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CeramTec nutzt Vorteile von Diamant-Tastern bei 14 Koordinaten-Mess-Geräten (KMG) von Carl Zeiss

13.10.2015

Diamant-Taster sind Produktionsleiter’s beste Freunde

Von Norbert Schmidt

Wer hätte das gedacht: Mess-Taster verschleißen. Trotz des sehr zarten Touch der Koordinaten-Mess-Geräte bekommen die Rubin-Kugeln Abplattungen beim Scannen ebener Flächen beziehungsweise Abrieb oder Materialaufbau beim Scannen von Innen- und Außen-Rundungen – und die Genauigkeit ist weg. Die einzige Lösung heißt Wegwerfen. Aber das kann teuer werden. Darum setzt CeramTec seit Sommer 2007 Mess-Taster mit Diamant-Kugel ein, die nach einem Jahr Standzeit noch keinerlei Verschleiß-Erscheinungen zeigen.

„Wir setzen auf allen bei uns eingesetzten Koordinaten-Mess-Geräten – und das sind 14 Stück – Mess-Taster mit Diamant-Kugel ein“, tritt Dipl.-Ing (BA) Uwe Kemmer, Produktionsleiter des Geschäftsbereichs Medizintechnik bei der CeramTec AG, dem Eindruck entgegen, er würde ausschließlich Diamant-Mess-Taster einsetzen, „aber nur dort, wo es sinnvoll ist.“ Das heißt, es muss differenziert werden. „Bei Messungen auf polierten Flächen“, assistiert Dr.-Ing. Frank Richter, Geschäftsführer der Carl-Zeiss 3D Automation GmbH und Lieferant der Mess-Taster, „sind auch Mess-Taster mit Rubin-Kugel nahezu verschleißfrei und bieten sehr lange Einsatz-Zeiten.“

Dipl.-Ing (BA) Uwe Kemmer (re), Produktionsleiter des Geschäftsbereichs Medizintechnik bei der CeramTec AG, und Dr.-Ing. Frank Richter (li), Geschäftsführer der Carl-Zeiss 3D Automation GmbH, mit einem Diamant-Taster und einem Pfannen-Einsatz.

Und genau das machen Uwe Kemmer’s Mitarbeiter: Die Messung der polierten Flächen von Kugelköpfen und Pfannen-Einsätzen der künstlichen Hüftgelenk-Komponenten aus Keramik erfolgt genau mit einem Mess-Taster mit Rubin-Kugel. Aber der Gelenk-Kugelkopf hat nach Pressen und Sinterung unbearbeitete Oberflächen – eine Stirnfläche und eine Innenkegel-Bohrung für die Aufnahme des Titian-Elements, das im Oberschenkel verankert wird. Und der Pfannen-Einsatz ist nur innen poliert, seine Grundfläche und die Außenform sind es nicht, sie stellen aber die Basiswerte – die Null-Linie gewissermaßen – der Keramikteile. Darum sind sie wichtig und müssen auch gemessen werden. Aber diese Flächen sind teilweise rau, auch wenn das nur über den Glanzgrad mit dem Auge erfasst werden kann. „Diese Flächen sind so beschaffen“, erklärt Uwe Kemmer sein Messproblem, „dass wir die eingesetzten Rubin-Taster ein bis zweimal in der Woche austauschen mussten.“

Austauschen heißt hier: wegwerfen. Die Rubin-Kugeln der Mess-Taster wiesen einen so großen Abrieb auf, dass mit ihnen keine dokumentierfähige Messung mehr durchgeführt werden konnte. Aber die Keramik-Gelenkteile müssen zu 100 Prozent gemessen werden, die Messwerte müssen jedem einzelnen Teil über die Serial-Nummer auch nach Jahren noch zugeordnet werden können. Was tun? „Wir mussten die Taster-Kugeln in kurzen Zeit-Intervallen auf Beschädigungen prüfen und konnten sie dann nur auswechseln“, so Uwe Kemmer. Dass sich hier ein Maschinenteil vom Invest- zum Verschleiß-Teil wandelte, wollte ihm nicht in den Kopf. So mussten im Jahr rund 70 Taster pro Koordinaten-Mess-Gerät gekauft und gewechselt werden. Ein Taster kostet etwa 30 €, das macht 2.100 € pro Jahr – mal 14, denn so viele Mess-Maschinen sind in Kemmer’s Verantwortungsbereich im Einsatz.

Mit dem Diamant-Taster werden die Außenkonturen der Pfanne-Einsätze für Hüftgelenk-Prothesen vermessen.

