Pinzetten-Fertigung – schwieriger als gedacht Fertigfräsen ohne ­Nacharbeit

1000 unterschiedliche Pinzetten-Varianten stellt das Unternehmen Aesculap her. Eine der Varianten, die chirurgischen Pinzetten, unterscheidet sich von den anderen durch eine hochpräzise Mauszahn- Geometrie als Greifer. Diese zu bearbeiten ist nicht ganz einfach und erfordert viel Know-how und die richtigen Partner.

Anbieter zum Thema

Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

Blaser Swisslube AG

Mikron Switzerland AG, Division Tool

DIHAWAG

Pinzetten im Alltag kennt jeder. Der Briefmarkensammler nutzt sie, der Techniker zum Vereinzeln kleiner Bauteile und jeder ist froh, eine Pinzette in Griffweite zu haben, um einen Holzsplitter schnell aus dem Finger zu ziehen. Ein universelles Werkzeug. Im medizinischen Sinn unterscheidet man unterschiedliche Typenreihen: Die anatomischen Pinzetten mit geradem Greifende, die chirurgischen Pinzetten mit einem oder mehreren Mauszähnen zum sicheren Greifen und Separieren auch kleinster Gewebe­strukturen, die gewebeschonenden atraumatischen Pinzetten, die Mikropinzetten und die Splitter­pinzetten.

Mehr als 1000 Pinzetten-Varianten

Pinzetten bietet Aesculap in mehr als 1000 Varianten. Der Renner unter den chirurgischen Pinzetten erreicht Stückzahlen von über 20 000 Exemplaren pro Monat. Einige Spezialpinzetten werden gerade mal mit 50 Stück pro Jahr nachgefragt. Fast alle Pinzetten haben eines gemeinsam: Die bei chirurgischen Instrumenten am häufigsten eingesetzten Werkstoffe 1.4021 und 1.4024, Edelstähle der Zerspanungsklasse 5 – zäh, kaltverfestigend, gratbildend und mit Neigung zu Aufbauschneiden beim Drehen.

Das Portfolio von Aesculap bietet etwa 50 Typen von chirurgischen Pinzetten mit dem sogenannten Mauszahn als Greifgeometrie. Die interne Norm unterscheidet drei Sorten je nach Breite und Höhe des Mauszahnprofils – von 0,7 mm bis 4 mm Profilhöhe. Die Geometrien sind alten Mustern entlehnt, die sich bewährt haben und schon seit Generationen zu diesen klassischen Instrumenten gehören. Die drei Mauszahnsorten unterscheiden sich je nach Grösse durch die Zahnwinkel von 25, 30 und 35°. Die hohen geometrischen Anforderungen an die Mauszahngeometrie, das genaue Zusammenpassen der «männlichen» und «weiblichen» Teilgeometrien, die eng tolerierten Spitzen- und Basiswinkel sowie die Labilität der schlanken Pinzetten­enden stellen hohe Anforderungen an Bearbeitung und Aufspannung.

Früher, auf konventionellen Fräsmaschinen, bearbeitete man die Mauszahngeometrie in mehreren Aufspannungen, je nach geometrischer Anforderung der Pinzette. Die notwendige Nacharbeit von Hand war zeitaufwendig, teuer und bedurfte jahrelanger Berufserfahrung, fast vergleichbar mit den Aufgaben eines Uhrmachers. Das Problem lag in der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, vor allem bei den winzigen Mauszahndimensionen von 0,7 mm.

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Diffizile Auslegung

Heute wird die Mauszahngeometrie in Formbacken gespannt und in einer Aufspannung mittels 5-Achs-CNC fertiggefräst. Die Problemstellung bei dieser Bearbeitung liegt nicht bei der Maschine. Die Auslegung der Spannsituation und der Werkzeuge bedurfte einer längeren Prozessentwicklung. Die zu bearbeitenden Pinzettenspitzen sind labil, schwingungsempfindlich und weichen schon geringen Schnittdrücken aus. Spezielle Formbacken waren daher für jede der etwa 50 Pinzettenvarianten mit Mauszahngeometrie nötig. Dann erfolgte die Entwicklung der Werkzeugpaarungen zur Bearbeitung der männlichen und weiblichen Pinzettenschenkel. Da sich die drei Mauszahngrössen in ihren Zahn- und Gegenzahnwinkeln unterscheiden, entschied man, zur Vermeidung von Verwechslungen der Werkzeuge, diese in drei unterschiedlichen Durchmessern auszulegen. Je nach Mauszahngrösse und dazugehörigem Winkel paarte man «männliche» und «weibliche» Werkzeuge der sechsschneidigen Fräsertypen von Horn, Typ 613, 628 und 632 mit korrespondierenden Schneidkreisdurchmessern von 21,7, 27,7 und 31,7 mm.

