Mannlose Fertigung mit Lasermesssystemen

Von Theo Drechsel

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Hochpräzise CNC-Bearbeitung und traditionelle Handwerkskunst sind die Basis des Erfolgs der Günter Stoffel Medizintechnik GmbH. Bei dem in Tuttlingen beheimateten Unternehmen gewährleistet Fertigungsmesstechnik von Blum-Novotest die Produktivität in der mannlosen Fertigung winzigster Bauteile.

Lasermesssysteme von Blum vermessen und überwachen bei Stoffel Medizintechnik Werkzeuge mit wenigen Zehnteln im Durchmesser trotz Einsatz von Kühlmittel.
Lasermesssysteme von Blum vermessen und überwachen bei Stoffel Medizintechnik Werkzeuge mit wenigen Zehnteln im Durchmesser trotz Einsatz von Kühlmittel.
(Bild: Blum-Novotest/Stoffel)

Höchste Präzision ist allen Stoffel-Instrumenten gemeinsam. Ob bei den winzigen Löffelchen der Biopsiezangen, deren Schneiden auf den Hundertstelmillimeter genau aufeinandertreffen müssen, um sauber zu schneiden, oder den Pinzetten mit winzigsten Zähnchen an der Spitze – stets geht es in Wurmlingen darum, so genau zu fertigen, dass sich die mehrteiligen Instrumente montieren lassen und sauber funktionieren. Dabei deckt Stoffel bis auf das Elektropolieren alle Fertigungsschritte im eigenen Haus ab. In diesem Zuge hat sich eine interessante Mischung modernster und traditioneller Methoden zusammengefunden. Auf hochmodernen CNC-Zentren gefertigte Bauteile werden von Hand entgratet, angepasst, poliert und montiert. Die an allen Schraubstöcken der Fertigung montierten Mikroskope zeigen, wie kleinteilig und genau es dabei zugeht. «Unsere Ansprüche an Maschinen, Mitarbeiter und Werkzeuge sind extrem hoch. Schliesslich handelt es sich um Instrumente, die im menschlichen Körper eingesetzt werden», erläutert der Geschäftsführer Dieter Stoffel. «Unser Unternehmen besteht durch Qualität, nicht durch Marketing. Ärzte, die einen Sinn für Qualität haben und Wert auf hochklassige Instrumente legen, kommen zu uns.»

Neue Messstrategien der Digilog-Technologie
Nachgefragt

Bei den Modellen ohne Digilog-Technologie sind beim Messen eines Werkzeugs mehrere Feinmesssätze erforderlich. Dabei wird der Strahl bei jedem Messsatz etwas langsamer verlassen, um möglichst genaue Werte der längsten Schneide zu erhalten. Gerät ein Kühlmitteltropfen in die Messung, startet der Zyklus von vorn, was eine relativ lange Gesamtmesszeit ergeben kann. Beim LC50-Digilog fallen die Feinmesssätze komplett weg. Durch die Digilog-Messung wird ein kontinuierliches Profil jeder Schneide aufgenommen, wenn diese sich drehend durch den Laserstrahl bewegt. Aufgrund der Vielzahl an Messwerten pro Schneide erkennt der LC50-Digilog fallendes Kühlmittel sowie Schmutz- und Kühlschmiermittelanhaftungen am Werkzeug automatisch und rechnet sie aus dem Ergebnis heraus. Die erste Mess­sequenz führt also immer zum Erfolg und die Messzeit wird deutlich verkürzt.

Automatische Werkzeugüberwachung für die mannlose Fertigung

So stolz Stoffel auf sein Unternehmen und seine Produkte ist, so sehr muss er auf die Produktivität achten. Und deshalb investierte er im Jahr 2021 in eine Fünfachs-Fräsmaschine von DMG Mori inklusive Automation durch einen Fanuc-Roboter, der Rohteile einlegt und fertig bearbeitete Teile entnimmt. Die neue Maschine kann damit über die Nacht oder das ganze Wochenende ohne menschliche Eingriffe fertigen. Allerdings ist es dazu unabdingbar, dass die Werkzeuge während der mannlosen Fertigung überwacht werden, um Werkzeugbrüche, Verschleiss oder Schäden an Werkzeugschneiden zu erkennen. Nur so kann Ausschuss durch automatische Korrekturen oder beispielsweise die Einwechslung eines Schwesterwerkzeugs vermieden werden.

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Mit Blum-Novotest arbeitet Stoffel schon seit über zehn Jahren im Bereich Messsysteme zusammen: «Auf den älteren Maschinen sind Tastköpfe des Typs Z-Pico installiert. Sie kommen zum Einsatz, um die temperaturbedingten Veränderungen der Maschine und der Werkzeuge zu erfassen und so zu korrigieren, dass die gewünschte, hohe Präzision jederzeit erreicht wird», berichtet Dieter Stoffel. «Die mechanischen Tastköpfe sind so perfekt geführt, dass man sie sogar mit 0,5-Millimeter-Bohrern anfahren und die aktuelle Länge messen kann, ohne dass der Bohrer Schaden nimmt. Wir sind zufrieden mit den Z-Pico-Tastern und nutzen sie noch heute auf den entsprechenden Maschinen.»

