Probleemoplossing bij een niet-werkende CNC turn-mill: Waarom het stagneerde & hoe te repareren

De tweede B-as turn-mill die MoManTech kocht voert momenteel geen draaiwerk uit, maar produceert een reeks complexe, prismatische medische componenten van staafmateriaal. (Alle foto's zijn courtesy van MoManTech.)

Ik heb een aantal zeer geavanceerde machining-bedrijven bezocht die in het midden van het niets liggen. Vanwege coronavirus-reisbeperkingen kon ik MoManTech niet bezoeken — de precisiemachinezaak die in dit verhaal geprofileerd wordt — gevestigd in Sheridan, Montana. Maar “midden van het niets” is precies hoe eigenaar Kirt Johnston zijn bedrijf’s locatie beschrijft.

Het kostte een leap of faith voor hem en zijn gezin om er te komen. Oorspronkelijk uit Indiana, had hij de managementrang doorlopen bij een medische apparaatfabrikant in Warsaw. In 2003, op 31-jarige leeftijd, had hij plannen om het bedrijf over te nemen. Zijn plannen veranderden toen hij in het ziekenhuis belandde als gevolg van werkgerelateerde stress.

Kirt Johnston haalde zijn tenten op in Indiana om zijn gezin naar Montana te verplaatsen, waar hij een kleine machinezaak kocht. Hij voegde onmiddellijk 4.000 vierkante voet vloerruimte toe aan het gebouw alsook een diverse reeks geavanceerdere CNC-apparatuur.

Toevallig leerde hij over een kleine machinezaak in een 700-inwoners Montana-stad te koop door een eigenaar die zijn eigen gezondheidsproblemen had en op pensioen uitkeek. Die 1.800-vk-voet zaak had slechts een paar knie-freesmachines en drie motordraaibanken. Maar het lag op drie acre grond met killer-uitsichten. Kort verhaal: hij kocht die zaak en verhuisde zijn gezin erheen, achterlatend de zekerheid van bestaand werk voor de onbekenden die deze nieuwe ervaring zou presenteren.

En toen ik zeg dat hij zijn gezin daarheen verhuisde, deed hij dat inderdaad. Voor een paar jaar woonden zijn vrouw en zakelijke partner, Michelle, en twee jongens — 2 en 5 jaar oud op dat moment — in een 800-vk-voet appartement bevestigd aan de zaak.

De situatie is nu heel anders. Na daarheen te zijn verhuisd in juli 2004, breidde Johnston de zaak uit met 4.000 vk-voet en begon werknemers en geavanceerdere CNC-apparatuur toe te voegen, zoals freesmachines, een draaicentrum, Swiss-type draaibanken, een draad-EDM-eenheid en B-as turn-mills.

MoManTech’s eerste B-as turn-mill, gekocht in 2012, stelde de zaak in staat om meer complex medisch werk aan te gaan. De tweede deed dat ook. De laatste is een QuickTech 9-as S42ATM turn-mill-machine met subspindle van Absolute Machine Tools, die vorige juli geïnstalleerd werd. Misschien wat het meest interessante aan deze machine is, die zowel draaien als frezen kan uitvoeren, is dat het uitsluitend voor frezen gebruikt wordt. “Ik heb nooit een draaigereedschap in het geïnstalleerd,” zegt Johnston. Het gebruik van deze machine op deze manier heeft de zaak in staat gesteld om snellere changeovers te realiseren voor de 100 verschillende deelnummers in twee onderdeelfamilies die over de machine lopen, terwijl de optie open blijft voor additionele prismatische werk van staafmateriaal, indien dat werk zich voordoet.

