Durch die Automations­brille

Nicht nur die Optik, die Funktionalität oder der medizinische Nutzen sind bei der Entwicklung neuer medizinischer Geräte entscheidend. Unterschätzt wird von Produktdesignern oft die Automationsfähigkeit des Entwurfs für die spätere Serienproduktion. Welche Folgen das haben kann und worauf bereits beim Design hinsichtlich der Fertigung zu achten ist, wissen die Automatisierungsspezialisten von PIA Automation.

Ein Inhalationsgerät für Asthmaerkrankungen wurde anfangs händisch montiert. Um höhere Stückzahlen zu bedienen, sollte auf eine automatisierte Produktion umgestellt werden. Doch bei der Planung folgte die böse Überraschung: Das Produkt war vom Design her nicht für den Automationsprozess geeignet. Es musste ein komplett neues Design entwickelt werden, inkl. neuer Werkzeuge, langwieriger Zulassungsprozesse und zusätzlicher Entwicklungskosten.

Dies ist ein häufiges Problem in der Entwicklungsphase medizinischer Geräte wie Inhalatoren, weiß Lothar Mehren, Head of Medical Devision bei PIA Automation: „Berücksichtigung finden vornehmlich optische, ästhetische und medizinisch relevante Details sowie die Vermarktbarkeit der Produkte. Die spätere Montage wird jedoch leider nicht mitgedacht.“ Oft bedeutet eine vollautomatisierte Fertigung dann einen erheblichen Mehraufwand bei der Zuführung von Bauteilen und bei Fügeprozessen – oder eine kostspielige Neuentwicklung samt zeitaufwändiger neuerlicher Zulassung. Wenn jedoch in der Konzept- und Produktentwicklung Automatisierungsexperten mit am Tisch sitzen, lassen sich Montageaspekte im Vorfeld berücksichtigen, als „Design for manufacturing“. „Wir schauen bereits beim Produktdesign durch die Automationsbrille“, so Lothar Mehren. „Der Kunde profitiert dann von einer geringeren Entwicklungszeit, geringeren Entwicklungskosten, einer höheren Prozesssicherheit und einer deutlichen Reduzierung des Projektrisikos.“ PIA Automation hat langjährige Erfahrung in der Beratung bei Konstruktion und Design, um frühzeitig alle Aspekte des späteren Montageprozesses einzukalkulieren.

Wachsender Markt für Re-Usables

Im medizintechnischen Bereich sieht PIA Automation zwei Entwicklungen hinsichtlich der automatisierten Fertigung; zum einen die Produktion von Disposables, klassischen Wegwerfartikeln wie Kanülen, Einweg-Pens oder Autoinjektoren, die sehr gut automatisiert und hochvolumig produziert werden können. Daneben wächst der Markt für wertigere Re-Usables mit steigendem integriertem Elektronikanteil, wie Insulin-Patch-Pumpen. Bei der Entwicklung von Re-Usables bringt PIA neben dem Konstruktions-Know-how auch Expertise für die automatisierte Fertigung kleinteiliger elektronischer Baugruppen mit. Dazu gehört die Montage von Kleinstteilen, das Handling von Leiterplatten, Steckern o. Ä. sowie Prozesse wie Löten und Fügen von kleinsten Bauteilen. PIA kann dabei sowohl die Großserienproduktion leisten als auch die nötige Infrastruktur für Kleinserien bereitstellen. Gerade im Bereich Medizintechnik und Pharma geht es zunächst um die Zulassung neuer Produkte und damit um die Produktion von technischen und klinischen Mustern. Dies ist bei PIA unkompliziert mit dem Einsatz von Halbautomaten möglich, bevor Produkte nach der Zulassung und bei entsprechender Nachfrage in großer Serie vollautomatisch gefertigt werden.

Worauf bereits in der Konstruktion und beim Design hochwertiger elektronischer medizinischer Geräte zu achten ist, zeigen einige grundsätzliche Aspekte, die in der Montage relevant werden.

