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Robotergestützte Fräs-Zelle von System 3R fertigt flexibel Instrumententeile

: System 3R


Immer kleinere Losgrößen und steigende Flexibilität sind auch in der Medizintechnik gefordert. Für Tontarra, Hersteller von chirurgischen Instrumenten, konzipierte der Automatisierungsspezialist System 3R eine Flexible Fertigungszelle und reduzierte so die Lieferzeiten.

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Der Fanuc Roboter vor der Palettenstation. Er hat eine Tragkraft von 50 kg. (Bild: System 3R)

Der Fanuc Roboter vor der Palettenstation. Er hat eine Tragkraft von 50 kg....

Ob bei Bandscheibenoperationen oder der Minimal Invasiven Chirurgie, auch Schlüssellochchirurgie genannt – die Anforderungen an die Qualität und Handhabung der chirurgischen Instrumente, die bei solchen Operationen zum Einsatz kommen, sind extrem hoch.

Seit mehr als 45 Jahren entwickelt und fertigt die Tontarra Medizintechnik GmbH, mit Sitz im schwäbischen Wurmlingen (D), medizinische Instrumente, die vor allem in der Knochen- und Bandscheibenchirurgie benötigt und von Chirurgen in aller Welt geschätzt werden. Dazu gehören etwa Knorpelstanzen für Eingriffe an Bandscheibenknorpeln und Bandscheibenzangen für das feine Gewebe an den Bandscheiben.

„Ein Alleinstellungsmerkmal ist dabei die von uns entwickelte Wellenform der Trennebenen“, berichtet Thorsten Ahrens, Produktmanager bei Tontarra. Durch diese Wellenform können an den so genannten „Cleanwave“-Instrumenten Verunreinigungen auf den Gleitebenen der Schäfte leichter erkannt und beseitigt werden. Ein weiterer Vorteil der Instrumente ist eine deutlich verminderte Reibung der Funktionsteile. Dies erlaubt ein sehr kontrolliertes und gleichmäßiges Arbeiten. Eine weitere Variante „Swing Stanze“ lässt sich zur Reinigung komplett zerlegen, die Einzelteile bleiben dabei jedoch verbunden.

Neben den Instrumenten für Endoskopie und Mikrochirurgie stellt das Unternehmen u. a. Pinzetten, Nadelhalter und Arterienklemmen her. „Um solch ein Entwicklungs- und Fertigungs-Know-how aufzubauen,
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bedarf es nicht nur der beträchtlichen Fertigungstiefe, sondern auch eines breiten Branchenwissen, mit einem engen Kontakt zu den Medizinern jeder Fachrichtung“, unterstreicht Thorsten Ahrens.

Zahlreiche Varianten bedingen kleine Stückzahlen

Die Produktion der Instrumente erfolgt in zahlreichen Varianten: etwa in verschiedenen Griffgrößen mit jeweils verschiedenen Breiten und Längen, mit unterschiedlichen Greifeinrichtungen und –bereichen, nach oben oder nach unten schneidend, mit und ohne Auswerfer, als gerade Variante oder Bajonett-Konstruktion – sowie zur leichteren Unterscheidung in verschiedenen Farben und mit unterschiedlichen Beschriftungen. „Aus diesen vielfältigen Ansprüchen der Kunden ergeben sich mehr als 200 Versionen“, erläutert Product Manager Ahrens. „Daraus erklärt sich die geringe Stückzahl einzelner Produktionsserien – die meist zwischen 30 und 500 Stück umfassen – innerhalb der Fertigung von insgesamt größeren Serien.“

Alle Bauteile, die für die Präzision und Langlebigkeit der Produkte entscheidend sind, werden im eigenen Hause gefertigt – vom Rohmaterial bis zur Endmontage/Endprüfung des fertigen Instruments. Einige Teile werden aus Vollmaterial gefräst, andere Teile aus Schlagware gefertigt, also geschmiedeter Rohware, die zugekauft wird. Zur Verarbeitung kommen fast ausschließlich Edelstahl-Rohlinge. Aus den Einzelteilen werden von Instrumentenmachern in Handarbeit die Präzisionsprodukte montiert, justiert und kontrolliert. „Die kleinen Serien, die
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Bei der Hermle C 20 liegen die Teile lose auf einer Palette und werden vom Roboter, nach einem Greiferwechsel, einzeln in die Maschine eingewechselt. (Bild: System 3R)

Bei der Hermle C 20 liegen die Teile lose auf einer Palette und werden vom Roboter,...

auch mal nur Stückzahl eins umfassen können, erfordern eine extrem hohe Flexibilität in unserer weitgehend automatisierten Teileproduktion. Nur so können wir dem Kundenwunsch nach immer kürzeren Lieferzeiten gerecht werden“, beschreibt Dietmar Knöpfle, verantwortlich für die Frästechnik bei Tontarra Medizintechnik.

