ihrer Arbeit führen orthopädische Implantatunternehmen generell 12 Monate Bestand, um Kunden zu bedienen, erklärt Dave Anderson, Mitgründer und Business Development Leiter bei Mach Medical. „Ein Produkt wird in der Chirurgie verwendet und das Krankenhaus braucht sofort Nachschub, oder sie benötigen vielleicht sechs derselben Größe auf dem Regal, falls sie an einem Tag zwei, drei oder vier Patienten haben, die alle ein Knie für die linke Seite in Größe 5 benötigen.“

Die Situation wird dadurch weiter verkompliziert, dass der Bestand ständig in Bewegung ist. Laut Mach Medical Mitgründer und General Manager Steve Rozow sind orthopädische Implantate so etwas wie Schuhe – sie gibt es in verschiedenen Typen und Größen. Wenn Menschen ein neues Paar Schuhe wollen, gehen sie vielleicht in ein Schuhgeschäft, das jeden Schuhstil in verschiedenen Größen für Kunden zum Anprobieren vorrätig hat. Aber Patienten, die orthopädische Implantate benötigen, können nicht in ein Geschäft gehen, um verschiedene Implantate anzuprobieren. Das Geschäft (oder eine vorher festgelegte Teilmenge davon) muss zum Patienten in den Operationssaal des Krankenhauses kommen. Chirurgen haben eine Vorstellung davon, welche Implantatgröße ein Patient benötigen wird, bevor die Operation stattfindet, aber sie haben oft mehrere Optionen im Operationssaal verfügbar, damit sie die beste Passform zum Zeitpunkt der Operation wählen können, oder Duplikate für den Fall, dass ein Implantat kontaminiert wird. Dann wird ungenutzter Bestand zurückgeschickt, und der verbrauchte Bestand wird aufgefüllt. „Dieser Bestand bewegt sich ständig und unterstützt Operationen, oder er lagert vielleicht in einem Krankenhaus, wenn es ein Krankenhaus mit hohem Volumen ist“, sagt er. Mindestens 50 % des Herstellers Bestands befindet sich zu jedem Zeitpunkt entweder in einem Krankenhaus oder im Transport. „Damit orthopädische Hersteller Kunden hinzufügen können, müssen sie oft diesen Bestands-Fußabdruck hinzufügen, um diese Kunden zu bedienen“, fährt er fort.

Die Herausforderungen der Fertigung von Teilefamilien machen das Bestandsmanagement noch komplexer. „Es gibt Mindestbestellmengen, die mit der Fertigung verbunden sind und weitgehend durch Maschinenrüstzeiten getrieben werden“, sagt Anderson. „Nehmen wir an, Sie brauchen acht Stunden, um eine Maschine für einen SKU einzurichten. Sie möchten so viele dieser Teile wie möglich laufen lassen, damit Sie einen anständigen Stückkosten erhalten, bevor Sie die Maschine abbauen.“ Aber bestimmte SKUs werden häufiger verwendet als andere. Für Größen, die an den größeren und kleineren Enden der Glockenkurve der menschlichen Größen liegen, wenn ein Hersteller „20 oder 50 eines einzelnen SKU herstellt, könnte das fünf bis zehn Jahre Bestandswert sein“, erklärt er. „Das wird einfach liegen bleiben.“

Beginnend mit Standardisierung

Eine Möglichkeit, wie Mach Medical diese Herausforderungen angeht, ist die Standardisierung von Produktionsprozessen so weit wie möglich. Zum Beispiel statt verschiedener Gussformen für verschiedene Implantate und Größen zu beschaffen, beginnt das Unternehmen mit einer generischeren Gussform für jeden Implantattyp. „Es gibt praktisch keine Werkzeugentwicklung, und es ist einfach vom Regal“, sagt Rozow. Zwar könnte dies bedeuten, dass Implantate mehr Zeit auf der Maschine verbringen und mehr Material entfernt werden muss als bei einer stärker angepassten Gussform, aber die Flexibilität ist den Kompromiss wert. „Wenn es eine Designänderung gibt oder der Kunde Dinge hier und da anpassen möchte, ist es normalerweise eine ziemlich einfache Programmänderung“, fährt er fort. „Um das zu ermöglichen, müssen wir keine Werkzeugänderungen vornehmen, wo die größeren Kosten anfallen.“ Er fügt hinzu, dass Mach Medical, wenn Kunden die Implantatproduktion hochskalieren, auf eine kundenspezifische Gussform umschalten kann, die effizienter zu bearbeiten und kosteneffektiver ist.