Geen draaien terug

ISO 13485-gecertificeerd, gespecialiseert MoManTech in chirurgische apparaten voor wervelkolom, trauma, grote gewrichten en tandheelkundige toepassingen alsook implantaten. De reeks capaciteiten stelt het in staat om een virtuele one-stop-shop te zijn voor de medische behoeften van zijn klanten. Naast zijn diverse machining-capaciteiten heeft de zaak in-house secundaire processen zoals laser-etschen/merken, ultrasonische reiniging en citraat-passivatie. MoManTech heeft ook kunststof- en metaal-3D-printers die het primair gebruikt om fixtures te creëren die in de zaak gebruikt worden (zie de bijlage hieronder).

MoManTech machineert een reeks componenten voor medische apparaten en implantaten.

De QuickTech S42ATM was de meest recente kapitaalapparatuur-aankoop. Johnston noemt prijs en compacte grootte als grote redenen voor het kiezen van dit model. Maar hij waardeert ook dat het een volle C-as subspindle heeft in plaats van een werkstuk-klemapparaat voor backworking. De drie-as subspindle-beweging draagt ook bij aan de kleine grootte van de machine, aangezien het in de X-as boven en onder de onderdeel-middellijn kan bewegen om de B-as-freesspindel betere toegang tot het onderdeel te geven. De B-as heeft een 10.000-toer/min, 3-pk motor en werkbereik van 190° (±95° van verticaal).

De machine heeft een 30-mm staafcapaciteit. In plaats van een staafvoeder te gebruiken, wordt een staaftrekker gebruikt om voorraad gezaagd in drie-voet-lengtes in de werkzone te brengen. Dit reduceert de vloerruimte die de machine vereist nog verder.

In plaats van een onderdeel-klemapparaat voor backworking, heeft deze turn-mill een volledige C-as subspindle.

Zowel de hoofdas de subspindle hebben 6.000-toer/min, 5-pk direct-aangedreven motoren. Ze zijn gesynchroniseerd om nauwkeurige onderdeeloverdracht voor backworking-operaties mogelijk te maken. De automatische gereedschapswisselaar (ATC) heeft 24 stations om HSK-40T gereedschapshouders te accepteren.

MoManTech draait momenteel twee onderdeelfamilies over deze machine. Eén is een familie van titanium-implantaten en de andere is voor roestvrij-stalen medische apparaten. Alle onderdelen vereisen vijf-as machining (positionering, niet volledige contouring) alsook backworking. Typische batchgroottes variëren van 5 tot 25. Het produceren van prismatische onderdelen van cilinder-vormige staafmateriaal maakt opstellingen eenvoudiger, vergeleken met een conventionele freesmachine die speciale fixturing zou kunnen vereisen.

Om vloerruimte te minimaliseren, heeft deze B-as turn-mill geen staafvoeder. In plaats daarvan wordt staafmateriaal in 3-voet-lengtes gezaagd en in de werkzone getrokken.

Johnston benut de ATC’s capaciteit om veel standaardgereedschappen die voor de meeste taken gebruikt worden, geïnstalleerd te houden. Op die manier is geen af-tasten nodig voor die algemeen gebruikte gereedschappen, wat changeover-tijd naar een nieuwe taak reduceert. Changeovers vereisen typisch slechts een af-tasten aan het einde van de staafmateriaal om de werklocatie in te stellen en eventuele nieuwe gereedschappen voor de nieuwe taak toe te voegen. Absolute Machine Tools creëerde ook custom-macro's om werk-offsets van de hoofdas over te dragen naar de subspindle. Op die manier is een gereedschaps-af-tasten alleen nodig op de hoofdas.

Custom macro's stellen werk-offsets van de hoofdas in staat om op de subspindle toegepast te worden. Daarom is gereedschaps-af-tasten alleen nodig op de hoofdas.

Effectieve machining van prismatische onderdelen van staafmateriaal vereist gedachte over hoe een blokkig onderdeel “georiënteerd” zal zijn binnen het volume van cilinder-vormige staafmateriaal. Johnston probeert de bulk van de machining op de spindelkant uit te voeren, achterlatend een kenmerk dat gemakkelijk voor de subspindle te grijpen is voor backworking. Dit kan slechts machining van zakken in de subspindle-kaken vereisen, in plaats van custom-greppers. De meeste onderdelen worden compleet gemachineerd en onderdelen worden uitgezet uit de subspindle in een verzamelapparaat.