Linearzelle als Messkonzept

Das Unternehmen hatte bereits seit einigen Jahren den Workmaster-Roboter des Herstellers System 3R an Hermle-Fräsmaschinen im Einsatz. Zum Ausbau der Fräskapazitäten und der weiteren Fertigungsflexibilisierung stellte sich dann die Frage, einen zweiten Workmaster anzuschaffen oder auf eine neue Lösung umzustellen.

Auf der EMO 2007 entdeckte Thomas Tontarra am Stand von System 3R eine Flexible Fertigungszelle, die System 3R in Zusammenarbeit mit der Schweizer Partnerfirma Robotec entwickelt hatte und aus einem Fanuc-Roboter und drei Fräsmaschinen bestand. Nach intensiven Gesprächen und Überlegungen entschieden sich die Instrumentenspezialisten, den Workmaster durch diese Linear-Zelle zu ersetzen. „Die hohe Flexibilität gab eindeutig den Ausschlag“, hebt Dietmar Knöpfle hervor.

In der Linearzelle be- und entlädt nun ein Fanuc 6-Achs-Roboter M-710iC auf einer acht Meter langen Verfahrachse drei Hermle Bearbeitungszentren (2 x C 600 , 1 x C 20). „Weil die Wechseleinheit hierbei auf Schienen läuft, kann sie eine größere
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Der Roboter be- und entlädt auf einer acht Meter langen Verfahrachse zwei Hermle-Bearbeitungszentren C 600 und ein Hermle C 20 Bearbeitungszentrum. (Bild: Tontarra)

Der Roboter be- und entlädt auf einer acht Meter langen Verfahrachse zwei Hermle-Bearbeitungszentren...

Anzahl Maschinen bedienen. Gleichzeitig bleibt mehr Platz für Magazine und andere Ausrüstung“, beschreibt Moritz Matthes, Produktspezialist Automation bei System 3R, den Vorteil.

Die Rohteile werden in einem Magazin mit einem Fassungsvermögen von 116 Plätzen bereitgestellt. Über den Cellmanager, das Job-Management-System von System 3R, hat das Bedienpersonal Übersicht über die Fertigungslinie. Paletten mit den Rohteilen werden durch eine Ladestation in die Linie eingeschleust. Die beiden C 600-Maschinen belädt der Roboter mit GPS240-Paletten von System 3R, auf denen die Rohteile eingespannt sind. Bei der C 20 liegen die Teile lose auf einer Palette, die vom Roboter auf einer Magazinposition vor der Maschine abgelegt wird. Nach einem Greiferwechsel werden die Rohteile einzeln gegen die fertig bearbeiteten Teile in der Maschine gewechselt. „Das steigert die Flexibilität des Systems nochmals erheblich“, betont Automatisierungsspezialist Matthes.

Für die verschiedenen Rohteile verfügt der Roboter über unterschiedliche Greifzangen. Die C 600 haben jeweils 30 Werkzeuge in der Maschine – die C 20 ebenfalls, aber extern noch ein zusätzliches Magazin, das weitere 70 Werkzeuge umfasst. „30 Werkzeuge waren uns da zu wenig, weil wir für die Teile schon 20 Werkzeuge benötigen und wenn mal eines verschlissen ist oder bricht, ist es gut, Werkzeuge in Reserve zu haben“, erklärt Dietmar Knöpfle.

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Die Tontarra Medizintechnik GmbH entwickelt und produziert mit 90 Mitarbeitern in Wurmlingen (D).

Die Tontarra Medizintechnik GmbH entwickelt und produziert mit 90 Mitarbeitern...

Maschinen können auch einzeln arbeiten

Für diesen Fall bietet System 3R eine weitere, hilfreiche Option – Cutter-Tool-Monitoring. Damit wird bei jedem Wechsel überprüft und dem Bediener angezeigt, ob das Werkzeug noch brauchbar ist. Ist dies nicht der Fall, wird einfach zum nächsten ausführbaren Job gesprungen, bei dem das Werkzeug gerade nicht benötigt wird. „Das stellt sicher, dass z. B. nachts kein Ausschuss produziert wird“, so Knöpfle.

Gegenwärtig sind bei Tontarra drei Maschinen in die Zelle integriert. „Wichtig war uns auch, dass wir die Option haben, bei Bedarf innerhalb kürzester Zeit eine vierte Maschine anschließen zu können“, sagt Dietmar Köpfle. Alternativ kann auch eine Reinigungsanlage für die Paletten noch in die Zelle integriert werden. „Das hängt von der weiteren Auftragsentwicklung ab“, so der Produktionsverantwortliche.

Ebenfalls trägt zur Flexibilität bei, dass alle Maschinen auch in Stand-alone-Betrieb arbeiten können und Aufträge an den einzelnen Maschinen konventionell erledigt werden. Knöpfle: „Wir wollen auf den Maschinen die ganze Bandbreite unserer Produkte fertigen – also alles was aus Rohmaterial beziehungsweise Schmiedeware hergestellt wird.“ Zudem kann das Stand-alone vom Werker zum Einfahren von Teilen verwendet und damit sichergestellt werden, dass die Abläufe passen. Durch Schließen der Flügeltüren
wird die Maschine aus der Zelle abgekoppelt, während die anderen Maschinen normal weiter laufen. Ist alles abgestimmt, wird die Maschine wieder ins Netzwerk eingebunden und die komplette Serie kann automatisiert durchlaufen.

