Stanzen oder Bearbeiten: Was wählen Sie für Ihre Metallgeräte?

Daphne Allen | Mar 30, 2018

Sie entwickeln ein medizinisches Metallgerät und gleichen Budget, Fristen, Designüberlegungen und mehr ab. Für welches Verfahren entscheiden Sie sich – Stanzen oder Zerspanen?MD+DI fragte Steve Santoro, einen Veteranen der Metallverarbeitung, Executive Vice President von MICRO, die beiden Prozesse zu vergleichen und einen Blick auf die Zukunft der Metallverarbeitung zu werfen. Santoro ist seit 2002 bei MICRO und war während seiner gesamten Karriere in der Auftragsfertigungsbranche tätig.

MD+DI: Was sind die grundlegenden Unterschiede zwischen Stanzen und Bearbeiten bei medizinischen Geräten?

Santoro: Der wichtigste Faktor bei der Betrachtung von Stanzen gegenüber maschineller Bearbeitung ist die Passung, Form und Funktion eines Bauteils in Verbindung mit der Geometrie des Teils und des verwendeten Materials. Wenn ein medizinisches Gerät für eine unbegrenzte Anzahl von Anwendungen konzipiert ist, funktioniert die maschinelle Bearbeitung am besten, da dadurch komplexe Teile entstehen, die eine lange Lebensdauer gewährleisten. Für Produkte, die nur einmal verwendet werden sollen, ist das Stanzen ein besserer Ansatz, da dadurch Präzisionsteile hergestellt werden können, die tendenziell weniger langlebig sind.

Auch das Volumen kann ein wesentlicher Faktor im Entscheidungsprozess sein. Wenn mehrere Millionen Bauteile pro Woche benötigt werden, beispielsweise Ligaturklammern, lässt sich dies problemlos durch Stanzen bewerkstelligen. Um solche Mengen zu bearbeiten, wären möglicherweise 100 Bearbeitungszentren erforderlich. Daher ist eine Skalierung in diesem Ausmaß mit maschineller Bearbeitung im Hinblick auf den Kapitalaufwand möglicherweise nicht praktikabel.

Ein weiterer Gesichtspunkt sind die Werkzeugkosten. Wenn ein Gerät beispielsweise enge Toleranzen von +/- 0,0005 Zoll erfordert und ein Volumen von 3.000 bis 5.000 Teilen pro Woche aufweist, ist die maschinelle Bearbeitung in der Regel die Technologie der Wahl, da sie vielseitiger und präziser ist. Sofern das richtige Bearbeitungszentrum vorhanden ist, muss dieses lediglich entsprechend der Teilegeometrie programmiert werden. Dies steht in scharfem Gegensatz zu einer progressiven Prägematrize, deren Entwurf und Bau länger dauert und außerdem teurer ist.

Auch die Teilegeometrie ist ein wichtiger Aspekt. Es gibt einige Komponenten, die einfach nicht gestempelt werden können. Beispielsweise kann ein Teil aus vollhartem 304-Edelstahl mit einer Dicke von 1/8 Zoll und einem Loch mit einem Durchmesser von 0,040 nicht gestanzt werden. Es gibt kein Stanzmaterial, das die zum Durchstechen dieses Materials mit diesem Durchmesser erforderliche Last aushalten kann. Am besten funktioniert hier die Bearbeitung gepaart mit der Lasertechnik.

MD+DI:Gibt es Marktbedürfnisse/Anfragen, die mit beiden Technologien am besten gelöst werden könnten?

Santoro: Angesichts des breiten Spektrums an Kunden, die MICRO unterstützt, gibt es bestimmte Technologien, die besser zu ihren Bedürfnissen und Endzielen passen. Stempeln ist beispielsweise für Kunden wertvoll, die Einweggeräte entwerfen, da diese tendenziell weniger robust sind und deutlich geringere Herstellungskosten verursachen als wiederverwendbare Geräte. Die maschinelle Bearbeitung hingegen bietet sich für die Entwicklung wiederverwendbarer Geräte an, da diese einer wiederholten Verwendung standhalten müssen – allerdings ist diese Haltbarkeit tendenziell mit höheren Kosten verbunden. Metallspritzguss (MIM) oder MIM plus Bearbeitung bietet einen überzeugenden Mittelweg in Bezug auf Preis und Haltbarkeit.

MD+DI: Gibt es Unterschiede bei der Materialauswahl?

