Welches Teil ist eines der wichtigsten im Röntgengerät? Die Kathode – denn sie emittiert Elektronen, die das unter Hochspannung erzeugte elektrische Feld in Richtung Anode beschleunigt. Bei bis zu 150 000 Volt Spannung ist es in der Kathode rund 1200 °C heiß: Denn die beschleunigen Elektronen erzeugen, sobald sie auf die Anode treffen, eine Bremsstrahlung – die die Medizin als Röntgenstrahlung nutzt. Der Wirkungsgrad ist ernüchternd: Er liegt lediglich bei etwa 1 % der eingesetzten Energie. Der Rest ist Wärme. Für ein Bauteil im Kathodenkopf ist thermostabiles Material also Pflicht.
Wie man schwer zerspanbare Werkstoffe in den Griff bekommt
Bei Röntgen- und CT-Geräten von Philips Medical Systems besteht der Kathodenkopf daher aus einer Eisen-Nickel-Legierung (Ni42/1.3917), kurz Alloy 42. Für Fertigungsexperten sind solche Nickel-Basis-Legierungen mit geringer Wärmeausdehnung allerdings ein Graus. Sie gehören zu den schwer zerspanbaren Werkstoffen. Sie zu bearbeiten, braucht Erfahrung.
(Bild: Philips)
Als Philips vor ein paar Jahren beschloss, für Teile seiner gefragten Röntgen- und CT-Geräte mehr eigene Kompetenz in der Zerspanung aufzubauen, war alles gefragt: „Wir brauchten Menschen, Meister und Maschinen“, erinnert sich Thomas Petschke, Manager Mechanical Service bei der Philips Medical Systems Development and Manufacturing Centre (DMC) GmbH in Hamburg-Fuhlsbüttel.
Für das Bearbeiten des heiklen Kathodenkopfes fand Petschke aber schnell eine Lösung. Für dieses Bauteil steht heute unter anderem eine Drehmaschine vom Typ Index C200 mit drei Revolvern zur Verfügung. Bei deren Inbetriebnahme bekam der Hamburger Unterstützung von Jan Weidel, Werkzeugexperte bei der Arno Werkzeuge Karl-Heinz Arnold GmbH aus Ostfildern. Er unterstützte Petschke bis zur Abnahme der ersten Serienteile.
Detaillierte Pläne sichern Oberflächengüte
„Mit Hilfe unserer Anwendungstechniker haben wir konkrete Pläne für die Bearbeitung des Kathodenkopfes ausgearbeitet“, berichtet Weidel. Die umfasst neben den Prozessschritten Fräsen, Drehen und Bohren auch das Gewindedrehen, Senken, Stechen und Entgraten. Ausgearbeitete Tabellen listen alle Parameter der Bearbeitung auf. Dazu gehören Schnitttiefe und -geschwindigkeit, Durchmesser, Drehzahl, Vorschubweg und -geschwindigkeit pro Umdrehung und pro Minute sowie Vorschubzeit und Gesamtzeit.
Lediglich 32 mm Durchmesser und 19 mm Höhe weist beispielsweise eine Variante des Kathodenkopfes auf. Prozesssicherheit, Wiederholgenauigkeit eine hohe Oberflächengüte lauten die Vorgaben dafür. Für die Werkzeuge heißt das: Eine hohe Wechselgenauigkeit und eine lange Standzeit sind gefordert. „Uns war schon klar, dass das alles zusammen bei diesem Werkstoff nicht gerade ein Kinderspiel ist“, sagt Petschke. Schließlich war auch eine Spankontrolle gefordert, und die Wärme musste abgeführt werden. „Aber“, lobt der Fertigungsfachmann, „die Arno-Experten haben das super gelöst.“
Die Schwaben lieferten Bearbeitungspläne und die passenden Werkzeuge. Fürs Drehen sind das unter anderem hochpositive Wendeschneidplatten der ASF-Geometrie mit geschwungenen Schneiden, scharfen Schneidkanten und hoher Kantenstabilität. Sie sind besonders geeignet für zähe Werkstoffe, denn sie sind temperaturresistent und brechen den Span kontrolliert.
Zwei Kanäle – feine Dosierung für den Kühlschmierstoff
Fürs Abstechen sind sehr schlanke Abstechmodule mit dem patentierten Arno Cooling System (ACS) im Einsatz. Das ACS2 bringt den Kühlschmierstoff gezielt und fein dosiert über zwei Kanäle direkt an die Schneide. Einer führt durch den Plattensitz, der zweite Kanal führt Kühlmittel von unten direkt an die Freiflächen und endet in einer dreieckigen Form.
Eine solche Formgebung ist nur möglich, weil Arno ein additives Fertigungsverfahren nutzt. So gelangt nun das Kühlmittel über die volle Breite der Stechplatte bis zum äußersten Rand der Schneide. „Der Plattendurchsatz ist für das, was das Abstechsystem bei diesem Material leistet, extrem gut“, versichert Jan Weidel. Dass der Schneidenverbrauch sehr stark gesunken ist, bestätigt auch Petschke.
Mit weiteren Werkzeugen fürs Fräsen, Bohren und Gewindedrehen lässt sich in 6 bis 10 min eine von mehreren Varianten der Kathodenköpfe bearbeiten. Dabei sind die Bohroperationen mit engen Toleranzen bei Form und Lage zu den Planflächen sehr anspruchsvoll. „Hier hatten wir früher häufig Werkzeugbruch“, berichtet Petschke. Das war nicht akzeptabel, denn um die insgesamt etwa 14 000 Kathodenköpfe pro Jahr fertigen zu können, ist mannarme Bearbeitung notwendig. Ein spät entdeckter Werkzeugbruch hat da Folgen, verbunden mit hohen Kosten.
Toolmanagement soll weitere Verbesserungen bringen
2019 kam dann auch das Werkzeugverwaltungssystem Storemanager ins Gespräch. „Unser Paternoster war in die Jahre gekommen und störanfällig. Außerdem hat er viel zu viel Platz benötigt, war starr und unflexibel“, sagt Petschke. Heute werden die Werkzeuge über den Storemanager Pro Master und zwei Start-Plus-Module von Arno Werkzeuge verwaltet und ausgegeben. Das ganze überwacht eine Software rund um die Uhr vollständig und lückenlos, erfasst und verwaltet die Daten. So findet der Storemanager zuverlässig das passende Werkzeug zum Auftrag – der Scanner sei „unbestechlich“, so formuliert es Petschke, und das Programm greife „niemals daneben“. Jedes Werkzeug ist eindeutig dem zugeordnet, der es für seinen Auftrag geordert hat. Diese Rückverfolgbarkeit stärke das Verantwortungsbewusstsein der Werker für das entnommene Teil enorm.
Über den Werkzeughersteller: www.arno.de
Über den Hersteller der Röntgengeräte
Allein die Adresse in Hamburg-Fuhlsbüttel verpflichtet: Röntgenstraße 24. Ganz in der Nähe, in Hamburg-St. Georg, hat 1886 Carl Heinrich Florenz Müller – genannt „Röntgenmüller“ – die erste Röntgenröhre für medizinische Zwecke nach der Erfindung von Conrad Wilhelm Röntgen gebaut. Bereits 1927 übernahm Royal Philips mit Hauptsitz in den Niederlanden das Werk . Philips Medical Systems ist spezialisiert auf diagnostische Bildgebung, bildgestützte Therapie, Patientenmonitoring und Gesundheits-IT sowie Gesundheitsprodukte für den häuslichen Gebrauch.
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