Genau so, wie Mach Medical den Bestand an Endprodukten für seine Kunden reduzieren möchte, arbeitet es auch daran, seinen eigenen Bestand an Gussformen und anderen Rohmaterialien schlank zu halten. „Wir neigen dazu, ziemlich niedrige Bestände an diesen zu halten und haben Vereinbarungen mit diesen Unternehmen, um diese auf einer ziemlich engen, JIT-ähnlichen Basis zu uns fließen zu lassen“, sagt Rozow. Seine Anlage in Columbia City, Indiana, ist nah genug an seinen Rohmaterial- und Gusslieferanten, dass sie „Milchläufe“ zweimal pro Woche machen können, um das Material abzuliefern, das Mach Medical für ein paar Tage braucht.

Das Rohmaterial durchläuft einen initialen Produktionsprozess. Rozow sagt, dies umfasst typischerweise zwei Bearbeitungsprozesse, Inspektion, Reinigung und Beschichtung (die bei Sites Medical, Mach Medicals ortsansässigem Schwesterunternehmen, stattfindet). An diesem Punkt beginnt das orthopädische Implantat, Form anzunehmen, ist aber noch unvollständig. Ab diesem Punkt kann das Unternehmen die Teile in mehrere SKUs umwandeln, wie verschiedene Größen oder rechte und linke Versionen. Dann, wenn Kunden Bestellungen aufgeben, vervollständigt Mach Medical die Implantate durch finale Bearbeitungsoperationen, bei denen sie auf die korrekte Größe und Form geschnitten werden, einen Reinigungsprozess, Inspektion, Veredelungsprozesse und dann eine finale Reinigung.

Dieses „Flex-Lot-Sizing“-System gibt Mach Medical das Beste aus beiden Welten: Volumina, die Guss und Wärmebehandlung kosteneffektiver machen, sowie Flexibilität, um Bestellvolumina von nur einem Teil zu handhaben. Es verkürzt auch die Lieferzeiten für Kunden drastisch, von 20 Wochen auf drei. Rozow sagt, Flex-Lot-Sizing und kürzere Lieferzeiten ermöglichen es Mach Medicals Kunden, ihren Lagerbestand zu reduzieren. „Sie können in einem kürzeren Zyklus nachfüllen, und sie müssen diese Ausreißer nicht so oft bestellen“, erklärt er.

Automatisierung des Einzelstück-Workflows

Da Mach Medicals Strategie darauf beruht, Teile schnell an Kunden zu liefern, sind Automatisierung und Lights-Out-Bearbeitung entscheidend. Jedes Automatisierungssystem, das das Unternehmen implementiert, muss jedoch in der Lage sein, die Produktion kleinerer Chargen von Teilen zu bewältigen, um weder Kunden (noch sich selbst) mit Bestand zu überfordern. „Wir können eine wirtschaftliche Losgröße von 20 oder 50 Femuren einrichten, die alle derselbe SKU sind, und das den ganzen Tag automatisieren. Das ist ziemlich geradlinig“, sagt Rozow. „Aber wenn Sie mit einem SKU X, fünf SKU Y und drei SKU Y laden, da kommt der hinter den Kulissen liegende Softwarevorteil von Flexxbotics ins Spiel, weil er Einzelstückfluss ermöglicht.“

Mach Medicals Flexxbotics-Zelle automatisiert die initiale Verarbeitung der teilweise fertigen Implantate in Endprodukte – finale Bearbeitung, Inspektion und ein Reinigungsprozess. Angesichts der variierenden und potenziell kleinen Losgrößen von Mach Medical brauchte das Unternehmen die Gewissheit, dass die Zelle das richtige Teil greift und die entsprechenden Programme für dieses Teil lädt. „Wir müssen verhindern, dass unsere Maschine und das KMG abstürzen“, sagt Rozow. Flexxbotics bietet eine Plattform, die es allen Komponenten der Zelle ermöglicht, miteinander zu kommunizieren, einschließlich eines Vision-Systems. Ein Universal Robots Cobot greift ein Teil von einem Stapelregal und bringt es zum Vision-System, das über einen Code auf dem Teil bestätigt, dass das Werkzeugmaschine die richtigen Werkzeuge und das Programm hat. Nach der Bearbeitung auf einer Okuma 5-Achsen-Maschine bringt der Roboter das Teil zu einer Ultraschallreinigungsstation für die In-Prozess-Reinigung. Dann bringt der Roboter das Teil zurück zum Vision-System, das den Dorn verwendet, um das Teil zu bestätigen, bevor es zum KMG zur Inspektion bewegt wird. Wenn das KMG eine Nichtkonformität feststellt, bewegt es dieses Teil zu einem von sechs Plätzen auf einem Stapelregal, das für nichtkonforme Teile reserviert ist. Wenn sich dieser Bereich füllt, fährt die Zelle herunter und benachrichtigt einen Bediener. Sechs Plätze für nichtkonforme Teile mögen nicht viel erscheinen, aber Rozow sieht dies tatsächlich als Überdimensionierung an, da die Nichtkonformitätsrate des Unternehmens unter 1 % liegt.