Zellenmanager organisiert Arbeitsablauf

Gesteuert werden sämtliche Prozesse der Zelle von der System-3R-Software WorkShopManager (WSM). Der WSM ist ein integriertes System für die Produktionssteuerung und Automatisierung, auf Grundlage von Codeträger-Technologie. Die Paletten sind mit Chip-Identsystemen ausgestattet, mittels derer die Daten zu jedem Auftrag mit Bearbeitungsabfolge und jeweiligem CNC-Programm zugeordnet werden können. Bei der Identifikation ermittelt die Software Status und Magazinposition des Objekts und entscheidet, in welches Magazin die Palette geladen sowie welches Bearbeitungsprogramm auf die Maschine übertragen und gestartet werden soll. Moritz Matthes: „Damit lassen sich Fehlerquellen sehr sicher ausschließen.“

Der Zellenmanager startet die Maschine, sobald die Arbeit „an der Reihe“ ist. Die Maschine kommuniziert mit dem Roboter und wird dann bedient. Fertig bearbeitete Werkstücke mitsamt Paletten nimmt der Roboter wieder auf und fährt sie in das Regalmagazin. Sie werden zurück in die Beladestation gefahren, sobald der Werker sie anfordert. Zudem werden die Aufträge archiviert und lassen sich dann jederzeit erneut aufrufen. „Somit haben wir stets den kompletten Überblick über das gesamte Magazin. Das ist bei 116 Plätzen und drei Maschinen sehr sinnvoll“, zeigt sich Dietmar Knöpfle zufrieden.

Ein weiterer Vorteil der Lösung ist die Planbarkeit der Laufzeiten über die Software. Der Bediener kann Schätzwerte eingeben, wie lange die generierten Aufträge im Einzelnen laufen und erhält einen Überblick, bis wann die Zelle damit ausgelastet ist. Damit lässt sich dann beispielsweise planen, ob
und wann am Wochenende eine Arbeitskraft vor Ort sein muss, um einen neuen Auftrag einzurichten. „Wir optimieren die Laufzeiten so, dass wir werktags die kleinen Serien fahren und nachts sowie am Wochenende die großen“, erläutert Knöpfle. Kleinserien bedeuten bei Tontarra fünf bis zehn Stück, Großserien bis zu 100 Stück. „Deshalb ist für uns ein flexibles System auch so bedeutsam“, betont er nochmals.

Die Durchlaufzeiten vom Rohteil bis zum Fertigteil betragen dabei im Durchschnitt etwa 30 Minuten. In den Bearbeitungszentren müssen die Rohteile nur einmal eingespannt werden. Damit lassen sich die zwei zusammen gehörenden Teile eines Instruments in einem Programm fertigen. „Das hat den Vorteil, dass die Programme nach einer einmaligen Anpassung relativ sicher durchlaufen“, stellt Knöpfle fest. Heute fährt die Anlage an sieben Tagen pro Woche mit einer Auslastung von 24 Stunden. In einem hausinternen Planungssystem werden die Aufträge in der Regel für zwei bis drei Tage ausgelöst und der Zelle zugeordnet. „Innerhalb dieser Aufträge überlassen wir den zuständigen Bedienern, was sie wann wie fertigen. So können sie selbstverantwortlich planen“, sagt Dietmar Knöpfle.

Die Flexible Zelle, die vor zwei Jahren auf der Messe noch als Idee diskutiert wurde, „erfüllt zwischenzeitlich“, so Produktmanager Thorsten Ahrens, „alle unsere Ansprüche. Die System 3R-Linear-Zelle ist eine einfach zu bedienende Anlage, die stabil läuft und – für uns vor allem wichtig – mit der wir schnell reagieren können und bei Bedarf Wochenend- und Nachtschichten durchführen. Das war früher nicht möglich.“ Daraus resultieren kürzere Lieferzeiten. Um ein Drittel konnten sie bereits reduziert werden und liegen derzeit bei zehn bis zwölf Wochen. Produktmanager Thorsten Ahrens: „Die neue Anlage hat viel dazu beigetragen, dass wir uns hier verbessern konnten. Aber unser Ziel ist es, durch Optimierung des kompletten Gesamtkonzeptes, Lieferzeiten von sechs bis sieben Wochen zu erreichen.“
Der Fanuc Roboter vor der Palettenstation. Er hat eine Tragkraft von 50 kg. (Bild: System 3R)
Bei der Hermle C 20 liegen die Teile lose auf einer Palette und werden vom Roboter, nach einem Greiferwechsel, einzeln in die Maschine eingewechselt. (Bild: System 3R)
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