Fallstudie: Verdoppelte Produktion bei Medizingerätehersteller

16. September 2016, von Johanna Braun

Kollaborierend und sicher auf engem Raum, das Zusammenspiel von Mensch und Roboter bringt dem Medizingerätehersteller einen erheblichen Leistungsschub.

Steigende Kosten und von Kunden geforderte Preissenkungen hatten beim Medizingerätehersteller Tegra Medical zu spürbaren Gewinneinbußen geführt. Durch den Einsatz von drei kollaborierenden Roboterarmen von Universal Robots in der maschinellen Fertigung von medizinischen Instrumenten konnte der Produktionsdurchsatz verdoppelt werden. Außerdem wurden dadurch Ressourcen von elf Mitarbeitern frei, die nun für andere, anspruchsvollere Arbeiten eingesetzt werden. Der spezialisierte Hersteller ist dadurch in der Lage, mit der Kundennachfrage Schritt zu halten, während gleichzeitig die Kosten niedrig gehalten werden.

Im Hauptproduktionswerk von Tegra Medical in Franklin, Massachusetts, arbeiten kollaborierende Roboter von Universal Robots direkt neben den Mitarbeitern. In einer Art Zelle werden Komponenten für ein Operationsinstrument, das in der Meniskusrekonstruktion eingesetzt wird, hergestellt, wobei Roboter und Arbeiter hier auf engem Raum zusammenarbeiten. Bei dem Roboterarm, der die Maschinenbestückung übernimmt, handelt es sich um einen UR10 von Universal Robots. Mit einer Reichweite von 1300 mm nimmt er Rohlinge aus drei verschiedenen Trichtern, legt zwei davon in zwei Schleifmaschinen, während der dritte an eine Drehbank gebracht wird, wo ein integriertes Schneidwerkzeug eine Schrägkante am Ende eines Operationsinstruments für die Meniskusrekonstruktion vornimmt.

Für die gesamte Branche und damit auch für den spezialisierten Medizingerätehersteller ist diese Zelle ein Novum. „Aber so können in einem einzigen Bearbeitungszyklus drei verschiedene Produkte gleichzeitig bearbeitet werden“, sagt Hal Blenkhorn, Leiter Fertigungstechnik bei Tegra Medical. Für Paul Quitzau, Senior Engineering Manager bei Tegra Medical, ist dieser Produktionsablauf ideal: „Es ist wie beim Anrichten des Frühstücks – während das Brot in den Toaster gelegt wird, werden die Eier gekocht, damit alles gleichzeitig fertig wird.“

Bevor Tegra Medical die UR10-Roboterzelle integrierte, startete das Unternehmen mit zwei kleineren Zellen, die jeweils einen UR5-Roboterarm, dem „kleinen Bruder“ des UR10, zur Maschinenbestückung verwendeten. Diese zeichnen sich durch die gleiche Wiederholgenauigkeit aus, haben aber einen Arbeitsradius von 850 mm. Der UR5 nimmt auch hier den Rohling vom Trichter und bewegt ihn dann zwischen Drehbank, Schleifmaschine und Förderband. Dieser Zyklus dauert jetzt nur noch 10 Sekunden im Vergleich zu den 22 Sekunden, die zuvor bei manueller Arbeit benötigt wurden. „Für uns waren Aspekte wie Kosten, Präzision, einfaches Einrichten sowie die Bedienbarkeit wichtig. Universal Robots konnte das alles bieten. Der Preis und das entsprechende Angebot waren extrem wettbewerbsfähig. Und Präzision sowie Design lagen weit über dem, was der Markt nach unserer Einschätzung sonst noch anzubieten hatte“, fasst Blenkhorn zusammen.

Für Paul Quitzau, Senior Engineering Manager bei Tegra Medical, ist der Produktionsablauf nun ideal und ermöglicht die Automatisierung von repetitiven Aufgaben.