Meer werk op de (Big Sky) horizon?

Toen ik met Johnston in begin mei sprak, zei hij dat zijn bedrijf niet negatief beïnvloed was door de COVID-19-pandemie. Vreemd genoeg bood het eigenlijk een kans om personeel toe te voegen. Hij heeft mensen aangenomen — één fulltime en twee deeltijd van college — die hun zomerbanen verloren. Plus, naarmate electieve operaties hervatten, is het mogelijk dat de zaak meer werk gerelateerd aan die procedures ziet. Dit kan leiden tot additionele machine-aankopen in de toekomst. En wie weet, misschien zal die nieuwe turn-mill daadwerkelijk taken draaien die draaien vereisen.

3D-printen in een machinezaak

Deze vezelversterkte kunststof-fixture die MoManTech printte, wordt gebruikt om een vijf-as, zwart-machine-onderdeel vast te houden.

MoManTech heeft twee 3D-printers van Markforged, één eenheid die kunststof print en een andere die metaal print. Deze printers gebruiken het fused-filament fabrication (FFF)-proces. Voor kunststof-printen, verhit de printer het thermoplastische materiaal tot nabij zijn smeltpunt en extrudeert het uit een dij. De dij wordt in X- en Y-richtingen op een build-plaat bewogen om een onderdeel laag voor laag te creëren. Het Onyx-basmateriaal van Markforged — nylon gemengd met gehakte koolstofvezel — wordt gezegd 1,4x sterker te zijn dan ABS. Plus, de zaak kan lagen van glasvezel, Kevlar of koolstofvezel toevoegen om sterkere eigenschappen te bereiken, afhankelijk van de toepassing. Het is ook mogelijk om metaal-gewinde-inserts toe te voegen. Om dit te doen, wordt de print-taak op het geschikte moment gestopt, de insert toegevoegd en de print voortgezet, wat de insert in het object encapsuleert. De zaak gebruikt deze printer gemeenschappelijk om kunststof-fixturing-apparaten te creëren. Bijna alle fixtures die op MoManTech’s laser-markeringsmachine gebruikt worden, zijn 3D-geprint van Onyx-materiaal.

Deze kunststof, geprinte fixture voor de zaak’s laser-marker bevat sleutels om correcte onderdeeloriëntatie te waarborgen.

De Metal X-eenheid wordt gebruikt om custom harde fixturing van 17-4 roestvrij staal te printen voor het vasthouden van complexe onderdelen op freesmachines. Johnston zegt dat het printen van harde fixturing nuttig is in dat hij geen persoon van een productie-freesmachine hoeft af te trekken om fixtures te machineeren. De fixture kan ontworpen en dan geprint worden (overnacht indien nodig) zodat het de volgende dag gebruikt kan worden. En, gegeven de complexe geometrie van sommige onderdelen die die fixtures moeten vasthouden, kan het machineeren van een fixture uitdagend, zo niet onmogelijk zijn, merkt Johnston op.

Deze printer gebruikt twee spoelen materiaal: één heeft metaalpoeder en een bindmiddel in een kunststof-omhulling. De tweede is keramisch poeder ingesloten in kunststof. Spoelen worden door een verwarmingsblok gevoerd, het kunststof tot zijn smeltpunt verhit en door een extrusiedij gevoed. De eenheid legt eerst lagen van het keramische materiaal neer, wat gebruikt wordt voor onderdeel-vrijgave van disposable print-velden vastgehouden op de eenheid’s bed door vacuüm. Het keramische materiaal wordt ook gebruikt om ondersteuningsstructuren voor het metaal te creëren, waar nodig. Na het printen met de roestvrij-staal-spoel compleet is, worden onderdelen gesinterd, wat het metaalpoeder in vast metaal fuseert.