Leben spendende Genauigkeit
Das richtige Vakuum in Milchpumpen zu erzeugen ist Präzisionsarbeit
(pressebox) Castrop-Rauxel, 29.01.2015 - Fast fühlt es sich an wie natürliches Stillen. In den Milchpumpen der Medela AG aus Baar (CH) sorgt ein kleiner Gewindestift beim Abpumpen der Milch für die Aufrechterhaltung eines angenehmen Vakuums für die Mutter. Bei der Entwicklung eines Montageautomaten zur Herstellung der Pumpaggregate kam es u.a. auf die sehr präzise Einschraubung eines druckausgleichenden Gewindestifts an. Dazu holte sich der Schweizer Anlagenbauer RoboMat Unterstützung in Deutschland: WSM-Automation aus Castrop-Rauxel lieferte Technik und Know-how zur Lösung eines anspruchsvollen Schraubfalls.
Weltweit vertreibt der Baarer Medizintechnikhersteller seine Milchpumpen und ermöglicht so auch Müttern, die nicht direkt stillen können, die Fütterung ihres Kindes mit der Leben spendenden Muttermilch. Dazu hat Medela Milchpumpen entwickelt, die mit der sog. 2-Phase-Expression Technologie arbeiten - einer schnellen Stimulationsphase folgt eine langsame Abpumpphase, die das nutritive Saugen des Neugeborenen nachahmt. Dafür erzeugt die Pumpe ein Vakuum, wobei die Mütter selber bestimmen können, welchen Maximalwert sie als angenehm empfinden (Maximum Comfort Vacuum (MCV)). Ein Sicherheitsventil bzw. eine Justierschraube verhindern, dass die Pumpe einen unerwünscht großen Unterdruck aufbaut.
Exakte medizinische Technik
Im Jahr 2013 entschloss sich Medela aufgrund der stetig steigenden Stückzahlen, die bis dahin übliche Handmontage der Pumpaggregate durch eine vollautomatische Anlage zu ersetzen. Zu diesem Zweck wurde der Anlagen- und Maschinenspezialist RoboMat aus Kleindöttingen (CH) mit der Entwicklung, Konstruktion und Erstellung eines Montageautomaten beauftragt, der aus acht Einzelteilen das erwähnte Aggregat montiert.
Das integrierte Sicherheitsventil besteht dabei im Wesentlichen aus einem Gewindestift oder einer Justierschraube, die in Verbindung mit einer Silikonmembran für den Druckausgleich sorgt. Der Gewindestift drückt mit seiner balligen Stirnseite auf eine Öffnung in der Membran und spannt diese vor. Entsteht ein Unterdruck, der größer ist als die Vorspannkraft der mittels Gewindestift gespannten Silikonmembran, löst sich diese von der Justierschraube, und es kann Luft nachströmen. Während des Montageprozesses ist dieser Stift (M3x8 mit balliger Spitze und einseitig vorhandenem Angriffsmerkmal Innensechskant SW1,5) mit einer Genauigkeit von +0,1 mm auf eine frei programmierbare Einschraubtiefe in ein Kunststoffgehäuse einzuschrauben.
RoboMat entwickelte für die Montage der Pumpenaggregte eine Rundtaktanlage. Die einzelnen Komponenten werden dazu in Wendelförderer geschüttet und automatisch dem Montageprozess zugeführt. Über entsprechende Module oder Vakuumsysteme erfolgt eine Vereinzelung der Bauteile. Für das Einschrauben des Gewindestifts entschieden sich die Ingenieure des Maschinenbauers für die Integration eins vollautomatischen Schraubsystems von WSM-Automation aus Castrop-Rauxel. "Dabei ging es uns nicht nur um eine funktionierende und präzise Technik", beschreibt Matthias Hilpert, Projektleiter Konstruktion bei RoboMat. "Die Schraubspezialisten haben mit ihrem Know-how und einer anwendungsspezifischen Lösungsfindung überzeugt." Die voll- oder halbautomatischen Schraub- und Zuführsysteme von WSM sind wartungs- und anwenderfreundlich, arbeiten je nach Größe und Vorgabe der Schrauben, Muttern oder Stifte auf Anzugsdrehmomente von nahe Null bis 24 Nm, zeichnen sich durch eine hohe Präzision, hohe Abtastraten und hohe Schraubgeschwindigkeiten aus. Sie arbeiten standardmäßig mit einer Tiefensensorik, die eine interne Auflösung von 0,0125 mm aufweist und in 0,1 mm-Schritten programmierbar ist. Die Einhaltung einer definierten Einschraubtiefe mit entsprechender Genauigkeit stellte also im Projekt für Medela keine große Schwierigkeit dar.
