Taktraten Wie sich hohe Durchsätze in hochpräzisen Fertigungsprozessen erzielen lassen

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Maximale Taktraten sind auch in der Medizintechnik gefragt. Wie lassen sich diese jedoch in der Praxis ohne Qualitätseinbußen realisieren? Hilfreich sind Konstruktions- und Steuerungsprinzipien, mit denen die Produktionsgeschwindigkeit im Fertigungsprozess deutlich erhöht werden kann.

Wo gefertigt wird, ist klar: Wer seinen Durchsatz erhöhen will, muss Qualitätsverluste vermeiden und zugleich die Produktionsgeschwindigkeit seiner Prozesse insgesamt erhöhen. Die Medizintechnik nimmt hier allerdings eine Sonderstellung ein: Nicht nur gelten in der Branche besonders strenge Normen und Qualitätsanforderungen, gefertigt wird häufig auch im Mikrometerbereich, wie bei der Katheter- oder Stent-Herstellung. Der Durchsatz sei hier also eher relativ zu betrachten, stehe er doch stets im Verhältnis zu den Qualitätszielen, meint William Land, Business Development Manager bei Aerotech. Als Spezialist für Motion-Control- und Positioniersysteme unterstützt Aerotech Industriekunden aus der Medizintechnik bei hochpräzisen und branchenspezifischen Automatisierungsprozessen.

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Welches Maß an Präzision verlangt also die Fertigung? Diese Frage gilt es zunächst ganz individuell zu klären. Aus der Antwort ergeben sich dann die möglichen Zykluszeiten und Durchsätze für die im Einsatz befindlichen Maschinen und Anlagen.

Konstruktion und Steuerung im Fokus

Die erste Regel: Je höher der Grad an Automatisierung, desto höher auch die Durchsätze. Schon deshalb, weil automatisierte Prozesse auch weniger fehleranfällig sind. Wer also Prozesse optimieren und einen hohen Durchsatz erreichen will, sollte bei der Maschinenkonstruktion und -steuerung ansetzen.

Welche Voraussetzungen die Maschinensteuerung erfüllen muss und welche Komponenten und Antriebselemente dafür gewählt werden sollten, bemisst sich dabei ausschließlich am jeweiligen Prozess. „Nur derjenige, der die grundlegenden Prinzipien hinter den einzelnen Schritten versteht und weiß, was er seiner Maschine bei der geforderten Qualität zumuten kann, findet auch die optimale Zykluszeit für seinen Fertigungsprozess“, mahnt Land.

Ausschlaggebend für die Maschinenleistung sind also die für die Konstruktion verwendeten Bauteile und Komponenten. Gleichzeitig müssen diese aber auch der Qualität der zu fertigenden Medizintechnikteile sowie den Anforderungen an deren Herstellung entsprechen.

Zulässige Abweichungen, sprich Toleranzen, sind in der Regel bereits festgelegt, egal, ob es sich dabei um einen Herzschrittmacher, einen Stent oder ein Kunststoffgussteil handelt. Im Fertigungsprozess selbst können zwei unterschiedliche Fehlerquellen auftreten: Verarbeitungs- und Tracking-Fehler. Verarbeitungsfehler entstehen hauptsächlich aus der Wechselwirkung von Werkzeug und Material.

Tracking-Fehler lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: Einerseits entstehen Fehler, wenn das Bewegungssteuerungssystem die Maschine nicht auf dem gewünschten Kurs hält, andererseits können sogenannte unsichtbare Fehler auftreten wie Vibrationen, Erschütterungen oder gar Verbiegungen von Maschinenelementen, die von der Steuerung unentdeckt bleiben, da es keinen Rückkopplungsmechanismus gibt, der fehlerhafte Elemente während des Prozesses ausweist.

