Herstellung von Hüftprothesen-Abdeckungen Zuverlässig, automatisiert, genau und produktiv

Von Anne Richter

Bei Aesculap, einem führenden Medizintechnik-​Hersteller, liegt die Messlatte für Anforderungen an Werkzeugmaschinen sehr hoch. Beispiel dafür ist die automatisierte Herstellung beschichteter Hüftprothesen-Abdeckungen mit einer Grob-Universalmaschine G350.

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Der Werkzeugbau ist so etwas wie die Denkfabrik von Aesculap: (v.l.n.r.) Frank Fedtke, Tobias Grimm und Hans Keller von Aesculap sowie Joachim Stock von den Grob-Werken.
Der Werkzeugbau ist so etwas wie die Denkfabrik von Aesculap: (v.l.n.r.) Frank Fedtke, Tobias Grimm und Hans Keller von Aesculap sowie Joachim Stock von den Grob-Werken.
(Bild: Grob-Werke)

In Tuttlingen – der heimlichen Hauptstadt der deutschen Medizintechnik – befindet sich auch der Hauptsitz der Aesculap AG. Aesculap ist Teil der B. Braun-Gruppe, einem der führenden Hersteller von Medizintechnik- und Pharma-Produkten und -Dienstleistungen weltweit mit über 64 000 Mitarbeitern in 64 Ländern. 1867 als kleine Werkstätte für chirurgische Instrumente gegründet, ist Aesculap heute einer der renommiertesten Hersteller von Medizinprodukten und Medizintechnologien. Um diese Position im Markt halten und ausbauen zu können, sind die Anforderungen an die Produktion enorm hoch.

Vom Drei-Tonnen-Verbundwerkzeug bis zur Mikroproduktion

So werden bei Aesculap Werkzeuge mit extrem unterschiedlichen Dimensionen produziert. Die Spanne reicht von einem 2,50 Meter langen Verbundwerkzeug, mit einem Gewicht von bis zu drei Tonnen, bis hin zur Mikroproduktion mit kleinsten Werkzeugen, um zum Beispiel Mikronadeln zu spannen, mit bis zu einem Durchmesser eines Haars von etwa 70 μm (Mikrometer). Doch nicht nur die Grössenunterschiede der Produkte erstaunen, sondern auch die immens grosse Palette an unterschiedlichen Produkten. So befinden sich derzeit etwa 28 000 verschiedene Produkte im Sortimentsbaukasten des Unternehmens.

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Beginn der Zusammenarbeit: Fräszeit um mehr als die Hälfte reduziert

Entsprechend seiner Produktvielfalt und Diversifizierung ist der Maschinenpark im Werkzeug- und Prototypenbau von Aesculap ausgelegt. Auch Universalmaschinen von Grob gehören bereits seit 2010 diesem Maschinenpark an. Damit ist die Aesculap AG einer der ältesten Kunden aus der Medizinbranche, die Universalmaschinen von Grob im Einsatz haben. «Nach ersten interessanten Gesprächen haben wir den Grob-Anwendungstechnikern ein Modell gegeben, das sie bauen sollten», erinnert sich Hans Keller, Leiter Werkzeug- und Prototypenbau bei Aesculap AG. «Es handelte sich um einen Hüfteinschläger, ein relativ grosses Teil für Hüftoperationen. Für uns damals tatsächlich ein Problemteil, mit einer extrem langen Fräszeit von über drei Stunden.» So war die Aufgabenstellung klar: Trotz seines zähen, schwer zu bearbeitenden Materials – der Einschläger wird aus 17-4PH gefertigt, einem rostfreien Chrom-Nickel-Stahl – musste die Bearbeitungszeit maximal reduziert werden. Und tatsächlich, aufgrund der hohen Geschwindigkeiten, mit denen die Grob-Universalmaschinen vibrationsfrei gefahren werden können, konnte die Fräszeit des Hüfteinschlägers um mehr als die Hälfte reduziert und der Bedarfsanforderung, das Automatisieren von Abdeckungen in grossen Stückzahlen in vorwiegend mannloser Schicht, gerecht werden.

Dennoch war es ein langer Weg, bis alle Bedenken bei Aesculap gegenüber der Grob-Maschine – trotz der hervorragenden Ergebnisse aus dem Prototypenbau – überwunden werden konnten. Der Grund war ein einfacher: «Meine Frästechniker im Werkzeugbau waren nur eine vertikale Bearbeitung gewohnt», erinnert sich Keller. «Eine horizontale Bearbeitung kannten sie zum damaligen Zeitpunkt noch nicht. Die Spindel von hinten, die Maschine anders programmieren und anders spannen. Die Prozesse waren einfach fremd für sie.» Der Bann konnte erst nach einem Besuch in Mindelheim und einem erfolgreichen Frästest im Technologie- und Anwendungszentrum (TAZ) von Grob gebrochen werden.

Hohe Produktivität mit starken Spindeln

Schnell erkannten die Mitarbeiter aus dem Werkzeugbau die extrem hohe Produktivität der Grob-​Universalmaschinen durch den Einsatz von starken Spindeln und das stabile Maschinenkonzept. Ein Konzept, mit dem äusserst gut aus dem vollen Material gefräst werden kann, was bei medizinischen Instrumenten häufig der Fall ist. Ein in der Medizintechnik besonders interessanter Umstand, da durch die hohe Variantenvielfalt oft nur sehr kleine Losgrössen vorhanden sind.

