Know-how für die Medizintechnik

Sabine Fietz, die Autorin des Beitrages ist Vertriebsmitarbeiterin bei Siemens

Implantate sind oft filigran gestaltet und aus schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Titan, Titanlegierungen oder anderen rostfreien Edelstählen gefertigt

Die CNC-Lösung Sinumerik 840D sl von Siemens ist international anerkannt und für alle Bearbeitungsverfahren ausgelegt. Sie wird in Standard-Dreh- und Fräsmaschinen ebenso eingesetzt wie im High Speed Cutting, in Schleifzentren, Oszillations- oder Multifunktionsmaschinen

Die Bedienoberfläche der Sinumerik 840D sl von Siemens ist übersichtlich, grafisch animiert und intuitiv verständlich

Medizintechnik zählt zu den Wachstumsbranchen der heutigen Zeit. Dies liegt nicht zuletzt an der steigende Nachfrage nach Implantaten wie Hüft- und Kniegelenken, Wirbelsäulenelementen, Schulter- und Ellbogengelenken oder Zahnbrücken.

Obwohl sich der Markt für medizinische Geräte und Produkte sehr positiv entwickelt, ist auch hier der Kostendruck spürbar. Es gilt, alle Prozesse zu optimieren und die Bearbeitung der überwiegend hochwertigen Werkstoffe wie Keramik, Titan oder anderer rostfreier Stähle effizient zu gestalten.

Zum einen wird von den Unternehmen der Medizintechnikbranche immer mehr Präzision und Qualität verlangt, zum anderen steigt der Zwang zur Kostenreduktion stetig, weil den Krankenkassen das Geld fehlt. Um im Geschäft zu bleiben, müssen die Hersteller von medizintechnischen Implantaten und orthopädischen Hilfsmitteln den Fertigungsvorgang sowie alle angrenzenden Prozesse optimal gestalten. Neben der reinen Zerspanung ist dafür die eingesetzte CNC-Steuerungstechnik und die Beherrschung der gesamten Produktionsprozesse ein entscheidender Erfolgsfaktor.

Die Prozesskette am Beispiel eines Kniegelenks

Dabei gibt es viele Ähnlichkeiten zu den Prozessen der zerspanenden Bearbeitung in artverwandten Metallbranchen wie der Automobil- oder der Luft- und Raumfahrtindustrie. Haben Hersteller oder Lieferanten bereits Erfahrungen in solchen Branchen gesammelt, ist dies ein wesentlicher Vorteil auch für die hohen Anforderungen in der Medizintechnikindustrie.

Wie eine optimierte Prozesskette zum Beispiel bei der Fertigung eines Kniegelenks mit der CNC-Steuerung Sinumerik 840D sl (sl steht für Solution Line) von Siemens aussieht, wird an folgendem Ablauf deutlich: Die erste Datenerfassung findet mit Hilfe von bildgebenden Verfahren wie etwa der Computertomographie (CT) statt. Sie liefern erste Informationen für die Modellierung des anzufertigenden Implantats. Das im CT digitalisierte Kniegelenk kann als Ausgangsbasis in ein CAD-System , in diesem Falle NX CAD von Siemens, übernommen werden. Für die Modellierung des Werkstücks ist also keine aufwändige Filigrankonstruktion notwendig; das spart Zeit im Entstehungsprozess.

Das so in das CAD-System übertragene digitalisierte Kniegelenk wird nur noch marginal angepasst und dann in das CAM-System NX CAM von Siemens übernommen. Der CAM-Designer ergänzt die für die Fertigung relevanten Parameter. Dazu gehört zum Beispiel die Wahl von Maschine und Werkzeug und auch das Festlegen geeigneter Anfahrtswege. Im nächsten Schritt erzeugt das CAM-System das CNC-Programm und die Werkzeugliste.

Ein entscheidender Vorteil bei dem Einsatz von NX CAM ist die Bearbeitungssimulation. Im Unterschied zu anderen Herstellern bietet Siemens zusätzlich zu seiner Sinumerik-Steuerung ein Modell, das das Verhalten der Steuerung simuliert und somit für eine Bearbeitungssimulation eingesetzt werden kann. Diese exakte Voraussage des später gefertigten Kniegelenks führt zu einer Prozesssicherheit höchster Stufe.

Für jeden Bedarf die passende Lösung

Das validierte Programm wird per Netzwerkverbindung oder über das Werkzeuginformations- und DNC-System von Siemens auf die Maschine übertragen. Dieses System erhält die Werkzeug- und NC-Programmdaten aus dem CAM-System und überträgt diese an die Maschine. So ist immer sichergestellt, dass die richtigen Werkzeuge und das richtige NC-Programm auch die richtige Maschine erreichen. Der Prozess ist damit lückenlos kontrollierbar, und es können keine Übertragungsfehler auftreten. Fehlervermeidung birgt nicht zuletzt auch ein Einsparpotential, genauso wie die schnellen Prozesse, welche mit einem CAD-/CAM-/CNC-System von Siemens möglich werden. Und das Wichtigste: Der Patient kann sicher sein, dass er das für ihn bestimmte Kniegelenk erhält.