Schwingungen und Biegemomente werden sich im fertigen Bauteil natürlich bemerkbar machen. Und allein anhand der Messung ist es leider kaum möglich festzustellen, was genau den Formfehler verursacht hat. „Wir von Aerotech haben uns deshalb schon seit vielen Jahren auf diese unsichtbaren Fehler spezialisiert und daraufhin einzigartige Konstruktionsprinzipien entwickelt, die diese weitestgehend minimieren“, erklärt Land. „Gleichzeitig geben wir unseren Anwendern Möglichkeiten an die Hand, wie sie die beiden angesprochenen Fehlerquellen aufspüren und beheben können. Wenn die Maschine weniger vibriert oder sich verbiegt, kann sie am Ende auch mehr leisten und erzeugt gleichzeitig mehr Qualität, weil sie einfach auch präziser arbeitet.“

Erhöhung der Steifigkeit

Eines der wichtigsten Prinzipien bei der Konstruktion einer extrem schnellen Maschine ist die Erhöhung der Steifigkeit. Die Steifigkeit einer Maschine meint im Wesentlichen den Widerstand gegen Biegung oder eingespeiste Trägheitsenergie. Ist die Steifigkeit besonders hoch, erhöht sich auch die Reaktionsfähigkeit der Maschine auf Steuersignale. Gleichzeitig verbessert sich die Bandbreite und Dynamik bei der Krafterzeugung durch die Motoren, damit diese auch schneller reagieren können. Und letztlich sorgt eine höhere Steifigkeit für weniger Vibrationen im Maschinenaufbau. Je höher also die Maschinensteifigkeit ist, desto besser wirkt sie sich auf die einzelnen Fehlerquellen aus.

In der Finite-Elemente-Methode kennt man den Ansatz, dass alle Strukturkomponenten der Maschine als Feder-Masse-System betrachtet werden und sich die Gesamtsteifigkeit als Summe der Steifigkeiten der Strukturkomponenten ergibt. Dabei ist es wichtig, dass jedes seriell hinzugefügte Feder-Masse-System die Steifigkeit der Maschine reduziert. Parallel hinzugefügte Elemente hingegen erhöhen die Maschinensteifigkeit. Nach dem Newtonschen Prinzip „Actio = Reactio“ erzeugt jede Kraft eine gleich große Gegenkraft. Die Kräfte, die in die Maschine eingeleitet werden, erzeugen also eine Gegenkraft, die durch die Verankerung der Maschine mit dem Boden absorbiert wird. Hohe Maschinensteifigkeit erfordert also möglichst wenige serielle Strukturelemente. Tragende Strukturelemente sollten als Federn in Parallelschaltung angeordnet werden. „Ordnet man die Maschinenkonstruktion also parallel und möglichst flach an, führt das, beispielsweise bei unseren Laser-Stent-Schneidsystemen, zu einer sehr hohen Steifigkeit“, erläutert Land anhand des Aerotech-Produktportfolios.

Die Wahl der passenden Bewegungssteuerung

Dabei ist die Frage entscheidend, wie schnell die Maschinensteuerung den Strom zu den Motoren erhöhen und liefern kann. Die Höhe des dynamischen Nachlauffehlers des Maschinensystems ist im Wesentlichen proportional zur Bandbreite des Befehlssignals und der Beschleunigung. Wenn die Maschine etwa eine Bandbreite von 1.000 Hertz (Hz) hat, der gewünschte Befehl aber ein approximiertes Signal von Sinuswellen mit 1.500 Hz einfordert, dann wird die Maschine zwangsläufig einen dynamischen Schleppfehler produzieren. Dieser verhält sich proportional zu den Spektralbefehlen, die über die Systembandbreite hinaus verlangt wurden.

Das Befehlssignal muss deshalb so beschaffen sein, dass es nur Spektralinhalte enthält, auf die das System reagieren kann. „So kann die Bewegung dann im Wesentlichen quasi perfekt mit einem Nachführfehler von null durchgeführt werden“, schlussfolgert Land. „Wenn man ein gewünschtes Fehlerziel hat und die Systembandbreite kennt, dann sollte man auch in der Lage sein festzustellen, wie viel Beschleunigung von einer Maschine verlangt wird, ohne das veranschlagte Fehlerziel zu überschreiten.“