Entscheidend waren die Details
"Die größten Herausforderungen traten erst während des Entwicklungsprozesses auf. Es waren vor allem die Toleranzen der Bauteile und des Gewindestifts selber, die das präzise Einschrauben erschwerten", erläutert Matthias Hilpert. Zum einen war das die Position des Werkstücks in der Werkstückaufnahme. Trotz hochpräziser Fertigung seitens RoboMat kann insbesondere nach Rüst- und Wartungsarbeiten ein Höhenunterschied der Werkstückposition nicht ganz ausgeschlossen werden. Eine weitere Besonderheit liegt darin, dass das einzuhaltende Tiefenmaß von einer Gehäusekante auf die Spitze des Gewindestifts bemaßt ist. Fertigungsbedingt weisen die Bauteile aber gewisse Höhentoleranzen auf. Im Fall des neuen Montageautomaten war es daher nicht ausreichend, das Eindrehwerkzeug bzw. den Bit auf eine immer gleiche Tiefe zu bringen. Für die fest installierte Schraubeinheit kann vielmehr der einzustellende Tiefenabschaltpunkt bei jeder Verschraubung auf einem anderen Höhenniveau liegen. Beide Toleranzen ließen sich dank der Tiefensensorik der WSM-Schraubeinheit eliminieren, da sich diese auf dem Hub des Schraubermundstücks befindet. Intern schraubt die Maschine also immer wieder auf den gleichen Tiefenwert, obwohl sich das Schraubermundstück selbst dabei auf unterschiedlichen Z-Niveaus befinden kann.
Von der Spitze des Stiftes her gedacht
Den größten Aufwand verursachten in der exakten Tiefeneinbringung allerdings die Gewindestifte selbst. Michael Menzi, Projekt-Ingenieur bei Medela, erklärt den Hintergrund: "Die Justierschrauben lässt unser Unternehmen nach Zeichnung bei einem Drittanbieter anfertigen. Allerdings sind die Längentoleranzen zum Teil recht groß und könnten auf der Fertigungsseite nur mit einem erheblichen Kostenaufwand abgestellt werden. Ohne Berücksichtigung dieser Toleranz würde das System die Schraubtiefe bezogen auf den Kontaktpunkt zwischen Bit-Schulter und Stift-Oberkante ermitteln. Bei unterschiedlich langen Stiften würden damit auch die Einschraubtiefen unterschiedlich ausfallen."
Ein Problem, das RoboMat gemeinsam mit den Schraubspezialisten aus dem Ruhrgebiet zufrieden stellend lösen konnte. "Die Gewindestifte werden nicht einfach in ein Schraubermundstück geschossen und dann verschraubt, sondern die Einheit führt bei jedem Schraubvorgang ein aktives Messen durch", führt Matthias Hilpert von RoboMat aus. Das bedeutet, dass sie auf eine eingeschobene Prallplatte, eine sog. Einschraubplatte, zugeführt und dort am Außendurchmesser gegen ungewollte Rotation gespannt werden. Dann führt die Schraubeinheit den Mundstück- und Schraubendreherhub aus, der Antriebsmotor dreht dabei den Bit, um das Angriffsmerkmal zu finden. Wenn sich der zu diesem Zeitpunkt anliegende Tiefenwert innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte bewegt, wird das System auf diesem Niveau genullt. Somit ist es auf die Spitze des Gewindestiftes referiert und kann den Stift anschließend auf den gewünschten Tiefenwert eindrehen. Für die Schraubeinheit von WSM ist die geforderte Abschaltgenauigkeit von ? 0,1 mm dann wieder Standard. Mit der hohen Abtastrate der Steuerung von WSM mit 2 kHz und der Dynamik der Antriebskomponenten lässt sich der Gewindestift immer wieder auf den gleichen Tiefenwert drehen.
In einem Arbeitsgang
Mit dem neuen Montageautomaten, der seit Anfang 2014 bei Medela in Betrieb ist, konnte das Schweizer Unternehmen seine Herstellungskosten deutlich reduzieren. Ein weiterer Vorteil der neuen Anlage ist die mögliche In-Line-Prüfung der produzierten Teilaggregate. Deren Sollwert erfolgt über eine manuelle Einstelleinrichtung. Bereits während der Montage lässt sich nun überprüfen, ob der angestrebte Vakuumwert eingehalten wird. Möglich macht das die geforderte und eingehaltene Genauigkeit des Kontaktpunktes zwischen der Spitze des Gewindestiftes und der Silikonmembran von ? 0,1 mm. Würde diese Toleranz nicht erreicht, müsste der Prüfprozess noch vor dem Einschrauben der Justierschraube erfolgen. So aber können NIO-Teile sofort erkannt und aussortiert werden. "Für den weiteren Produktionsprozess ist das natürlich ein immenser Vorteil, wir können ohne Zeitverzug weiterarbeiten," so Michael Menzi. Er ist zufrieden mit der Genauigkeit der Einschraubtiefe und der Verfügbarkeit der Anlage. Dazu reichen ihm ein paar kurze und präzise Worten: "Es sieht gut aus, wir hatten bisher noch keine Ausfälle."