„Mit dieser Problematik wurden wir auch von anderen Kunden konfrontiert“, erläutert Dr.-Ing. Frank Richter die Motivation, unempfindlichere Taster zu entwickeln, „die Rubin-Kugeln verschlissen bei harten Werkstoffen, oder sie bauten eine Schicht weichen Materials auf und änderten ihre Durchmesser.“ In allen Fällen waren sie nicht mehr brauchbar und mussten weggeworfen werden, weil sich die Aufbau-Schichten nicht mehr entfernen ließen. Die Entwickler der Carl Zeiss 3D Automation fanden bei den Analysen schnell heraus, dass die Oberflächen-Struktur der Mess-Objekte entscheidend ist. „Bei harten Werkstoffen beobachteten wir nach Messungen in der Ebene Beschädigungen der Rubin-Kugel, die zu einer Abplattung führte“, erinnert sich Dr. Richter an die Ursachen-Forschung, „und bei weichen Werkstoffen hat die Rubin-Kugel eine Aufbauschicht bekommen.“ Dabei konnte festgestellt werden, dass bei Punkt-Antastungen Schäden dieses Ausmaßes nicht auftraten. Das Problem konnte auf das Scannen fixiert werden, wenn der Mess-Taster gleitend über eine Fläche geführt wurde, die Ebene eines Getriebegehäuses oder Innen- oder Außen-Rundungen von Bauteilen.

Für viele Anwender – genauso für Uwe Kemmer – konnte die Punktemessung nicht die Lösung sein, „weil wir keine ausreichenden Informationen über die ganze Fläche hatten“, wie er erklärt. Und bei einer größeren Punkte-Dichte hätte die Messung unbezahlbar lange gedauert. Die Entwickler von Carl Zeiss 3D Automation mussten also eine Mess-Kugel finden, die so hart ist, dass sie bei harten und rauen Materialien nicht verschleißt und bei der kein Material weicher Werkstoffe anhaftet. „Zuerst haben wir Versuche mit Silizium-Nitrid gemacht“, beschreibt Dr. Richter den Weg zum Ziel, „aber bei 30 Prozent höherer Kosten haben wir nur 10 bis 15 Prozent mehr Leistung erzielt.“

Kugelkopf und Pfannen-Einsatz für künstlichen Hüft-Gelenkteile sind aus Keramik und müssen zum Teil mit Diamant-Tastern vermessen werden.

Erst als ein Lieferant von Industrie-Diamanten in der Lage war, auch Kugeln herzustellen, zeigte sich Licht am Ende des Tunnels. Auch wenn der Mittelpunkt der Kugel der eigentliche Messpunkt ist, muss doch die Form-Abweichung von der „100-Prozent-Kugel“ sehr klein sein. Und diesem Idealmaß möglichst nahe zu kommen, war das Problem. Aber dann konnte der Industrie-Diamant-Hersteller den Erfolg verkünden, und bei Carl Zeiss brachten alle Versuche hervorragende Ergebnisse. Und als Uwe Kemmer den Diamant-Taster auf dem Messestand von Carl Zeiss auf der Control 2007 sah, hat er ihn sofort bestellt, weil er überzeugt war, dass das Team um Dr. Richter hier die richtige Lösung gefunden hatte.

Diese Einschätzung hat sich nach einem Jahr Einsatz der Diamant-Taster, die heute als „Diamond!Scan“ im Markt und sogar ab Webshop verfügbar sind, voll bestätigt. „Wir setzen die Diamant-Taster an allen unseren 14 Koordinaten-Mess-Geräten ein“, zieht Uwe Kemmer eine Zwischenbilanz, „und haben in dieser Zeit noch keinen einzigen auswechseln müssen.“ Das heißt für CeramTec, es werden nicht mehr 70 Mess-Taster pro Jahr und KMG gebraucht, sondern nur noch ein einziger. Dabei kann ein abschließender Vergleich gar nicht gezogen werden, denn das Ende der Standzeit eines Diamant-Tasters ist noch nicht bekannt. Vielleicht hält er ja noch ein Jahr durch? „Untersuchungen am Raster-Elektronen-Mikroskop haben als Ergebnis nahezu Null-Verschleiß erbracht“, freut sich Dr.-Ing. Frank Richter über das gute Ergebnis.

 

Rubin-Taster mit Abplattung als Folge des Verschleiß beim Messen von der Fläche eines Keramikteiles.