Für jede Achse könnte der Beschleunigungsgrenzwert individuell nach Bandbreite festgelegt werden. Beim Schweißen des Schrittmachers gibt es eine koordinierte Beschleunigung, bei der sich zwei Achsen sehr schnell bewegen, um die Naht außen herum zu schweißen. Die Beschleunigung, die an die Steuerung gesendet wird, ist die Summe der Quadratwurzel der Beschleunigung beider Achsen. Land präzisiert: „Es kann also eine individuelle Rampenrate für die koordinierte Beschleunigung eingestellt werden, sodass die Beschleunigung auf zwei, drei oder auch vier Achsen im Raum aufgeteilt wird.“

Schließlich gibt es noch die Zentripetalbeschleunigung, d. h. jedes Mal, wenn sich die Maschine in einer Kurve mit Radius bewegt, kommt es zu einer Beschleunigung aufgrund der Richtungsänderung. Geht es z. B. um eine abgerundete Ecke, werden die beteiligten Achsen dazu aufgefordert, eine Sinuswelle zu erzeugen. Wenn die Achse eine Systembandbreite von 100 Hz hat, die abgerundete Ecke aber größer als 100 Hz ist, kann sie den Kreis nicht perfekt verfolgen. Die Folgen sind Überschwingen oder Oszillationen, also Fehler im System.

Wissen, was als Nächstes kommt

Zur Fehlerminimierung empfehlen sich sogenannte „Lookahead-Controller“ mit Beschleunigungsbegrenzungen. Eine Lookahead-Steuerung kann während der Positionierbewegung die Beschleunigung zum richtigen Zeitpunkt verringern, wenn beispielsweise eine harte Kurve oder ein Merkmal angefahren wird – ohne dass es ihr zuvor ausdrücklich befohlen wurde. Sie hält sich stattdessen an die zuvor für die Qualitätskontrolle festgelegten Beschleunigungsgrenzen.

Ein weiterer Vorteil von Lookahead ist die Fähigkeit, Diskontinuitäten zu erkennen. Diese sollen in jedem Fall vermieden werden, da sie viel zu viel Energie in die Maschinenstruktur einspeisen. Die Lookahead-Steuerung vermag diesbezügliche Anpassungen im laufenden Betrieb vorzunehmen. „Ein Beispiel hierfür wäre ein Stent-Profil, das an vier Stellen eine Unstetigkeit aufweist“, veranschaulicht Land. „Das Preview unserer Maschinensteuerung erkennt dies vorab und legt einen Mindestradius fest. Die Unstetigkeit wird dann künstlich beseitigt, indem diese Ecke abgerundet wird – und zwar ohne dass dafür die CAT-Datei geändert werden muss.“

Dasselbe gilt im Wesentlichen auch für scharfe Kurven. Ist die Beschleunigungsvorschau also implementiert und sind die verschiedenen Arten von Beschleunigungen vorab eingeschränkt, können im Positionierprozess Kurven mit null Fehlern angefahren werden.

Es ist also viel zielführender, die Maschine anfänglich mit hoher Leistung anlaufen zu lassen, sofern man sichergehen kann, dass sie bei scharfen Merkmalen intuitiv auf die exakte Mindestgeschwindigkeit abbremst, um die notwendige Qualität einzuhalten. Sie verlangsamt dann nur dort, wo Toleranzen berücksichtigt werden müssen, nur um danach so schnell wie möglich wieder zu beschleunigen. So ist beides möglich: hohe Qualität bei hohem Durchsatz.

Das Fazit von Land: „Sämtliche am Positionierprozess beteiligten Befehlssignale und Systeme haben eine Bandbreite, und wenn man diese Bandbreiten aufeinander abstimmt, kann man Fehler auf ein Minimum reduzieren. Je größer die Bandbreite, desto schneller können wir arbeiten, ohne dass es dabei zu Spur- oder Biegefehlern kommt. Eine größere Bandbreite bezogen auf den Beschleunigungsbefehl wird erreicht, indem man die Steifigkeit der Struktur erhöht, das Kraft-Masse-Verhältnis der Komponenten verbessert und gleichzeitig sicherstellt, dass genügend Strom und Kraft im System vorhanden ist. Das Resultat sind dann Teile, die in hoher Qualität mit denselben Toleranzen schneller hergestellt werden können.“

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* Der Autor: Uwe Fischer ist Marketing Manager – Europe bei Aerotech.

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