Weltweit vertreibt der Baarer Medizintechnikhersteller seine Milchpumpen und ermöglicht so auch Müttern, die nicht direkt stillen können, die Fütterung ihres Kindes mit der Leben spendenden Muttermilch. Dazu hat Medela Milchpumpen entwickelt, die mit der sog. 2-Phase-Expression Technologie arbeiten - einer schnellen Stimulationsphase folgt eine langsame Abpumpphase, die das nutritive Saugen des Neugeborenen nachahmt. Dafür erzeugt die Pumpe ein Vakuum, wobei die Mütter selber bestimmen können, welchen Maximalwert sie als angenehm empfinden (Maximum Comfort Vacuum (MCV)). Ein Sicherheitsventil bzw. eine Justierschraube verhindern, dass die Pumpe einen unerwünscht großen Unterdruck aufbaut.
Exakte medizinische Technik
Im Jahr 2013 entschloss sich Medela aufgrund der stetig steigenden Stückzahlen, die bis dahin übliche Handmontage der Pumpaggregate durch eine vollautomatische Anlage zu ersetzen. Zu diesem Zweck wurde der Anlagen- und Maschinenspezialist RoboMat aus Kleindöttingen (CH) mit der Entwicklung, Konstruktion und Erstellung eines Montageautomaten beauftragt, der aus acht Einzelteilen das erwähnte Aggregat montiert.
Das integrierte Sicherheitsventil besteht dabei im Wesentlichen aus einem Gewindestift oder einer Justierschraube, die in Verbindung mit einer Silikonmembran für den Druckausgleich sorgt. Der Gewindestift drückt mit seiner balligen Stirnseite auf eine Öffnung in der Membran und spannt diese vor. Entsteht ein Unterdruck, der größer ist als die Vorspannkraft der mittels Gewindestift gespannten Silikonmembran, löst sich diese von der Justierschraube, und es kann Luft nachströmen. Während des Montageprozesses ist dieser Stift (M3x8 mit balliger Spitze und einseitig vorhandenem Angriffsmerkmal Innensechskant SW1,5) mit einer Genauigkeit von +0,1 mm auf eine frei programmierbare Einschraubtiefe in ein Kunststoffgehäuse einzuschrauben.
RoboMat entwickelte für die Montage der Pumpenaggregte eine Rundtaktanlage. Die einzelnen Komponenten werden dazu in Wendelförderer geschüttet und automatisch dem Montageprozess zugeführt. Über entsprechende Module oder Vakuumsysteme erfolgt eine Vereinzelung der Bauteile. Für das Einschrauben des Gewindestifts entschieden sich die Ingenieure des Maschinenbauers für die Integration eins vollautomatischen Schraubsystems von WSM-Automation aus Castrop-Rauxel. "Dabei ging es uns nicht nur um eine funktionierende und präzise Technik", beschreibt Matthias Hilpert, Projektleiter Konstruktion bei RoboMat. "Die Schraubspezialisten haben mit ihrem Know-how und einer anwendungsspezifischen Lösungsfindung überzeugt." Die voll- oder halbautomatischen Schraub- und Zuführsysteme von WSM sind wartungs- und anwenderfreundlich, arbeiten je nach Größe und Vorgabe der Schrauben, Muttern oder Stifte auf Anzugsdrehmomente von nahe Null bis 24 Nm, zeichnen sich durch eine hohe Präzision, hohe Abtastraten und hohe Schraubgeschwindigkeiten aus. Sie arbeiten standardmäßig mit einer Tiefensensorik, die eine interne Auflösung von 0,0125 mm aufweist und in 0,1 mm-Schritten programmierbar ist. Die Einhaltung einer definierten Einschraubtiefe mit entsprechender Genauigkeit stellte also im Projekt für Medela keine große Schwierigkeit dar.