Einfache Programmierung für eine verbesserte Produktqualität

Paul Quitzau hat die drei Roboterzellen bei Tegra Medical programmiert, einen Vorgang, den er als sehr einfach empfunden hat. Der UR-Roboter wird über einen Touchscreen programmiert. Die Ausrichtung des Roboterarms erfolgt entweder über Pfeiltasten auf dem Bildschirm oder über die Teach-Funktion. Das heißt, dass der Mitarbeiter den Roboterarm greift und ihm die gewünschten Bewegungen zwischen den verschiedenen Wegpunkten lernt. „Jeder, der in der Lage ist, logisch zu denken und sich vorstellen kann, wie ein Prozess ablaufen soll, kann einen UR-Roboter programmieren. Die Bildschirme sind benutzerfreundlich und die Befehle sind fast selbsterklärend. Ich habe die gesamte Anwendung ohne große Probleme konfiguriert – und ich bin kein Programmierer, ich bin Techniker“, so Quitzau.

Ferner konnte die Produktqualität erhöht werden, da das Unternehmen die manuelle Fertigung vollkommen eingestellt hat. Auf dem Tisch des technischen Leiters Dick Guilbert, der die Qualitätskontrollen durchführt, sind nur wenige Teile in der Ausschussbox gelandet. „Die Konsistenz ist besser geworden, weil es keine Mitarbeiter mehr gibt, die die Teile unterschiedlich zuführen. Jetzt haben wir pro Tag einige wenige Ausschussteile. Vorher waren das wesentlich mehr“, sagt er. Ein anderer Vorteil, den Quitzau betont, ist das modulare Design. Sein Team weiß es zu schätzen, wenn die Ersatzteile beim Vertriebshändler oder in einer lokalen UR-Niederlassung vorrätig sind, so dass bei Bedarf eine Lieferung über Nacht erfolgen kann: „Mit dem modularen Design des UR-Roboters können wir Ersatzteile nun selbst einbauen, ohne von einem Integrator abhängig zu sein. Wir halten das gerade in Zeiten von einem starken Produktionsdurchlauf eindeutig für den besseren Weg.”

Hal Blenkhorn, Leiter Fertigungstechnik bei Tegra Medical, mit einem seiner Mitarbeiter. Die Bedienbarkeit des Leichtbauroboters ist einfach und intuitiv und erlaubt eine Handhabung auch ohne Programmierkenntnisse.

Eingebaute Sicherheit schützt Mitarbeiter

Die kollaborierenden Roboter von Universal Robots arbeiten nach erfolgreicher Risikoanalyse ohne oder nur mit minimaler Schutzvorrichtung direkt neben den Mitarbeitern. Das ist ein enormer Fortschritt gegenüber traditionellen Industrierobotern, die streng abgetrennt von Menschen im Einsatz sind. „Als wir den Schritt in die Automatisierung wagen wollten, waren die neuen kollaborierenden Roboter gerade erst auf den Markt gekommen. Die Vorteile dieser Technik haben uns direkt überzeugt. Denn wir wollten einen Großteil unserer Produktion in diese Zelle verlagern, wo Mitarbeiter mit Automatisierung in Berührung kommen“, sagt Blenkhorn.

Ein wichtiges Merkmal der Roboterarme ist zudem, dass sie automatisch stoppen, wenn sich im Arbeitsbereich des Roboters Gegenstände oder Menschen befinden. Als spezielle Sicherheitsmaßnahme hat Tegra Medical noch Sicherheitsmatten verlegt. Sobald ein Mitarbeiter die Matte in der Zelle betritt, stoppt der Roboter sofort und setzt seinen Betrieb erst dann fort, wenn der Arbeiter die Matte verlässt und eine Eingabeaufforderung betätigt. „Diese weitere Maßnahme ermöglicht unseren Mitarbeitern, sich dennoch im Arbeitsraum zu bewegen wenn dies erforderlich ist. Legt beispielsweise der Roboter Teile auf das Förderband, können unsere Mitarbeiter also weiterarbeiten und von der anderen Seite des Bands aus Teile entnehmen“, erläutert Quitzau.

