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Blick durch die Automationsbrille: Gerätedesign für die Serienfertigung

| Autor/ Redakteur: Werner Rosenthal* / Alexander Stark

Nicht nur Optik, Funktionalität oder medizinischer Nutzen sind bei der Entwicklung medizinischer Geräte entscheidend. Unterschätzt werden von Produktdesignern oft zentrale Aspekte der Fertigung. Welche Folgen kann das haben und worauf ist bereits in der Designphase zu achten?

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Schönes Design, angenehme Haptik: Doch beim Design von medizinischen Geräten wie Inhalatoren sollte darüber hinaus die Automationsfähigkeit der Produktion bereits mitberücksichtigt werden.
Schönes Design, angenehme Haptik: Doch beim Design von medizinischen Geräten wie Inhalatoren sollte darüber hinaus die Automationsfähigkeit der Produktion bereits mitberücksichtigt werden.
(Bild: ©beltado - stock.adobe.com)
  • Automatisierte Fertigungsprozesse sind nicht für jedes Produkt geeignet
  • Wachsender Markt für Re-Usables mit steigendem integriertem Elektronikanteil
  • Problemlose Zuführbarkeit von Teilen wird häufig unterschätzt

Ein Inhalationsgerät für Asthmaerkrankungen wurde anfangs händisch montiert. Um höhere Stückzahlen zu bedienen, sollte auf eine automatisierte Produktion umgestellt werden. Doch bei der Planung folgte die böse Überraschung: Das Produkt war vom Design her nicht für den Automationsprozess geeignet. Es musste ein komplett neues Design entwickelt werden, inklusive neuer Werkzeuge, langwieriger Zulassungsprozesse und zusätzlicher Entwicklungskosten.

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Dies ist ein häufiges Problem in der Entwicklungsphase medizinischer Geräte wie Inhalatoren, weiß Lothar Mehren, Head of Medical Division bei PIA Automation: „Berücksichtigung finden im Produktdesign vornehmlich optische, ästhetische und medizinisch relevante Details sowie die Vermarktbarkeit der Produkte. Die spätere Montage wird jedoch leider nicht mitgedacht.“ Oft bedeutet eine vollautomatisierte Fertigung dann einen erheblichen Mehraufwand bei der Zuführung von Bauteilen und bei Fügeprozessen – oder eine kostspielige Neuentwicklung samt zeitaufwändiger neuerlicher Zulassung.

PIA Automation hat langjährige Erfahrung in der Beratung bei Konstruktion und Design, um frühzeitig alle Aspekte des späteren Montageprozesses einzukalkulieren.

Wachsender Markt für Re-Usables

Im medizintechnischen Bereich sieht das Unternehmen zwei Entwicklungen hinsichtlich der automatisierten Fertigung; zum einen die Produktion von Disposables, klassischen Wegwerfartikeln wie Kanülen, Einweg-Pens oder Autoinjektoren, die sehr gut automatisiert und hochvolumig produziert werden können. Daneben wächst der Markt für hochwertigere Re-Usables mit steigendem integriertem Elektronikanteil, wie Insulin-Patch-Pumpen. Bei der Entwicklung von Re-Usables bringt PIA neben dem Konstruktions-Know-how auch Expertise für die automatisierte Fertigung kleinteiliger elektronischer Baugruppen mit.

Dazu gehören die Montage von Kleinstteilen, das Handling von Leiterplatten, Steckern oder ähnlichen Komponenten sowie Prozesse wie Löten und Fügen von kleinsten Bauteilen. Der Automationsspezialist kann dabei sowohl die Großserienproduktion leisten als auch die nötige Infrastruktur für Kleinserien bereitstellen. Gerade im Bereich Medizintechnik und Pharma geht es zunächst um die Zulassung neuer Produkte und damit um die Produktion von technischen und klinischen Mustern. Dies ist bei PIA unkompliziert mit dem Einsatz von Halbautomaten möglich, bevor Produkte nach der Zulassung und bei entsprechender Nachfrage in großer Serie vollautomatisch gefertigt werden.

Worauf bereits in der Konstruktion und beim Design hochwertiger elektronischer medizinischer Geräte zu achten ist, zeigen einige grundsätzliche Aspekte, die in der Montage relevant werden.

Einfache Zuführbarkeit

Es sollte zunächst die einfache Zuführbarkeit der einzelnen Teile berücksichtigt werden. Beispielsweise sollten Zukaufteile wie Federn eng anliegende Windungen am Anfang, in der Mitte und am Ende aufweisen, damit die Federn sich beim Vereinzeln nicht ineinanderschieben beziehungsweise verknäulen können. Ähnliches gilt für Kunststoffteile: Sie dürfen sich im Wendelförderer nicht ineinander verhaken. Darüber hinaus benötigen sie gewisse Orientierungshilfen oder Abfragekanten für eine sichere Zuführung in der vorgegebenen Zykluszeit. Sollten die Teile nicht derartig konzipiert sein, erfordert dies meist teure Transportlösungen, wie eine Tray-Lösung mit einzelnen Kavitäten für die verschiedenen Kunststoffteile oder eine Blisterzuführung. Im Falle der genannten Federn käme z.B. ein Blistergurt zum Einsatz, in dem diese einzeln gesteckt weitergeführt werden. Ein weiterer Aspekt ist die möglichst einfache Montage von Kunststoffteilen. Dazu nötig sind definierte Fügeprozesse. Die Teile sollten Einführschrägen, Orientierungshilfen oder Fasen aufweisen, damit sie sich leichter ineinanderstecken lassen. Auch die geometrische Auslegung der Teile sollte so geplant sein, dass sie bei der Montage gut zusammenpassen. Zu beachten sind darüber hinaus Freiheitsgrade zum Fügen der Kunststoffteile. Je weniger Bewegungsfreiheit die Bauteile haben, d.h. je enger die Toleranzen beim Zusammenbau sind, desto kostspieliger wird die Lösung für die präzise Positionierung zueinander. Die entsprechende Station müsste hochkomplex aufgebaut sein, um Toleranzen im Hundertstel- oder Tausendstel-Bereich erreichen zu können. Da es sich nie um ein einzelnes Kunststoffteil handelt, sondern um mehrere – je nach Gerät und Design –, die aus Spritzgusswerkzeugen mit mehreren Kavitäten stammen und miteinander verbaut werden müssen, summieren sich die einzuhaltenden Toleranzen und lassen kaum Spielraum bei der Montage.

Zudem müssen die Bauteile ihre exakte Position bei der Montage beibehalten, damit sie sich nicht drehen oder herausfallen können. Dazu sollten direkt am Bauteil bestimmte Haltekanten oder Verrastungen angebracht sein. Erleichtert wird die Positionierung, wenn nur eine einzige Einbaulage des Kunststoffteils möglich ist. Dies wird bei PIA nach dem Poka-Yoke-Fehlerminimierungsprinzip schon in der Konstruktion berücksichtigt.

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* Der Autor Werner Rosenthal ist Vertriebsleiter bei PIA Automation Amberg.

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