Entscheidend waren die Details
"Die größten Herausforderungen traten erst während des Entwicklungsprozesses auf. Es waren vor allem die Toleranzen der Bauteile und des Gewindestifts selber, die das präzise Einschrauben erschwerten", erläutert Matthias Hilpert. Zum einen war das die Position des Werkstücks in der Werkstückaufnahme. Trotz hochpräziser Fertigung seitens RoboMat kann insbesondere nach Rüst- und Wartungsarbeiten ein Höhenunterschied der Werkstückposition nicht ganz ausgeschlossen werden. Eine weitere Besonderheit liegt darin, dass das einzuhaltende Tiefenmaß von einer Gehäusekante auf die Spitze des Gewindestifts bemaßt ist. Fertigungsbedingt weisen die Bauteile aber gewisse Höhentoleranzen auf. Im Fall des neuen Montageautomaten war es daher nicht ausreichend, das Eindrehwerkzeug bzw. den Bit auf eine immer gleiche Tiefe zu bringen. Für die fest installierte Schraubeinheit kann vielmehr der einzustellende Tiefenabschaltpunkt bei jeder Verschraubung auf einem anderen Höhenniveau liegen. Beide Toleranzen ließen sich dank der Tiefensensorik der WSM-Schraubeinheit eliminieren, da sich diese auf dem Hub des Schraubermundstücks befindet. Intern schraubt die Maschine also immer wieder auf den gleichen Tiefenwert, obwohl sich das Schraubermundstück selbst dabei auf unterschiedlichen Z-Niveaus befinden kann.
Von der Spitze des Stiftes her gedacht
Den größten Aufwand verursachten in der exakten Tiefeneinbringung allerdings die Gewindestifte selbst. Michael Menzi, Projekt-Ingenieur bei Medela, erklärt den Hintergrund: "Die Justierschrauben lässt unser Unternehmen nach Zeichnung bei einem Drittanbieter anfertigen. Allerdings sind die Längentoleranzen zum Teil recht groß und könnten auf der Fertigungsseite nur mit einem erheblichen Kostenaufwand abgestellt werden. Ohne Berücksichtigung dieser Toleranz würde das System die Schraubtiefe bezogen auf den Kontaktpunkt zwischen Bit-Schulter und Stift-Oberkante ermitteln. Bei unterschiedlich langen Stiften würden damit auch die Einschraubtiefen unterschiedlich ausfallen."
Ein Problem, das RoboMat gemeinsam mit den Schraubspezialisten aus dem Ruhrgebiet zufrieden stellend lösen konnte. "Die Gewindestifte werden nicht einfach in ein Schraubermundstück geschossen und dann verschraubt, sondern die Einheit führt bei jedem Schraubvorgang ein aktives Messen durch", führt Matthias Hilpert von RoboMat aus. Das bedeutet, dass sie auf eine eingeschobene Prallplatte, eine sog. Einschraubplatte, zugeführt und dort am Außendurchmesser gegen ungewollte Rotation gespannt werden. Dann führt die Schraubeinheit den Mundstück- und Schraubendreherhub aus, der Antriebsmotor dreht dabei den Bit, um das Angriffsmerkmal zu finden. Wenn sich der zu diesem Zeitpunkt anliegende Tiefenwert innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte bewegt, wird das System auf diesem Niveau genullt. Somit ist es auf die Spitze des Gewindestiftes referiert und kann den Stift anschließend auf den gewünschten Tiefenwert eindrehen. Für die Schraubeinheit von WSM ist die geforderte Abschaltgenauigkeit von ? 0,1 mm dann wieder Standard. Mit der hohen Abtastrate der Steuerung von WSM mit 2 kHz und der Dynamik der Antriebskomponenten lässt sich der Gewindestift immer wieder auf den gleichen Tiefenwert drehen.
In einem Arbeitsgang
Mit dem neuen Montageautomaten, der seit Anfang 2014 bei Medela in Betrieb ist, konnte das Schweizer Unternehmen seine Herstellungskosten deutlich reduzieren. Ein weiterer Vorteil der neuen Anlage ist die mögliche In-Line-Prüfung der produzierten Teilaggregate. Deren Sollwert erfolgt über eine manuelle Einstelleinrichtung. Bereits während der Montage lässt sich nun überprüfen, ob der angestrebte Vakuumwert eingehalten wird. Möglich macht das die geforderte und eingehaltene Genauigkeit des Kontaktpunktes zwischen der Spitze des Gewindestiftes und der Silikonmembran von ? 0,1 mm. Würde diese Toleranz nicht erreicht, müsste der Prüfprozess noch vor dem Einschrauben der Justierschraube erfolgen. So aber können NIO-Teile sofort erkannt und aussortiert werden. "Für den weiteren Produktionsprozess ist das natürlich ein immenser Vorteil, wir können ohne Zeitverzug weiterarbeiten," so Michael Menzi. Er ist zufrieden mit der Genauigkeit der Einschraubtiefe und der Verfügbarkeit der Anlage. Dazu reichen ihm ein paar kurze und präzise Worten: "Es sieht gut aus, wir hatten bisher noch keine Ausfälle."