Trotz der großen Vielfalt an SKUs, die über die Zelle laufen, hat Mach Medical andere Komponenten in der Zelle standardisiert. „Der Roboter ist ziemlich agnostisch gegenüber allem, was wir da reinbringen, wegen der standardisierten Werkzeugaufnahme“, sagt Rozow. Die Teile werden auf Spannvorrichtungen mit einer gemeinsamen Schnittstelle gehalten, die der Roboter verwendet, um sie durch die Zelle zu bewegen.

Standardisierung erstreckt sich auch auf Schneidwerkzeuge, obwohl Rozow sagt, dass dies kniffliger ist. Das Unternehmen beginnt mit einem standardisierten Werkzeugpaket für die Werkzeugmaschine, muss aber gelegentlich spezialisiertes Werkzeug für komplexe Merkmale hinzufügen. Da Werkzeugtechnik ein solcher Kostentreiber ist, arbeitet Mach Medical kontinuierlich daran, die Werkzeugstandzeit zu optimieren. Es verwendet Pareto-Analyse auf manuell gesammelten Werkzeugstandzeitdaten, um die nächste Priorität für die Optimierung zu bestimmen. Flexxbotics erhöht auch die Werkzeugstandzeit, hält die Teilequalität konsistent und reduziert Ausschuss, indem es die geschlossene Regelung von Schnittparametern basierend auf Inspektionsdaten vom KMG ermöglicht. „Wenn wir Werkzeugverschleiß haben oder so etwas, wird das in Echtzeit angepasst“, sagt er.

Mach Medical arbeitet noch daran, seinen Prozess zu beweisen und zu stabilisieren, bevor es die unbeaufsichtigte Bearbeitung ausweitet. Momentan ist die Zelle so eingerichtet, dass sie 36 Stunden läuft, aber das Unternehmen plant, ein größeres Regalsystem einzurichten, das es ermöglichen wird, längere Strecken zu laufen. „Das andere, was wir tun werden, ist, wir werden eine weitere Maschine hinzufügen“, sagt Rozow. „Sobald wir dieses Vertrauen haben, schieben wir eine Maschine rüber.“ Eine dritte Maschine könnte in Zukunft auch zur Zelle hinzugefügt werden. Das Unternehmen plant auch, Automatisierung in weiteren vorgelagerten Prozessen zu implementieren, wie der Produktion teilweise fertiger Implantate.

Nicht nur ermöglicht diese Zelle Flex-Lot-Sizing, sondern sie hilft Mach Medical auch, enge Toleranzen wiederholbar zu halten. Laut Rozow erlauben Kunden generell eine 1-mm-Toleranz, aber das Unternehmen nutzt weniger als 25 % davon. Er glaubt, das Unternehmen liegt wahrscheinlich lediglich vor der Kurve mit diesen Toleranzen, und da Chirurgen von manueller auf präzisere und konsistentere robotergestützte Knochenpräparation umsteigen, werden die Toleranzen für Implantate enger werden müssen.

Schultern, Knie und Zehen

Mach Medical konzentriert sich zunächst auf Knie- und Knöchelimplantate, plant aber, dieses Produktionsmodell auf andere Implantattypen auszuweiten, wie Hüften, Wirbelsäulenkomponenten oder sogar Tibias, die Rozow zufolge in noch mehr Varianten als andere Implantattypen kommen und wahrscheinlich extrem geringe Mengen oder Einzelstückbestellungen erfordern würden.

Die Flexxbotics-Zelle ist ein Schritt in Richtung Mach Medicals ultimativem Ziel, ein Just-in-Time-Produktionsmodell für orthopädische Implantate zu schaffen. „Wir können eine Bestellung annehmen und sie innerhalb von drei Wochen liefern. Nun, das liegt normalerweise innerhalb des Operationsplanungsfensters für einen Patienten“, weist Anderson darauf hin. Weitere Fortschritte in der präoperativen Planungssoftware würden es Ärzten oder Arztassistenten ermöglichen, zu bestimmen, welche Implantatgrößen der Patient wahrscheinlich benötigen wird, damit Mach Medical diese Teile fertigen und rechtzeitig zur Operation an das Krankenhaus liefern kann. Selbst wenn der Hersteller mehrere Implantate versendet (verschiedene Größenoptionen oder Duplikate für den Fall von Kontamination), glaubt Anderson, dass dies Implantatunternehmen ermöglichen könnte, ihre Bestände um 85 % zu reduzieren. „Das sind hunderte Millionen Dollar pro Jahr an Einsparungen“, sagt er.