France

Flexible Fertigungszelle für die Implantate-Produktion

Redakteur: Matthias Böhm

Die Startech Engineering AG ist ein Senkrechtstarter in der Medizintechnik. Seit September 2015 ist das Unternehmen zertifiziert, um Implantate zu entwickeln, zu produzieren und direkt in Spitäler zu liefern. Die Bearbeitung von Titan­legierungen und Chrom-Kobalt-Molybdän-Stählen, noch dazu mannlos und 5-achs-simultan, ist eine Herausforderung. Ein OKK-Vertikalbearbeitungszentrum inklusive Roboterhandling bringt die perfekte Umsetzung.

Anbieter zum Thema

Detailansicht auf Spannvorrichtung und Werkstück. Allein die Spannvorrichtung muss mit erheblichem Aufwand gefertigt werden.
Detailansicht auf Spannvorrichtung und Werkstück. Allein die Spannvorrichtung muss mit erheblichem Aufwand gefertigt werden.
(Bild: Matthias Böhm)

1998 gründete Peter Stalder gemeinsam mit seiner Frau das Fertigungsunternehmen Startech Engineering AG. Ursprünglich kommt P. Stalder aus der Präzisionsmechanik, verfügt darüber hinaus über eine Flugzeugmechaniker-Lizenz.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 12 Bildern

Gesetzt wird seit Bestehen des Unternehmens auf anspruchsvolle bis schwierigste Werkstücke in der Medizintechnik. Hier gibt es kaum gerade Kanten, an denen man sich orientieren könnte.

Konische Gewinde in geschmiedete Rohteile wirbeln

Nicht selten sind die Rohlinge geschmiedete Werkstücke, die auf einer komplexen auf das Rohteil zugeschnittenen 3D-Spannvorrichtung gespannt werden. Konische Gewinde sind fast schon „das Normalste“, was in diese Werkstücke gewirbelt werden muss. Die Größen der Werkstücke, die bei Startech bearbeitet werden, liegen vorwiegend zwischen 30 und 300 mm Kantenlänge.

Neuer Inhaber Hans-Jörg Wyss

Nachdem Peter Stalder das Unternehmen gemeinsam mit seiner Frau in nur wenigen Jahren erfolgreich in Richtung medizintechnischer Produkte entwickelte, investierte Hans-Jörg Wyss (ehemaliger Inhaber Synthes) in das KMU und setzte P. Stalder als CEO ein.

Die Kontakte von H. J. Wyss brachten einen weiteren strategischen Entwicklungsschub in Richtung Medizintechnik. Seit 1. September 2015 ist das Unternehmen dank ISO-13485-Zulassung für Entwicklung, Herstellung und Vertrieb von Implantaten zugelassen.

Investition in neues OKK-Bearbeitungszentrum

Und hier gibt das Unternehmen Vollgas. Allein fünf Mitarbeiter entwickeln und konzipieren neue Implantate sowie medizintechnische Instrumente. Damit in der Produktion die neuen Aufträge effizient abgearbeitet werden können, wurde in ein voll automatisiertes 5-Achs-Simultan-CNC-Vertikal-Bearbeitungszentrum vom Typ OKK VC-X350 investiert, das in der Schweiz von der BWB Werkzeugmaschinen AG vertrieben wird.

P. Stalder: „Wir verfügen mit BWB und OKK über langjährige Kontakte. Ich muss hervorheben, es zählt neben der Qualität und den technologischen Eigenschaften der Werkzeugmaschine als solche auch der Service und die technologische Betreuung. Sowohl mit den OKK-Maschinen als auch mit dem Service der BWB AG haben wir über die letzten Jahre durchweg gute bis sehr gute Erfahrungen gemacht. Das macht es uns leichter, eine klare Linie zu fahren.“

Drei Maschinen wurden evaluiert

Das heisst aber noch nicht, dass die Investition in eine OKK-Werkzeugmaschine ein Selbstläufer ist, wie P. Stalder betont: „Bei einer geplanten Neuinvestition nehmen wir grundsätzlich immer mehrere WZM-Lösungen in die Evaluation auf. Maßgebend ist das Gesamtpaket, über das wir entscheiden. Wir haben in diesem Fall drei Hersteller evaluiert. Ich muss aber betonen, wir haben bereits einige OKK-Maschinen in der Produktion. Wir kennen die Maschinen als auch die Steuerungen sehr gut und sind hoch zufrieden mit den WZM als auch dem Service. Daher hatte OKK – trotz der hohen Kosten – sicher Vorteile, sie ist qualitativ hervorragend. Noch dazu konnte die BWB AG für uns eine automatisierte Gesamtlösung entwickeln. Die Möglichkeit, dass wir zweischichtig, davon eine Schicht mannlos, fertigen können, ist für eine effiziente Produktion unabdingbar und entscheidend für unsere zukünftige Entwicklung. Mannlose Fertigung ist allerdings in dem Bereich, in dem wir tätig sind, alles andere als ein Kinderspiel. Stichwörter sind schwierigste Werkstoffe, komplexe Geometrien, anspruchsvolle Toleranzen und Oberflächen, hoher Werkzeugverschleiß usw. Bei solchen Bedingungen muss alles perfekt aufeinander abgestimmt sein.“