Auch erkannten sie, dass durch das schlanke Spindeldesign und die spezifische Achsanordnung der Grob-Universalmaschinen der Einsatz von kurzen Werkzeugen ermöglicht wird und damit auch die Werkzeugkosten reduziert werden können. Darü­ber hinaus war schnell klar, dass durch die innovativen 5-Achs-Zyklen, die durch die beiden Torque-Antriebe in der A-B-Achse ermöglicht werden, eine optimale Nutzung der Werkzeuge mit deutlich besseren Standzeiten sichergestellt werden kann. Doch nicht nur die Grob-Technologie hat Hans Keller überzeugt. Bei der anschliessenden Werks­besichtigung erkannte er auch, warum Grob zu den wichtigsten Partnern im Automotiv-Bereich gehört.

Technologietreiber Werkzeugbau: Anpassung an der Steuerung

Der Werkzeugbau bei Aesculap ist unter der Führung von Hans Keller und seinen etwa 70 Mitarbeitern so etwas wie die Denkfabrik des Unternehmens. Ist Hans Keller von einer neuen Bearbeitungstechnologie überzeugt, kommt sie zunächst bei ihm im Werkzeugbau zum Einsatz, wird hier auf Herz und Nieren getestet, um dann die Freigabe für die Produktion zu bekommen: «Da wir im Werkzeugbau trotz der umfangreichen Palette von mehreren tausend unterschiedlichen Produkten genau wissen, welcher Anwendungsbedarf in der Produktion besteht, hat sich diese Vorgehensweise über die Jahre sehr bewährt.»

So wurde also nach der erfolgreichen Probebearbeitung des Hüftschlägers im Grob-Technologie- und Anwendungszentrum eine Grob G350 – Generation 2 für den Werkzeugbau beschafft. Die Maschine ist mit einer Heidenhain-TNC640-Steuerung, einer luftgeschmierten Spindel mit 16 000 min-1, einem Drehmoment von 220 Nm und einem Doppelscheibenmagazin für HSK-A63 mit 117 Werkzeugplätzen ausgestattet. «Bei der Automation haben wir uns für Lang Robo Trex mit zwei Automationswagen und je dreissig 5-Achs-Spannern entschieden. Sie ist mit einer mechanischen Klemmung ohne Drehdurchführung im Maschinentisch ausgestattet und benötigt keine separaten Paletten», erklärt Keller. Ergänzt wird diese Automation mit einem Fanuc-Knickarmroboter mit Schraubstockgreifer.

Allerdings bestand ursprünglich das Problem darin, dass die Automation von Lang zusammen mit Heidenhain so ausgelegt war, dass immer nur ein Produkt gefräst werden konnte. Gemäss den Anforderungen sollten aber auf jedem Schraubstock der sechzig Einheiten auch andere Produkte gefräst werden können. Eine diesbezügliche individuelle Änderung der Steuerung wurde schliesslich in einer Zusammenarbeit zwischen Grob, Heidenhain und Lang erreicht. In der Heidenhain-Steuerung wurde mit dem Batch-Process-Manager jedem Schraubstock ein eigener Name zugeteilt. Somit ist man bei Aesculap in der Lage, unterschiedliche Bauteile herzustellen, da auf jedem Schraubstock ein anderes Produkt gespannt werden kann. Im Prinzip funktioniert das System jetzt wie eine grosse Palettierungsanlage.

Bis zu 85 Stunden mannlose Produktion

Aktuell werden auf der G350 Abdeckvorrichtungen für Hüftprothesen gefräst, die später im Oberschenkelknochen verpflanzt werden. Beim Material handelt es sich um 1.4301. Die Abdeckungen werden aus Flachmaterial in einer Aufspannung gefertigt. Durch geringe Handarbeit muss nur noch eine kleine Anbindung im Nachgang entfernt werden. Die Laufzeiten variieren je nach Grösse der Abdeckung zwischen 20 und 85 Minuten. Wenn die beiden Automationswagen mit der maximalen Stückzahl von sechzig 5-Achs-Spannern bestückt sind, bedeutet dies, dass man, je nachdem welche Variante gefertigt wird, zwischen 20 und 85 Stunden durchproduzieren kann, ohne nach der Maschine sehen zu müssen. Die Maschine läuft sieben Tage die Woche bei geringsten Mannzeiten. «Wir haben ungefähr 200 verschiedene Hüftprothesen, klein, gross und mittel», erklärt Anwendungstechniker Thilo Hagen. «Entsprechend der Grösse des Bauteils ändern sich auch die Laufzeiten. Die längste Laufzeit beträgt 1 Stunde 25 Minuten.» Und er ergänzt: «Diese Maschine haben wir jetzt seit vier Jahren und haben nie Probleme mit ihr gehabt. Mit dem grossen Wartungspaket von Grob lassen wir die Maschine einmal im Jahr komplett warten, was für uns wichtig ist, da wir auf bis zu 6000 Spindelstunden im Jahr kommen.» SMM

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