Enge Vorgaben

Extrem enge Vorgaben für die Verrundung der Basiskontur des männlichen Mauszahns von maximal nur 3/100 mm und 5/100 mm für den Nutgrund der weiblichen Kontur stellten hohe Anforderungen an die Werkzeugschleifer bei Horn, zumal sich wegen der Berücksichtigung der Beschichtungsdicke die Vorgaben beim Schleifen des Grundkörpers nochmals verschärften.

Diese sehr scharfe Schneideckenkontur musste aber neben der geometrischen Präzision auch noch hohe Standzeiten und hohe Prozesssicherheit bei der Bearbeitung von 1.4021 beziehungsweise 1.4024 gewährleisten. Keine leichte Aufgabe, zumal auch die leicht positiven Schneidkanten sehr scharf auszulegen waren, um Schnittdruck und Gratbildung zu minimieren. In Folge des Optimierungsprozesses werden die Mauszahngeometrien in Richtung der Pinzettenspitze gefräst, da unvermeidbare minimale Grate durch die nachfolgende Verrundung der Pinzettenspitze mit entfernt werden. Der Optimierungsprozess der Bearbeitung, der Aufspannung und der Werkzeugauslegung nahm insgesamt sechs Monate in Anspruch, dabei drei Monate in enger Zusammenarbeit der Tuttlinger und der Tübinger Zerspanungsspezialisten. Aufsetzen konnte man dabei auf einer jahrzehntelangen erfolgreichen Zusammenarbeit der beiden Unternehmen. Auf einer breiten Basis wurden dabei die Voraussetzungen für die Bearbeitung einer Vielzahl verschiedenster Instrumente und anderer Produkte von Aesculap geschaffen.

Schrittweise zur Lösung

Im ersten Schritt der Werkzeugauslegung bestimmte man Werkzeugsystem, Fräsertyp und Schneidenanzahl. Der zweite Schritt beinhaltete die Entwicklung der optimalen Schneidengeometrie und die Festlegung auf Ultrafeinstkorn als Substrat. Abschliessend, bei der Wahl der am besten geeigneten Beschichtung, konnte man auf einen reichlichen Erfahrungsschatz bei der Bearbeitung von 1.4021 zurückgreifen. Unter Berücksichtigung der Feinstkontur an den Werkzeug-Schneidecken wählte man eine besonders glatte und relativ dünne Beschichtung. Diese vereinfacht die Spanbildung, den Spanablauf und bietet geringen Reibungswiderstand. Wenig Reibung erzeugt wenig Wärme und geringen Wärmeeintrag ins Werkzeug. Ergebnis: hohe Standmenge und minimierter Schnittdruck. Die verwendete Sorte Ti25, mit ihrer TiCN-Beschichtung, eignet sich zudem besonders zur Bearbeitung von martensitischen rostfreien Stählen.

Bis 30 Prozent Kosteneinsparung

Heiko Martinic, zuständig für die Zerspanungstechnik und Prozessentwicklung für weltweite Standards bei Aesculap: «Der Gesamtprozess, den wir ausgehend von CAD/CAM, der Festlegung auf den Maschinentyp DMG Mori MILLTAP 700, den Spannmitteln, den zu verwendenden Werkzeugen und KSS als Kühlschmiermittel in enger Zusammenarbeit mit Horn entwickelt haben, muss auch in unseren Fertigungsstätten im Ausland zu 100 Prozent und verlässlich nachvollziehbar sein. Daher haben wir auch mittels eines parametrisierten Prozesses durch Bestimmung von 20 Geometriewerten die Abbildung des gesamten Produktportfolios für alle bei uns verfügbaren Pinzetten erarbeitet. Der Aufwand, den wir in die Entwicklung der standardisierten Mauszahnbearbeitung investierten, schlägt sich nun in bis zu 30 Prozent Kosteneinsparung nieder. Der Fräsprozess für das Mauszahnprofil einer Pinzette inklusive Werkstückwechsel und Werkzeugwechsel dauert jetzt nur noch etwas über eine Minute. Ein Fräserpaar bearbeitet prozesssicher 1400 männliche und weibliche Pinzettenhälften. Es hat sich also gelohnt. Und daher arbeiten wir auch schon an unserem nächsten Projekt: der Entwicklung einer Bearbeitungsstrategie für Mehrfach-Mauszahn-­Geometrien.» SMM

Milltap 700

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