Der UR10 fertigt in einem Bearbeitungszyklus drei unterschiedliche Produktkomponenten.

Erhaltung der Arbeitsplätze

„Wenn man von Robotern spricht, befürchten viele einen Jobverlust. 2014 verkündete unser CEO aber, dass unser Werk zum Robotics Center of Excellence der Tegra Medical Plattform wird – und dass keiner seinen Job an einen Roboter verlieren wird”, resümiert Blenkhorn. Jene Mitarbeiter, die also durch den Einsatz von Robotern freie Ressourcen übrig hatten, wurden in andere Prozesse und Abläufe eingearbeitet, die das Unternehmenswachstum unterstützen sollen. „Wenn wir sehen, dass die Tätigkeit eines Arbeiters lediglich darin besteht, alle 10 oder 20 Sekunden ein Teil in eine Maschine zu legen, ist es uns sehr daran gelegen, ihm Aufgaben mit höherer Wertschöpfung zuzuweisen.“

Ein Meilenstein ist erreicht: Eine Million Teile

Tegra Medical hat bereits innerhalb eines Jahres eine Million Teile mit der ersten UR5-Zelle hergestellt. „Präzision und Wiederholbarkeit waren uns ein großes Anliegen. Wir hatten Bedenken und stellten uns die Frage, ob wir den Roboter bei einem derartig enormen Produktionszyklus in dieser Zelle einsetzen konnten und Jahr für Jahr die Wiederholbarkeit erreichen würden. Alle paar Monate wird der Roboter von uns in Stichprobenkontrollen überprüft. Wir wollen sicher sein, dass die Achsen stimmen und die Produktion heute genauso gut ist wie bei Inbetriebnahme der Zelle vor einem Jahr“, so der Leiter der Fertigungstechnik bei Tegra Medical.

Sein Kollege Paul Quitzau erinnert sich an den Moment, als der Medizintechnikhersteller die erste Zelle in Betrieb nahm: „Zunächst haben wir die manuelle Zelle direkt daneben aufrechterhalten. Wenn man davor steht und die beiden Abläufe beobachtet, lernt man die Wiederholungsbewegung des Roboters wirklich zu schätzen. Er kommt kein einziges Mal aus dem Takt. Der Mitarbeiter, der die gleiche Tätigkeit allerdings manuell verrichtet, ist in der Zwischenzeit sehr damit beschäftigt, Schritt zu halten, zwei Maschinen zu bedienen, zwischendurch eine Pause einzulegen, mit Kollegen zu reden und sich Zeit für die Durchführung einer Qualitätskontrolle zu nehmen. Zu einem späteren Zeitpunkt wird derselbe Arbeiter dann langsam müde, braucht etwas mehr Zeit zwischen den Teilen, während der Roboter schneller zu werden scheint. Uns war damit klar, dass der manuelle Prozess der Vergangenheit angehört.“

Die erste Zelle bei Tegra Medical mit einem UR5 von Universal Robots zur Fertigung von 70,000 Teilen täglich sechs Tage die Woche.

Nur die Spitze des Eisberges

Gerade hat Tegra Medical seinen vierten UR-Roboter erworben. Ein weiterer UR10 soll eingesetzt werden, um Teile in ein Laserbeschriftungssystem zu legen und wieder herauszunehmen. „Die größere Reichweite des UR10 ermöglicht es uns erneut, mehrere Maschinen zu betreiben, so dass in einer bestimmten Zelle mehrere Artikel hergestellt werden können“, so Quitzau weiter. UR-Roboter könnten zusätzlich auch eingesetzt werden, um die Prozessstabilität zu gewährleisten: „Beispielsweise bei Reinigungsvorgängen, bei denen in bestimmten Intervallen Körbe und Teile in Reinigungs- und Spültanks gelegt und wieder herausgenommen werden.

