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Automatisierung Werkzeuge fertigen – aber schnell

Ein Gastbeitrag von Wolfgang Klingauf*

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Als Hersteller von chirurgischen Instrumenten und Implantaten fertigt Aesculap die Werkzeuge für die eigene Produktion selbst, ebenso die Prototypen. Immer wichtiger dafür: die CAM-Programmierung, damit sich komplexe Prozessabläufe standardisieren und automatisieren lassen.

Knieimplantate von groß bis klein: 
Mit Hypermill sind alle Größen von gedruckten Implantaten sicher nachzubearbeiten.
Knieimplantate von groß bis klein: 
Mit Hypermill sind alle Größen von gedruckten Implantaten sicher nachzubearbeiten.
(Bild: Open Mind)

In einer eigenen Abteilung für den Prototypenbau nehmen so gut wie alle Produktneuentwicklungen der Aesculap AG für erste Tests Gestalt an. Ebenfalls im Tuttlinger Stammwerk angesiedelt ist der Werkzeugbau. Hier entstehen Spritzguss- und Schmiedewerkzeuge, Tiefziehgesenke, Spannvorrichtungen und zerspanende Sonderwerkzeuge. Dem Fortschritt bei der Fräsbearbeitung kam die Software allerdings nicht mehr hinterher. Als ein 5-Achs-Zentrum angeschafft wurde, musste die Erstellung der NC-Programme zunächst ausgelagert werden, erinnert sich Frank Fedtke, einer der Verantwortlichen im Team Prototypenbau und mit 40 Jahren Betriebszugehörigkeit einer der Pioniere der CAM-Programmierung bei Aesculap. „Auch als unser damaliges CAM-System erste 5-Achs-Strategien anbot, waren die Berechnungszeiten viele Stunden lang und die Ergebnisse unsicher.“

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Nachdem Fedtke über einige Jahre hinweg die 5-Achs-Programmierung verschiedener Software verglichen hatte, entschloss sich Aesculap 2013, im Prototypenbau das CAM-System Hypermill von der Open Mind Tech­nologies AG zu testen. Positiv fiel u. a. auf, dass die übersichtliche Bedienoberfläche den in der 5-Achs- Programmierung noch ungeübten Anwendern sehr entgegenkam.

Einer Teststellung folgte der Kauf zweier Lizenzen, die sich nach nur einem Jahr amortisiert hatten, bevor weitere Lizenzen geordert wurden. „Wir produzieren nahezu jede Neuentwicklung zunächst als Einzelteil oder Kleinserie“, erklärt Fedtke. „Das sind chirurgische Elemente, aber auch Gehäuse, Motoren und andere Komponenten für unsere Power Systems, also unsere elek­trisch angetriebenen Werkzeuge.“ Auch für Sonderimplantate für Knie, Hüften oder Wirbelsäulen ist der Prototypenbau zuständig. Diese werden fast immer im 3D-Druck erzeugt und dann zerspanend nachbearbeitet.

Zu den im Prototypenbau meistgenutzten Bearbeitungsstrategien zählt CAM-Fachmann Fedtke das „5-Achs-äquidistante Schlichten“, mit dem sich steile und flache Bereiche in einem Schritt bearbeiten lassen. Das Ergebnis sind sanfte und ruckfreie Übergänge zwischen einzelnen Werkzeugbahnen, wodurch bestmögliche Oberflächen entstehen. „Überhaupt sind die mit Hypermill erzeugten Oberflächenstrukturen in den meisten Fällen homogener als mit anderen mir bekannten CAM-Systemen“, betont Fedtke. Daraus resultieren kürzere Nachbearbeitungszeiten, was besonders wichtig bei Implantaten ist, da an diese sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Für die Endoberfläche einer Knieprothese z. B. ist eine Güte von Ra = 0,05 µm vorgeschrieben.

Für die Bearbeitung eines Knie-Sonderimplantates nutzen die Prototypenbauer auch gerne das „tangentiale Schlichten“ aus dem Hypermill-Maxx-Machining-Paket. „Durch den Einsatz eines konischen Tonnenfräsers sparen wir uns Zeit und erreichen zudem viel einfacher die geforderte Parallelität der Innenflächen der Oberschenkelkomponente“, erklärt Fedtke.

Ideales Einsatzfeld bei Aesculap: der Werkzeugbau

Nach den ersten Erfahrungen aus dem Prototypenbau wechselte der Werkzeugbau ebenfalls. Fedtke bestätigt: „Wir können damit bemerkenswerte Einsparungen beim Programmieren, aber auch bei den Berechnungszeiten und letztendlich in der Zerspanung erreichen.“ Ein Beispiel hierfür sind die Tiefziehwerkzeuge für sogenannte Sterilcontainer. Das sind Boxen, in denen sowohl das Implantat als auch alle für eine medizinische Operation benötigten Werkzeuge in sterilem Zustand ausgeliefert werden. Werkzeugbauleiter Hans Keller erklärt: „Diese Container sind sehr gefragte Produkte. Für die Tiefziehwerkzeuge haben wir in eineinhalb Jahren rund 37 Tonnen Material verarbeitet.“ CAM-Spezialist Fedtke ergänzt: „Früher stellte uns die Programmierung der fünfachsig-simultanen Fräsbahnen in den tiefen Kavitäten vor erhebliche Probleme, zumal eine hohe Oberflächengüte erforderlich ist. Die Berechnungszeiten lagen bei mehr als zwölf Stunden, und wir mussten bangen, ob die Berechnung ohne Abbruch durchläuft. Dank Hypermill dauert es jetzt nur noch achteinhalb Stunden, bis am Ende ein prozesssicheres NC-Programm steht.“