Schnittstelle Werkzeugmaschine Roboterzelle

D. Bührer: „Für Startech war entscheidend, dass trotz des schwierigen Werkstückspektrums eine Schicht mannlos gefahren werden kann. Aufgrund der wechselnden Serien und zum Teil Kleinserien setzten wir auf eine Erowa-Palettenlösung inklusive Werkstück-Speicher. Zur Automationslösung muss ich sagen, dass wir auf den Robotik-Systemintegrator Robofact gesetzt haben. Im Rahmen eines Joint Ventures haben wir gemeinsam die Schnittstellen zwischen WZM und Automationszelle definiert, unter aktiver Unterstützung von OKK Europa. Nachdem die Schnittstellen festgelegt wurden, ist der maschinenseitige Teil von uns und das Automations-Modul inklusive Palettisierung von Robofact konzipiert worden.“

Weiter auf der nächsten Seite

Bereits drei OKK-Fertigungszellen im Markt

Bei der Fertigungslösung handelt es sich um eine voll automatisierte Fertigungszelle mit Knickarmroboter (Fanuc M-20iA), der Zugriff auf 48 Palettenplätze für den Typ Erowa IT148 hat. Der Bauteildurchmesser für diese Palettenlösung beträgt maximal 300 mm, die Bauteilhöhe inklusive Palette 200 mm, bei einem maximalen Gewicht von 25 kg.

Auf die Frage, wie prozesssicher eine solche Anlage sei, antwortet D. Bührer: „Wir haben bereits drei ähnlich konfigurierte Anlagen im Markt. Die laufen seit Jahren einwandfrei. Mit der OKK-Fertigungszelle bei Startech sammeln wir weitere Erfahrungen.“

Warmlaufphase verlängert Spindellaufzeit

P. Stalder sagt zur neuen OKK-Fertigungslösung: „Die OKK-Fertigungszelle ist speziell auf unsere Bedürfnisse zugeschnitten. Mir ist in diesem Zusammenhang positiv aufgefallen, dass wir von sehr kompetenten Technikern auf beiden Seiten – BWB als auch Robofact – beraten wurden. Der gesamte Prozess von der Evaluation bis hin zur Realisation verlief einwandfrei. Wir haben die Anlage bereits seit einigen Wochen in Betrieb genommen, die ersten Erfahrungen waren ausgezeichnet. Die Präzision stimmt, der Wärmegang ist sehr gering. Zur Lebenszeitverlängerung der Spindel setze ich auf eine Warmlaufphase unserer Maschinen, die aus meiner Sicht für die Lebenserwartung der Spindel nicht unwichtig ist.“

Thermosymmetrischer Aufbau – Wärmekompensation

D. Bührer: „Bezüglich Wärmestabilität ist zu sagen, dass die Maschine neben einem thermosymmetrischen Aufbau zusätzlich über eine automatische Wärmekompensation verfügt. Hier werden die Wärmegänge empirisch ermittelt und über die Steuerung im Alltagsbetrieb kompensiert. Darüber hinaus ist diese OKK mit innengekühlten und doppelt vorgespannten Kugelrollspindeln ausgerüstet. Das sind typische Kennzeichen für WZM im High-End-Segment. Darüber hinaus setzt OKK, wie einige weitere japanische WZM-Hersteller, auf Meehanite-Guss, der speziell für Hochpräzisionsanwendungen Vorteile aufweist. Faktoren, die für die Langzeitpräzision, Steifigkeit der Konstruktion und einen schwingungsfreien Fertigungsprozess vorteilhaft sind.“

Schwierigste Kobalt-Chrom-­Molybdän-Legierungen

Produktionsleiter Beat Fürholz sagt, warum eine steife Maschinenauslegung so entscheidend für sie ist: „Gegenüber den Werkstücken aus Kobalt-Chrom-Molybdän-­Legierung lässt sich Titan fast wie Butter zerspanen. Titan ist heute dank spezifisch entwickelter Fertigungsverfahren für uns relativ einfach zu zerspanen. Pulvermetallurgisch hergestellte Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen sind dagegen hochzäh und von der Festigkeit her wesentlich höher als Titan und sind massiv schwieriger zu zerspanen. Die Stärken dieser Legierungen liegen in der sehr hohen Streckgrenze und der völligen Unbedenklichkeit als Implantatwerkstoffe. Wir müssen allerdings mit den Zerspanungsparametern massiv runterfahren. Der Werkzeugverschleiß ist erheblich, umso mehr kommt es auf eine kompromisslose und qualitativ hochwertige Werkzeugmaschinenlösung an. Wenn bei solchen Werkstoffen noch unerwünschte Schwingungen hinzukommen würden, geht das erstens zu Lasten der Qualität und zweitens erhöht es den Werkzeugverschleiß. Kritisch würde es dann, wenn die Prozesssicherheit leiden würde. Da die OKK-­Maschine, wie Herr Bührer richtig beschrieben hat, eine sehr steife Grundstruktur aufweist und noch dazu doppelt vorgespannte Kugelumlaufspindeln hat, ist sie selbst für solche Anwendungen – auch im Bereich der mannlosen Fertigung – perfekt zugeschnitten für unsere Aufgabenbereiche.“