Einfache Zuführbarkeit

Es sollte zunächst die einfache Zuführbarkeit der einzelnen Teile berücksichtigt werden. Beispielsweise sollten Zukaufteile wie Federn eng anliegende Windungen am Anfang, in der Mitte und am Ende aufweisen, damit die Federn sich beim Vereinzeln nicht ineinander schieben und verknäulen können. Ähnliches gilt für Kunststoffteile: Sie dürfen sich im Wendelförderer nicht ineinander verhaken. Darüber hinaus benötigen sie gewisse Orientierungshilfen oder Abfragekanten für eine sichere Zuführung. So können Teile sicher und in der vorgegebenen Zykluszeit zugeführt werden. Sollten die Teile nicht derartig konzipiert sein, erfordert dies meist teure Transportlösungen, wie z.B. eine Tray-Lösung mit einzelnen Kavitäten für die verschiedenen Kunststoffteile oder eine Blisterzuführung. Im Falle der genannten Federn käme z. B. ein Blistergurt zum Einsatz, in dem die Federn einzeln gesteckt weitergeführt werden.

Definierte Fügeprozesse

Ein weiterer Aspekt ist die möglichst einfache Montage von Kunststoffteilen. Dazu nötig sind definierte Fügeprozesse. Die Teile sollten Einführschrägen, Orientierungshilfen oder Fasen aufweisen, damit sie sich leichter ineinander stecken lassen. Auch die geometrische Auslegung der Teile sollte so geplant sein, dass sie gut zusammenpassen.

Freiheitsgrade berücksichtigen

Zu beachten sind darüber hinaus gewisse Freiheitsgrade zum Fügen der Kunststoffteile. Je weniger Bewegungsfreiheit die Bauteile haben, d. h. je enger die Toleranzen beim Zusammenbau sind, desto kostspieliger wird die Lösung für die präzise Positionierung zueinander. Die entsprechende Station müsste hochkomplex aufgebaut sein, um Toleranzen im Hundertstel- oder Tausendstel-Bereich erreichen zu können. Da es sich nie um ein einzelnes Kunststoffteil handelt, sondern um mehrere – je nach Gerät und Design –, die aus Spritzgusswerkzeugen mit mehreren Kavitäten stammen und miteinander verbaut werden müssen, summieren sich die einzuhaltenden Toleranzen und lassen kaum Spielraum bei der Montage. Jedoch werden Freiheitsgrade beim Design oft kaum berücksichtigt.

Optimale Positionierung

Zudem müssen die Bauteile ihre exakte Position bei der Montage beibehalten, damit sie sich nicht drehen oder herausfallen können. Dazu sollten direkt am Bauteil bestimmte Haltekanten oder Verrastungen angebracht sein. Andernfalls wird ein Werkstückträger für den Transport benötigt, der die Kosten der Anlage weiter erhöht. Erleichtert wird die Positionierung, wenn nur eine einzige Einbaulage des Kunststoffteils möglich ist. Dies wird bei PIA nach dem Poka-Yoke-Fehlerminimierungsprinzip schon in der Konstruktion berücksichtigt.

„Fertigung als Bestandteil des Designs“

Nicht jedem Produktdesigner sind diese Anforderungen bezüglich der Montage der Produkte geläufig, sodass die frühzeitige Einbindung von Automatisierungsspezialisten wie PIA sinnvoll ist. „Wir möchten Designer und Konstrukteure dafür sensibilisieren, die Fertigung als Bestandteil der Produktentwicklung zu verstehen“, betont Lothar Mehren. „Jede Seite bringt ihr Know-how ein, um dann ein rundum stimmiges Produkt herstellen zu können.“ Prozesssicherheit sowie Kosten- und Risikominimierung sollten schlüssige Argumente für einen frühzeitigen Blick durch die Automationsbrille sein.