Eine andere potentielle Anwendung ist der von uns als Nassprozess bezeichnete Vorgang. Dabei könnten die Roboter Chemikalien durch einen Prozess bewegen, für den unsere Mitarbeiter heute Kittel, Handschuhe und Gesichtsmasken tragen müssen. Das ist eine sehr unangenehme Aufgabe und es wäre hervorragend, wenn der Roboter das übernehmen könnte.“ Für Blenkhorn stellen die drei bestehenden UR-Roboterzellen „einen großen finanziellen Erfolg“ dar: „Diese Zellen haben sich nach unserer Einschätzung durchschnittlich innerhalb von drei bis sechs Monaten amortisiert. Üblicherweise gehen wir aber bei Projekten von eineinhalb bis zwei Jahren aus. Die Einführung dieser beiden neuen kollaborierenden Roboter ist für uns also ein enormer Erfolg.“

Mit dem Einsatz der kollaborierenden Roboter in der Produktion bei Tegra Medical ist allerdings nur die Spitze des Eisberges erreicht. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und erlauben die Optimierung von den unterschiedlichsten Fertigungsarbeiten über alle Branchen hinweg. Damit sichern sich Unternehmen einen enormen Leistungsschub und bleiben so auch langfristig wettbewerbsfähig.

Ein Video zu dieser Referenzgeschichte gibt es hier.

Wir danken Universal Robots für die Bereitstellung dieser Fallstudie!

Über Tegra Medical Tegra Medical ist ein Medizingerätehersteller mit rund 600 Mitarbeitern und Niederlassungen in den USA und Costa Rica. Das Unternehmen beschäftigt sich ausschließlich mit Präzisionsbearbeitung und Auftragsfertigung für Hersteller medizinischer Instrumente. Tegra Medical produziert Komponenten für führende Hersteller chirurgischer Instrumente, vom Prototypen bis hin zum Produkt.

Über Universal Robots Universal Robots wurde im Jahr 2005 von drei Wissenschaftlern gegründet mit dem Ziel, Robotertechnologie allen zugänglich zu machen. Damit schufen sie einzigartige Industrie-Roboter zur Automatisierung und Rationalisierung für alle industriellen Prozesse, die preisgünstig, flexibel und benutzerfreundlich sind. Nach einer erfolgten Risikoanalyse können die Roboterarme ohne oder nur mit minimaler Schutzvorrichtung direkt neben dem Menschen arbeiten. Das Produktportfolio umfasst die kollaborierenden UR3, UR5 und UR10 Roboterarme, die nach ihren Nutzlasten in Kilogramm benannt sind. Seit die ersten UR-Roboter im Dezember 2008 auf den Markt kamen, hat das Unternehmen ein deutliches Wachstum mit dem benutzerfreundlichen Roboterarmen erfahren und wird jetzt in mehr als 50 Ländern weltweit verkauft. Die durchschnittliche Amortisationszeit für UR-Roboter ist mit nur 195 Tagen die schnellste in der Branche. Der Unternehmenssitz befindet sich in Odense, Dänemark. Zudem verfügt das Unternehmen über Niederlassungen in den USA, Spanien, Deutschland, Singapur und China. Weltweit beschäftigt Universal Robots über 200 Mitarbeiter. Im Juni 2015 wurde der Pionier der Leichtbaurobotik von Teradyne, einem führenden Anbieter von automatischem Test Equipment, übernommen.

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29.06.20, von Pascal Staub-Lang, Leiter Kompetenzzentrum Maschinensicherheit, TÜV SÜD Industrie Service GmbH

Die Erfahrung zeigt: Bei der Integration von Robotersystemen in industrielle Fertigungsprozesse herrscht noch viel Unsicherheit. Die Hersteller müssen eine sichere Funktionalität der Systeme gewährleisten. Doch wie werden die Systeme in den Gesamtbetrieb integriert? Welche Normen gelten? Und welche Schutzmaßnahmen müssen getroffen werden? TÜV SÜD zeigt, was nötig ist, um die Sicherheit der Maschinenbediener zu gewährleisten und wirtschaftliche Fertigungsprozesse zu ermöglichen. Weiterlesen