In der Medizintechnik sind neben großen auch kleine Serien und Einzelteilfertigung gefragt. Um diese profitabel fertigen zu können, müssen die Bediener von Maschinen, ebenso wie die Werkzeugmaschinen selbst, hohen Anforderungen gerecht werden. Werkzeugmaschinen müssen in kürzesten Zeiten von einem auf ein anderes Produkt umgerüstet werden, Fertigungsprozesse müssen hocheffizient ablaufen und die Anlagen müssen verschiedenste Produktionsschritte zuverlässig beherrschen. Die Werkzeugmaschine muss so modular, flexibel und offen sein, dass sie an heutige wie zukünftige Anforderungen problemlos und kostenneutral angepasst werden kann. Gleichzeitig ist eine hohe Bedienerfreundlichkeit und Funktionalität notwendig, damit die Anlage auch bei kleinsten Losgrößen profitabel betrieben werden kann.

Die digitale Durchgängigkeit der Prozesskette zahlt sich für Hersteller von medizintechnischen Implantaten schnell aus. Die Steuerung Sinumerik 840D sl von Siemens ist zudem international anerkannt und bietet für diverse Bearbeitungsverfahren Lösungen. So lässt sie sich in Dreh- und Fräsmaschinenzentren ebenso effizient integrieren wie im High Speed Cutting (HSC), in Schleifzentren, Oszillations- oder Multifunktionsmaschinen. Dank ihrer Mehrkanaligkeit sind all diese Funktionalitäten möglich. Die CNC kann sowohl mehrere Spindeln steuern als auch Mehrachseninterpolation ausführen, was durch eine hervorragende Rechenleistung garantiert wird. Das Zusammenspiel von Steuerungsfunktionen zum einfachen Ausmessen oder Kalibrieren von Mehrachskinematiken, zur Ruckbegrenzung, Vorsteuerung, Look-ahead und Mitführung der Werkzeugorientierung ermöglicht darüber hinaus eine optimale Leistung und Anpassung an jeweilige Anforderungen. Durch Mehrachs-Kinematikvermessung lassen sich auch während des Betriebs selbst kleinste Fehler einfach korrigieren.

Produktivität und Zukunftsfähigkeit

Der reinen Mechanik einer Werkzeugmaschine sind bei der Erfüllung dieser Kriterien Grenzen gesetzt. Längst werden innovative Maschinenkonzepte dementsprechend nach mechatronischen Prinzipien konzipiert, entwickelt und gebaut. Der Antriebs- und Steuerungstechnik einer Werkzeugmaschine kommt damit eine immer größere Bedeutung zu – letztlich entscheidet sie über die Effizienz und Zukunftsfähigkeit einer Maschine. CNC-Technologien gehören dementsprechend zum täglich Brot der Werkzeugmaschinenanwender.

In der Regel setzen Steuerungen umfangreiche Kenntnisse der Programmiersprachen voraus. Außerdem erfordert die Programmierung und Parametrierung der Steuerungssoftware einen großen Zeitaufwand. Gerade die Fertigung kleiner Losgrößen erfordert jedoch hohe Flexibilität und Komfort in der Arbeitsvorbereitung. Um diesen Konflikt zwischen vielseitiger Funktionalität auf der einen Seite und Zeit- und Kostenaufwand auf der anderen Seite zu lösen, hat Siemens eine Steuerungs- und Antriebslösung entwickelt, die sich konsequent an den typischen Bedürfnissen der Kleinserienfertigung orientiert: die CNC-Steuerungen Sinumerik 802D sl und 840D sl. Entscheidend sind dabei die folgenden Faktoren:

Intuitive Bedienung

Wesentlich ist eine übersichtliche und praxisgerechte Bedienung und Programmierung. Diese sollte grafisch animiert und intuitiv verständlich sein. Siemens bietet dies einheitlich für verschiedenste Bearbeitungsformen. Die Mitarbeiter können dadurch flexibel auf verschiedensten Maschinen eingesetzt werden – ohne viel umdenken oder gar neu geschult werden zu müssen. Als Universalsteuerung für verschiedene Technologien konzipiert, verbindet Die Steuerung Sinumerik solution line die vielseitige Funktionalität von CNC-Steuerungen mit einer anwenderfreundlichen Bedienung. Sie unterstützt den Maschinenbediener vom Einrichten der Werkzeugmaschine über ihre Programmierung bis hin zur Verwaltung der Werkzeuge. Vordefinierte Arbeitszyklen, ein flexibles Handling der Programmdaten und die Möglichkeit, jeden Arbeitsschritt bis zur Simulation des Programms grafisch nachzuvollziehen, erleichtern dem Anwender die Vorbereitung der Werkzeugmaschine und beschleunigen den kompletten Fertigungsprozess.