Santoro: Bei der Frage, ob Stanzen oder Bearbeiten der beste Ansatz für die Entwicklung eines medizinischen Geräts ist, müssen Materialstärke und Materialhärte berücksichtigt werden, um die effektivsten und effizientesten Ergebnisse zu erzielen. Wenn es beispielsweise um die Materialstärke geht, kann das Stanzen eine Einschränkung darstellen, da die Dicke im gesamten Teil gleichmäßig sein muss. Hinsichtlich der Materialhärte kann praktisch jede Härte bearbeitet werden. Beim Stanzen muss die Materialhärte sorgfältiger berücksichtigt werden, da bei der Umformung die Gefahr von Rissen besteht. Außerdem ist Titan in vielen Fällen das Material der Wahl für Implantate und eignet sich am besten für CT-Scans. Titan ist in Draht-, Stab- und Blechform erhältlich; Allerdings ist es üblicherweise nicht in Endlosstreifen erhältlich, die für die meisten Stanzvorgänge benötigt werden.

[Bild rechts: Ein gestanztes Teil]

Die Materialauswahl hat ihre Grenzen. Im Allgemeinen können die meisten Rotmetalle, rostfreien Stähle, Titan (Draht) und kaltgewalzter Stahl gestanzt werden. Generell ist zu beachten, dass das Stempeln umso schwieriger ist, je schwerer die Stärke und je höher die Härte ist.

Die meisten medizinischen Stanzteile bestehen aus Edelstahl 302, 304, 17-4 oder 17-7. Bei MICRO stanzen wir das gesamte Spektrum an handelsüblichen Härtegraden bis einschließlich Vollharthärte sowie Dicken bis zu 0,060 Zoll. Bei der Bearbeitung können alle gleichen Materialien bis einschließlich Vollharthärtegrad bearbeitet werden. Es bietet auch weitaus mehr Möglichkeiten, wenn es darum geht, komplexe Formen aus sehr dicken Rohlingen mit extrem genauen Toleranzen aus allen Materialien zu erstellen, die gestanzt werden können. Allerdings gibt es bei der maschinellen Bearbeitung auch Kostenaspekte, da sie in der Regel teurer pro Einheit ist.

Bei MICRO verfügen wir über mehr als 50 Metallstanzpressen mit bis zu 220 Tonnen, darunter über 30 Bruderer-Hochgeschwindigkeitspressen mit 30 bis 60 Tonnen und einer Geschwindigkeit von bis zu 1200 Hüben pro Minute. Die meisten sind mit modernster Sensortechnik ausgestattet. Teile werden normalerweise lose oder in Rolle-zu-Rolle-Konfigurationen geliefert.

MD+DI: Gibt es Unterschiede im Präzisionsdesign oder der Gerätestärke?

Santoro: Wenn sich der Produktdesigner für das Stanzen entscheidet, gibt es angesichts der potenziellen Kosten einer komplexen Folgeverbundstanze kaum Spielraum für Fehler. Daher ist es wichtig, dass die Entwürfe frühzeitig im Entwurfsprozess vom Hersteller überprüft und genehmigt werden.

Es sollte auch beachtet werden, dass es äußerst schwierig sein kann, das Teil als Stanzteil umzukonstruieren, um die Kosten zu senken, ohne dass grundlegende Designänderungen erforderlich sind, sobald das Produkt unter Verwendung bearbeiteter Komponenten entworfen wurde.

Die MIM- oder MIM-Plus-Bearbeitung kann hinsichtlich der Kosten einen Mittelweg im Vergleich zu einem vollständig bearbeiteten Teil bieten.

Oben: MIM-Teil mit bearbeitetem Schlitz

MD+DI: Wie wurde jede Technologie im Laufe der Jahre modernisiert?

Santoro: Citizen hat kürzlich Swiss Turn-Bearbeitung und Laserschneiden in einer fortschrittlichen Maschine kombiniert. Das Citizen L200 CNC-Bearbeitungszentrum eignet sich besonders für die Herstellung von Rohren und kombiniert eine 7-Achsen-CNC-Drehmaschine im Schweizer Stil mit einem integrierten 400-W-Laserschneider. Es schneidet Schlitze und Löcher per Laser und bearbeitet gleichzeitig unterschiedliche Außendurchmesser, wodurch Rüstzeit, Nachbearbeitung und Bearbeitungskosten reduziert werden.