Lasermesssystem LC50-Digilog misst Tausende von Messwerten pro Sekunde

In Wurmlingen wird nun nicht mehr die temperaturbedingte Veränderung der Maschine gemessen, sondern Probleme an der Werkzeugschneide. Die neuen Maschinen haben die Temperaturkompensation viel besser im Griff, auch bei den Mikrobearbeitungen im Hause Stoffel, bei denen zwei Drittel der Taktzeit auf den Werkzeugwechsel entfallen und entsprechend starke Temperaturschwankungen auftreten. Auf der neuen Maschine, die rund um die Uhr laufen soll, war es nun wichtig, nicht nur Werkzeugbrüche zu erkennen, sondern auch Beschädigungen der Werkzeugschneiden. Im mannlosen Betrieb wären bei der zuvor nur reinen Werkzeuglängenmessung sonst die Bauteile ganzer Schichten zu Ausschuss geworden.

Eine wichtige Rolle spielt dabei das Lasermesssystem LC50-Digilog, das pro Sekunde Tausende von Messwerten aufnehmen kann: «So lassen sich unter anderem Geometrieveränderungen an der Werkzeugschneide, beispielsweise durch Verschleiss, sogar am sich unter Arbeitsdrehzahl drehenden Werkzeug erkennen», erklärt Erhard Strobel aus dem Technischen Vertrieb von Blum-Novotest. «Der speziell fokussierte Laserstrahl ermöglicht das Messen feinster Schneiden und mikroskopischer Werkzeuge – was bei Stoffel durchaus gefragt ist. Dort werden Fräswerkzeuge mit Durchmessern zwischen 0,15 und 3 Millimetern genutzt, bei Bohrern reicht die Spanne von 0,2 bis 0,6 Millimeter.»

Enge Toleranzen und kleinste Bauteile

Damit sich Proben aus dem Körper entnehmen lassen können, müssen die Löffelbacken einer Biopsiezange «zu null» aufeinanderpassen – und das auch, wenn die Backen an unterschiedlichen Tagen gefertigt wurden. Nacharbeit ist nur bedingt möglich, weil jedes Bearbeiten der winzigen Teile mehr Material entfernen würde, als vorhanden ist. «Die angestrebten Toleranzen sind sehr eng und liegen oftmals unter einem Hundertstelmillimeter. Unsere Produkte bestehen aus mehreren sehr kleinen Teilen, die zusammen montiert werden, und dabei schaukeln sich die Toleranzen hoch», unterstreicht Dieter Stoffel. «Zudem sind die Bauteile so klein, dass eine nachträgliche Vermessung sehr aufwändig wäre. Die Teile müssen zusammengebaut werden, um zu sehen, ob sie geometrisch zusammenpassen.» Wenn da etwas klemmt, muss man in Wurmlingen an der Maschine nachsteuern. Das ist natürlich nachts und am Wochenende nicht möglich. Trotzdem muss Stoffel immer sofort wissen, ob die Teile in Ordnung sind – und das geht am einfachsten über eine regelmässige Kontrolle der Werkzeugschneiden mit dem Lasermesssystem.

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Um die winzigen Späne zuverlässig abzutransportieren, arbeitet Stoffel mit sehr viel Kühlschmiermittel – und das «muss der Laser abkönnen». Der LC50-Digilog misst trotzdem hochpräzise, da es zum einen möglich ist, Schneiden bei voller Bearbeitungsdrehzahl zu messen, und so das Kühlschmiermittel vom Werkzeug weggeschleudert wird. Zum anderen kann der LC50-Digilog Kühlmittel und Werkzeugschneiden anhand der vielen Messwerte und der dadurch möglichen Plausibilitätsprüfungen zuverlässig unterscheiden, wodurch Fehlmessungen ausgeschlossen sind.

Vielzahl an Messroutinen

Ebenfalls auf der Maschine installiert ist die neue Software LC-Vision für Blum-Lasermesssysteme. «Die Software bietet eine Vielzahl von Messroutinen, die es ermöglichen, die Spindel und die Werkzeuge umfassend zu vermessen. So lassen sich Rundlauffehler der Spindel oder von Werkzeugen aufdecken, die morgendliche Spindelerwärmung verfolgen oder natürlich unterschiedlichste Werkzeuggeometrien überwachen», fasst Erhard Strobel zusammen. «Eine Besonderheit von LC-Vision ist die Visualisierung und Auswertung aller Messungen, sodass die gemes­senen Werte einfach und verständlich grafisch aufbereitet werden. Zudem können wichtige System­informationen und Daten zur vorbeugenden Wartung am Steuerungsbildschirm aufgerufen werden.»

Messtaster TC52 von Blum – einwechselbar im Werkzeugmagazin

Über das Lasermesssystem und LC-Vision hinaus findet sich mit dem TC52 noch ein Messtaster von Blum auf der Maschine. Diesmal nicht auf dem Maschinentisch montiert, sondern einwechselbar im Werkzeugmagazin. Zu seinen Messaufgaben gehört die Kontrolle der vierten und fünften Achse. Hier wird der Drehpunkt der Achsen gemessen und in den Maschinenparametern eingetragen, um eine optimale Kinematik auch in der Schwenkbewegung zu erhalten.

«An dieser Messung hängt sehr viel. Wenn der Drehpunkt der Achsen nicht genau mit dem Koordinatensystem der Maschine übereinstimmt, ergeben sich Fehler am Werkstück bei der Simultan- oder Schwenkbearbeitung. Deshalb wird diese Messung regelmässig an einer in der Maschine montierten Messkugel ausgeführt – auch hier werden Prozesse erst durch das Blum-Messsystem ermöglicht», zieht Dieter Stoffel ein positives Fazit. «Wir arbeiten bereits seit über zehn Jahren mit Blum zusammen. Wir vertrauen auf Blum und profitieren sicher auch weiterhin von dieser Partnerschaft.» SMM

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