Die Sinumerik 802D solution line ist als Bedientafelsteuerung für Standard-Dreh- und Fräsmaschinen ausgelegt und deckt die Anforderungen von CNC-Werkzeugmaschinen für die Einzelstückfertigung bis zum Drei-Achsen-Formenbau ab. Die im oberen Leistungsbereich angesiedelte Sinumerik 840D solution line ist eine Universalsteuerung, die dank der werkstattorientierten Siemens-Bedienoberflächen ShopMill und ShopTurn auch breite Akzeptanz in der Einzelfertigung genießt.

Vielfältige Funktionen

Beide Ausführungen der Sinumerik solution line helfen, bereits bei den vorbereitenden Arbeiten kostbare Arbeitszeit zu sparen, wie beispielsweise beim Vermessen des Werkstücks und der Ermittlung des Nullpunkts. Weiterhin bieten sie dem Nutzer für die Vermessung des Werkzeugs neben der manuellen Funktion mit Ankratzen am Werkstück auch die Möglichkeit, das Werkzeug automatisch von der Maschine vermessen zu lassen. Während das Werkzeug bei der manuellen Messung von Hand an das Werkstück herangefahren wird, um die Werkstückmaße ablesen und manuell eingeben zu können, wird das Werkzeug bei der automatischen Messung nur in der Nähe eines Messtasters positioniert. Die Vermessung des Werkzeugs in Richtung der X- und Z-Achse sowie die Ermittlung der Werkzeugkorrekturdaten erfolgt danach automatisch und damit schnell und präzise. Der Anwender kann das Einrichten dabei über eine grafische Dialogmaske einfach umsetzen und nachvollziehen.

Einfache Programmierung

Bei Unklarheiten steht eine Help-Taste am Bedienpult zur Verfügung, mit der umgehend ein Hilfemenü aktiviert werden kann.

Auch bei der Programmierung der CNC-Steuerung stellt Sinumerik solution line hilfreiche Funktionen zur Verfügung: Beide Ausführungen (802D sl und 840D sl) sind generell mit einem zeilenorientierten DIN/ISO-Editor ausgestattet. So hat der Anwender bei der Programmierung der Steuerung die Wahl, CNC-Sprachbefehle direkt einzugeben oder zu editieren. Für typische Bearbeitungsschritte wie Bohren, Drehen oder Fräsen halten die CNC-Steuerungen bereits Technologiezyklen vor. Schritt für Schritt parametriert der Maschinenbediener diese Zyklen und kommt damit leicht von der Zeichnung zum Werkstück.

Das Gleiche gilt für die Eingabe von Konturenzügen. Auch hier kann der Anwender über einen Kontureneditor auf typische Konturenzüge zugreifen, die dann grafisch dargestellt werden. Anschließend braucht er diese nur noch über eine dialoggeführte Eingabemaske an seine Anforderung anzupassen.

Automatische Werkzeugüberwachung

Damit keine Stillstandzeiten durch den unplanmäßigen Austausch von Werkzeugen entstehen, integrieren beide Ausführungen der Sinumerik solution line eine Werkzeugliste und Werkzeugüberwachung. Dabei zeigt die Werkzeugliste alle relevanten Werkzeugdaten an, wie beispielsweise die Werkzeugtypen inklusive ihrer Orientierungsrichtung, die Verschleißwerte ihrer Schneiden oder, bei Bohr- und Fräswerkzeugen, die verfügbaren Radien. Die automatische Werkzeugüberwachung unterstützt den Anwender dabei, den Verschleiß des Werkzeugs zu überwachen. Dabei kann er die Verschleißgrenzen und Standzeiten selbst definieren. Die CNC ermittelt selbstständig den Zeitpunkt, zu dem ein Werkzeug ausgetauscht werden muss, und löst einen Alarm aus, sobald die Verschleißgrenze eines Werkzeugs erreicht wird. Der Zeitpunkt, zu dem die CNC ein Werkzeug sperrt, kann so problemlos abgelesen werden – und die Instandhaltung planmäßig erfolgen.

Sicherer Fertigungsprozess

Um den Bediener sicher zu schützen, stattet Siemens seine Sinumerik 840D sl mit der Software „Safety Integrated“ aus. In diesem Sicherheitsbetrieb sind Geschwindigkeiten bis zu 2 m/min erlaubt. Treten Unregelmäßigkeiten auf, sorgt das Modul für einen schnellen Stopp. Alle Antriebe stehen spätestens nach 1 bis 2 mm.

Zusammenfassung

Die Palette der medizintechnischen Produkte reicht von einfachen Massenteilen bis hin zu hoch komplexen Werkstücken, z. T. als Einzelstückfertigung. Siemens bietet mit seinen CNC-Lösungen Sinumerik 840D sl und 802 D sl durchgängige Lösungen für alle relevanten Technologien und Anwendungen der Metallzerspanung und beherrscht auch die Prozesse des gesamten Datenworkflows der Werkhalle.

Siemens AG www.siemens.com

Autorin: Sabine Fietz , Siemens AG