Weiter auf der nächsten Seite

5-Achs-Simultanbearbeitung zwingend

Darüber hinaus sind die Werkstücke derart komplex, dass in vielen Fällen oft nur mit 5-Achs-Simultan-Bearbeitung akzeptable Ergebnisse erreicht werden können. Dank A-Schwenkachse (–120 bis –30°) und 360°-C-Achse sind mit der OKK selbst komplexeste Geometrien fertigbar. Die maxi­male Werkstückgröße (DxH) liegt bei 400 x 240 mm.

B. Fürholz sagt über das Werkstückspektrum: „Ich würde es so sagen, unsere Teile sind nicht gerade einfach herzustellen, es gibt fast keine einfachen Werkstücke. Und die Prototypen haben es wirklich in sich. Das fängt in der komplexen Entwicklung an und geht über in anspruchsvollste CAM-Strategien. Wenn unsere Prototypen dann in Serie gehen, geht es hoch bis zu einer 8000er-Losgröße. Dann kommt es bei der Automation auf höchste Prozesssicherheit an, das ist ein enorm anspruchsvoller Prozess. Unsere jüngste OKK-Lösung ist sowohl für den Prototypenbau, die Klein- als auch Großserie perfekt zugeschnitten. Gesteuert werden die Aufträge und CNC-Programme der OKK über die Robotersteuerung, sie übernimmt den Lead des flexiblen Fertigungssystems. Damit eine mannlose zweite Schicht gefahren werden kann, ist sowohl ein großer Werkstückspeicher (60 Plätze) als auch ein ausreichender Werkzeugspeicher (inklusive Schwesterwerkzeuge) sowie automatische Werkstück- und Werkzeugvermessung sowie Werkzeugbrucherkennung zwingend Voraussetzung. Zum Werkstückvermessen wird ein Renishaw-Messsystem zur Nullpunktbestimmung eingesetzt. Hier hat die BWB AG ausgezeichnete Arbeit geleistet aus meiner Sicht.“

Hohe Maschinendynamik entscheidend

Aber auch die Dynamik spielt eine Rolle, wie B. Fürholz gegenüber dem SMM sagt: „Entscheidend für uns ist eine hohe Maschinendynamik, weil wir viel abzeilen müssen. Darüber hinaus benötigen wir auf unser Werkstückspektrum zugeschnittene CAM-Programmiersysteme, mit denen sehr komplexe, aber auch sehr kleine 3D-Partien effizient programmiert und gefertigt werden können. Aktuell nutzen wir ein CAM-System, mit dem wir eine sehr gute Oberflächenqualität erzielen können.“

Doch das beste CAM-System nutzt nichts, wenn die Daten nicht perfekt umgesetzt werden, genau hierfür sorgt die OKK VC-X350. Die 12 000er-Spindel ist mit Kaiser-„Big-Plus-Schnittstelle“ (BT40) konfiguriert, das heisst konkret: Steilkegel mit Planauflage, der eine hochsteife und exakte Positionierung, auch in Z-Richtung, der Werkzeugschnittstelle bringt. Mit einer Leistung von 22 kW (30 min), einem Drehmoment von 166 Nm verfügte die OKK über genügend Leistungsreserven. Da Startech maximal 16 mm Durchmesser messende Fräswerkzeuge einsetzt, ist das Drehmoment perfekt ausgelegt. Die hohe Dynamik der Maschine wird für perfekte Oberflächen voll ausgereizt.

Langfristig Prozesssicherheit im Zentrum

Aber: Generell wird bei Startech nicht an die Leistungsgrenzen von Maschine und Werkzeug gegangen, wie Fürholz betont: „Wir setzen langfristig auf Prozesssicherheit. Das heißt, wir gehen eher auf mittelhohe Belastungen des OKK-Bearbeitungszentrums. Das zahlt sich aus in der Lang­lebigkeit unserer Werkzeugmaschinen und in der langfristigen Präzision, was sich letztlich auch in der Wirtschaftlichkeit der Fertigungslösung und auf die Produktqualität unserer medizintechnischen Werkstücke positiv auswirkt.“ Auf die Frage, ob sie im Nachhinein etwas anders gemacht hätten an der OKK-Fertigungslösung, antwortete P. Stalder: „Aus aktueller Sicht haben alle Beteiligten genau das Richtige gemacht und entschieden. Die Komplett-Lösung dieser flexiblen OKK-Fertigungszelle ist perfekt auf unser Werkstückspektrum und unsere Ansprüche zugeschnitten.“

Dieser Artikel ist erschienen auf www.maschinenmarkt.ch.

(ID:43770286)