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Automatisierte Produktion von Schmiedegesenken

Die jüngste Investition betrifft das Hypermill Automation Center, mit dem sich komplexe Prozessabläufe standardisieren und automatisieren lassen. Es setzt auf der Feature- und Makro-Technologie auf, geht aber in seinen Automatisierungsmöglichkeiten weit darüber hinaus. Der Anlass für die automatisierte Programmierung: Von Aesculap gibt es ungefähr 200 verschiedene Standard-Hüftprothesen, die sich vorwiegend in ihrer Größe und geometrischen Details unterscheiden. Für deren Herstellung werden eine Vielzahl Schmiedegesenke benötigt: für die rechte und linke Hüfte, jeweils ein Ober- und ein Untergesenk (als Vor- und Fertiggesenk sowie zum Nachpressen).

Diese fertigten die Werkzeugbauer bis vor kurzem auf einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum mit einem Zweifach-Wechseltisch. Um mannarme Nacht- und Wochenendschichten zu nutzen, ergänzten sie die Maschine mit einem automatisierten, sechs Paletten umfassenden Be- und Entladesystem. Außerdem wählten sie für eine noch effizientere Zerspanung neue Werkzeuge. Die Konsequenz: Es mussten insgesamt 1.800 Fräsprogramme neu geschrieben werden. Von Hand wären dafür rund zwei Stunden pro Programm erforderlich geworden, was einen gesamten Programmieraufwand von 3.600 Stunden bedeutet hätte.

Auch das Programmieren lässt sich automatisieren

„Das muss schneller gehen“, dachten sich die Werkzeugbauer und nahmen Kontakt zu den CAM-Spezialisten von Open Mind auf. Sie vereinbarten ein gemeinsames Projekt, bei dem sie für die Neuprogrammierung der Schmiedegesenke die Dienstleistung der Automatisierungsexperten des Herstellers in Anspruch nehmen wollten. Michael Greisinger, Automatisierungs- und Anwendungsspezialist bei Open Mind, leitete das Projekt: „Das Hypermill Automation Center baut auf unserem CAM-System und der dazugehörenden CAD-Software Hyper-CAD-S auf. Es bietet eine Technologie, die weit über die Automatisierung von Standard-Geometrie-Features hinausgeht. Die Ausprägung der CAD-Modelle spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Das Hauptaugenmerk liegt auf den Elementen, die ein CAD-Modell enthalten kann. Mit einer Vielzahl an Vorlagefunktionen können erfahrene Hypermill-Anwender die einzelnen Prozessschritte festlegen. Damit lassen sich auch komplexe Prozesse definieren und standardisieren.“

Seine Empfehlung: „Die Automatisierung des Programmierprozesses lohnt sich immer dann, wenn Teilefamilien zu zerspanen sind. Es sollten im Grundsatz mehrere ähnliche Bauteile zu programmieren sein, die sich in ihrer Größe, aber auch in der Anzahl und Form der zu bearbeitenden Flächen, Bohrungen, Gewinde etc. unterscheiden.“ In der Automatisierungsumgebung kann der Anwender festlegen, welche Operation er für eine bestimmte Geometrie nutzen will – z. B. äquidistantes Schlichten oder eine andere Strategie; er kann sogar festlegen, wie das Rohteil positioniert und gespannt wird. Greisinger fasst zusammen: „Unsere Automatisierungsumgebung kann auf sämtliche Hyper-CAD-S-Befehle und Hypermill-Befehle zugreifen und diese benutzerdefiniert anpassen. Im Prinzip ist es so, dass man damit alles, was sich klicken lässt, auch automatisieren kann.“

Programmierzeit von zwei Stunden auf zwölf Minuten reduziert

Von Aesculap-Seite ins Projekt involviert war Anwendungstechniker Thilo Hagen. Das Ergebnis hat ihn restlos überzeugt: „Mit dem Hypermill Automation Center haben wir es geschafft, die Programmierzeit auf zwölf Minuten zu reduzieren. Wer es gewohnt ist, mit Hyper-CAD-S und Hypermill zu arbeiten, tut sich auch mit dem Automation Center nicht schwer. In einem dreitägigen Workshop vor Ort habe ich den Umgang damit an eigenen Projekten erlernt und konnte dann die erarbeiteten Skripts sofort produktiv nutzen. Und der Effekt ist super. Der gesamte Arbeitsablauf ist gespeichert und lässt sich auf künftige Bauteile anwenden. Vom Laden der STEP-Datei bis hin zum fertigen NC-Programm läuft alles in Sekundenschnelle vollautomatisch ab.“

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* Der Autor: Wolfgang Klingauf ist freier Journalist bei K+K PR.

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