 

Für Uwe Kemmer und CeramTec hat sich die Investition der Diamant-Taster schon lange gerechnet, auch wenn dieser 3.000 Prozent teurer ist als der Rubin-Taster. Allein beim Investitions-Vergleich hat der 1.000 € teure Diamant-Taster schon gewonnen, denn diesem Wert stehen 2.100 € (70 Rubin-Taster à 30 €) gegenüber. Das ergibt eine Amortisationszeit von weniger als 6 Monaten. „Und dabei haben wir weder den Prüfaufwand noch das Auswechseln der Rubin-Taster und den damit verbundenen Stillstand der KMGs mitgerechnet“, macht Uwe Kemmer auf einen Fehler in dieser Wirtschaftlichkeits-Rechnung aufmerksam, „die zusammen etwa 60 € ausmachen.“ Dann würden weitere 4.200 € in die Rechnung einfließen und die Amortisation des Diamant-Tasters auf unter 2 Monate drücken.

Damit ist der Taster für Uwe Kemmer wieder zum Investitions-Teil der Maschine geworden. „Aber unser Diamant-Taster kann dem Rubin-Taster nur in extremen Mess-Situationen Konkurrenz bieten“, umreißt Dr. Richter das Einsatz-Spektrum, „wo hoher Verschleiß oder Material-Aufbau die Mess-Ergebnisse verfälschen.“ Und er hegt die Vermutung, dass es viele Anwender von Rubin-Tastern im Ländle und im Land gibt, die am liebsten Scannen würden, sich aber wegen der rauen Oberflächen nicht trauen und sich deshalb mit der Punktemessung begnügen. In vielen Einsatzgebieten erwartet der Carl-Zeiss-Mann einen großen Bedarf und prognostiziert seinem „Diamond!Scan“ eine rosige Zukunft.

 

Die Kurve zeigt deutlich die Mess-Ungenauigkeit des Rubin-Tasters gegenüber dem Diamant-Taster.

Die Keramik-Spezialisten

Der Geschäftsbereich Medizintechnik der CeramTec AG ist der weltweit führende Hersteller von Keramik-Komponenten für Hüft-Prothesen. Kugelköpfe, Inserts und spezielle Lösungen sind für die Systeme nahezu aller Endoprothesen-Hersteller verfügbar. Etwa 80 Prozent aller Keramik-Implantate für die Hüft-Endoprothetik stammen aus dem Hause CeramTec. Bislang wurden weltweit rund 4,4 Millionen Kugelköpfe und 900.000 Pfannen-Einsätze (Stand 2008) aus BIOLOX-Keramik implantiert. CeramTec verfügt auf diesem Gebiet seit mehr als 35 Jahren über umfassende Erfahrung und besetzt die Führungs-Position in dieser Technologie. Keramik-Komponenten aus BIOLOX-Werkstoffen verdanken ihre überlegenen Eigenschaften der einzigartigen Material-Zusammensetzung, einer ausgefeilten Fertigungstechnik und einer mehrstufigen, 100-prozentigen Qualitätskontrolle an allen hergestellten Komponenten. Dafür sind 14 Koordinaten-Mess-Geräte PRISMO der Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH mit Diamant-Taster im Einsatz, die pro Jahr 450.000 Kugelköpfe und 230.000 Pfannen-Einsätze für Hüft-Prothesen messen. Material für einen zweiten Kasten: Das Koordinaten-Mess-Gerät PRISMO

Der blitzschnelle Allrounder

PRISMO navigator ist ein Portal-Messgerät des mass-(multi-application-sensor-system)-Konzepts, das den gesteigerten Bedarf an multifunktionalem Messen berücksichtigt. PRISMO ist weltweit die Nummer Eins für Highspeed-Scanning im Produktionsbereich. Genauigkeit, Dynamik und eine hervorragende Umgebungs-Resistenz sind die bezeichnenden Eigenschaften dieses Messgerätes. Das Maschinen-Konzept steht für Produktionsnähe und bietet hohe Zuverlässigkeit und ein optimales Regelverhalten Dank der eingesetzten ISC-Steuerung. Der VAST-Universal-Messkopf für Vielpunkt- oder Einzelpunkt-Messung kommt bei PRISMO navigator zum Einsatz und passt sich flexibel jeder Mess-Aufgabe an. Er gestattet das blitzschnelle Bestimmen von Maß, Form und Lage in einem einzigen Mess-Vorgang. Durch VAST Navigator verringern sich die Mess-Zeiten auf ein absolutes Minimum.

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