Robotik wurde in Stanz- und Bearbeitungszentren integriert, um den Zeitaufwand zu verkürzen und menschliche Fehler bei sich wiederholenden Aufgaben zu verringern.

MD+DI: Ist eines davon besser für bestimmte Sekundärprozesse oder Endbearbeitungsschritte geeignet?

Santoro: Sekundäre Prozesse müssen im Einzelfall behandelt werden. Dabei handelt es sich möglicherweise nicht um ein Problem zwischen Bearbeitung und Stanzen, es sei denn, es wird aufgrund des Volumens und der Vorlaufkosten in der Produktdesignphase aus der Notwendigkeit heraus diktiert und entworfen.

Die Teilegeometrie kann die sekundären Prozessschritte bestimmen. Beispielsweise kann die Teilegeometrie bei Bedarf eine Massenpassivierung zulassen oder vorschreiben, dass Teile zur Passivierung in Regale gestellt werden. Hierbei handelt es sich um sehr unterschiedliche Prozesse mit sehr unterschiedlichen Kosten (wobei die Masse fast immer geringer ist), unabhängig davon, ob sie gestanzt oder maschinell bearbeitet werden.

Dennoch eignet sich das Stanzen möglicherweise besser für sekundäre Vorgänge und die Automatisierung, da das Teil in vielen Fällen auf einem Trägerband belassen werden kann, um automatisierte sekundäre Prozesse wie Entfetten oder selektives Plattieren zu ermöglichen. Dies bietet sich auch für die Durchführung eines sekundären Arbeitsgangs an, der beim Stanzen nicht durchgeführt werden kann, z. B. das Anschweißen einer Gewindemutter, das Anbringen eines Silberkontakts, die Lasermarkierung, das Schärfen usw.

MD+DI: Gibt es Benutzerherausforderungen, die mit beiden Technologien gelöst werden können?

Santoro: Die Entwicklungsgeschwindigkeit wird durch maschinell bearbeitete Komponenten verbessert. Aufgrund des Fehlens spezieller Werkzeuge ist es in der Regel schneller, eine Designänderung vorzunehmen und Entwicklungsmuster für ein bearbeitetes Teil zu erhalten, als für ein gestanztes Teil.

Oben: PEM-bearbeitetes Teil

MD+DI: Wie wird sich jede Technologie in den nächsten 5 Jahren verändern? 20 Jahre?

Präzise elektrochemische Bearbeitung (PEM) ist eine revolutionäre neue Technik, die einige Vorteile gegenüber allen oben genannten in Bezug auf Materialauswahl, Oberflächenbeschaffenheit usw. bietet. Es handelt sich um einen leistungsstarken, berührungslosen Metallformungsprozess, der eine PEM-Maschine mit einer kombiniert Elektrolytaufbereitungseinheit, Stromgenerator und Bedienstation. Mithilfe von elektrischem Strom und einem oszillierenden Werkzeug, das in einem leitfähigen Elektrolyten (Salzwasser) getaucht ist, löst PEM Metall durch Verflüssigung auf. Ein positiv geladenes Werkstück (die Anode) nimmt beim Auflösen des Metalls die Form des negativ geladenen Werkzeugs (die Kathode) an. Das Ergebnis ist ein hochwertiges, gratfreies Teil. Und da die Elektrode oder das „Werkzeug“ niemals die Anode oder das „Werkstück“ berührt, kommt es zu keinem Verschleiß am fertigen Teil. (Ein PEM-Teil finden Sie rechts und die Abbildung unten zeigt den Prozess.)

Vorteile und Möglichkeiten von PEM:

Oben: Eine Illustration der präzisen elektrochemischen Bearbeitung (PEM)

MD+DI: Wird der 3D-Druck eine der beiden Technologien ersetzen?

Santoro: Da sich die Qualität der additiven Fertigung verbessert, ist mit einem gewissen Rückgang der Kleinserienbearbeitung zu rechnen. Beim Stanzen hingegen handelt es sich um einen kostengünstigen Prozess mit hohem Volumen, der in absehbarer Zukunft weniger beeinträchtigt werden dürfte.

Für weitere Einzelheiten besuchen Sie MICRO vom 18. bis 19. April am BIOMEDevice Boston-Stand Nr. 317.

[Alle Bilder mit freundlicher Genehmigung von MICRO]

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