Industrieller 3D-Druck für die Medizintechnik: Baujobs, Bediener und Nachbearbeitung in einem Plan

Die Planungsfrage

Ein Lohnfertiger für Medizintechnik druckt Kleinserien in einer Halle: patientenspezifische Titanimplantate für einen festen OP-Termin, Hüftpfannen und Wirbelsäulen-Cages, Kniekomponenten und Dentalgerüste aus Kobalt-Chrom, Instrumententeile aus Stahl, Orthesen und OP-Schablonen aus PA12, Schablonen und Dentalmodelle aus Harz. Ein Metall-Baujob dauert 5 bis 23 Stunden, je nach Layout und Füllung. Danach durchläuft jede Platte eine Kette von Schritten: Entpulvern, Spannungsarmglühen im Vakuumofen, solange die Teile noch auf der Platte sind, Drahterodieren zum Abtrennen, Stützen entfernen, CNC für Funktionsflächen, Strahlen, Reinigen und Passivieren, CT oder Koordinatenmessgerät, Laserbeschriftung und Verpacken im Reinraum. Sterilisiert wird bei einem externen Dienstleister.

Die Drucker könnten Tag und Nacht laufen, Menschen sind aber nur in zwei Schichten da, von 06:00 bis 22:00. Jeder Start, jedes Entladen, jeder Pulverwechsel und jeder Handschritt braucht einen Bediener. Ein Baujob, der um 23:00 endet, wartet bis 06:00, und ein Wechsel von Titan auf Kobalt-Chrom dauert rund acht Stunden, davon fünf Reinigung von Hand. Der Plan legt die Baujobs deshalb so, dass sie enden, wenn Menschen da sind, füllt validierte Platten, vermeidet Pulverwechsel und hält die Kette der Nachbearbeitung im Fluss. Behörden erwarten validierte Baujobs: Position, Ausrichtung und Abstand auf der Platte gehören zur Validierung. Ein Baujob füllt deshalb die Plätze eines validierten Layouts und enthält einen Werkstoff, und jedes patientenspezifische Teil bleibt rückverfolgbar.

Das Beispiel ist eine fiktive Halle mit 41 Aufträgen. Drei Tage ab Dienstag 06:00 werden geplant und dann simuliert: Bau- und Schrittzeiten schwanken, eine CNC-Maschine steht am Dienstagvormittag zweieinhalb Stunden still, ein Baujob mit zwei patientenspezifischen Implantaten bricht am Dienstagnachmittag nach einer Kollision des Beschichters ab, und einige Teile werden bei der Endprüfung aussortiert. Beide Pläne treffen auf dieselben Ereignisse. Nach jedem Ereignis plant das Modell innerhalb von 20 Sekunden vom aktuellen Stand aus neu. Nach dem abgebrochenen Baujob druckt es die zwei Implantate in einem eigenen, kleineren Baujob neu und schiebt die Hüftpfannen in den nächsten Baujob, damit der OP-Termin hält. Über die drei Tage hält der Plan alle fünf OP-Termine und 33 von 35 Lieferterminen (Vergleich: 2 von 5 und 28 von 35). Die OEE der Drucker steigt von 41 % auf 56 %, die Drucker verlieren 36 statt 103 Stunden mit Warten auf einen Bediener oder einem Pulverwechsel, und 281 statt 233 Gutteile werden fertig.

Optimierung lohnt sich zum Wochenbeginn, und noch mehr, wenn etwas schiefgeht und die nächste Entscheidung schnell fallen muss. Schnelle Entscheidungen mit vielen Abhängigkeiten führen nur dann zu guten Ergebnissen, wenn die Regeln klar sind: qualifizierte Paare aus Drucker und Werkstoff, validierte Layouts, OP-Termine und Schichten. Alle Dauern sind hier Annahmen für ein plausibles Beispiel: Ein volles Metall-Layout braucht 13 bis 23 Stunden, ein Ofenzyklus 9 bis 11 Stunden, ein Pulverwechsel 8 Stunden, Polymer-Baujobs kühlen in der Maschine mindestens so lange ab, wie sie drucken, Harzteile werden 20 Minuten gewaschen und 30 Minuten nachgehärtet, und der erwartete Ausschuss liegt bei 2 bis 4 % je Drucker und Werkstoff. Im echten Projekt kommen die Zeiten der Handschritte aus der Fertigung.

So planen wir

Das Modell verteilt die Lose jedes Auftrags auf die Drucker. Die Reihenfolge der Lose auf einem Drucker ergibt die Baujobs: Lose eines Werkstoffs füllen die Plätze eines validierten Layouts, bis es voll ist, und ein neuer Werkstoff beginnt einen neuen Baujob. Außerdem legt das Modell je Auftrag eine Priorität für die Nachbearbeitung fest. Ein Verfahren zur Ablaufplanung macht daraus Zeiten in 5-Minuten-Schritten: Ein Baujob startet, wenn Drucker, Pulver und ein Bediener da sind, Platten und Teile belegen die Stationen in der Reihenfolge ihrer Priorität, der Vakuumofen nimmt Platten eines Rezepts als Charge, und ein bedienter Schritt muss in die Schicht passen. Harte Regeln sind qualifizierter Drucker und Layout sowie die OP-Termine. Danach zählen die Verspätungsminuten aller anderen Aufträge, dann die OEE-Verluste: Druckerminuten mit Warten auf einen Bediener, Pulverwechsel, verlorene Bauzeit auf halb gefüllten Platten und der erwartete Ausschuss aus dem Validierungsnachweis jedes Druckers und Werkstoffs. Dann die Durchlaufzeit. Der Plan rechnet mit den erwarteten Dauern und hält einige Stunden Puffer vor den Lieferterminen.

Wenn eine Maschine ausfällt oder ein Baujob abbricht, plant das Modell vom aktuellen Stand aus neu. Laufende Baujobs und erledigte Schritte bleiben, wie sie sind. Die verlorenen Teile werden zu neuen Losen, und das Modell entscheidet neu über Drucker, Baujob, Reihenfolge und Prioritäten. Kleine Kosten für jede Änderung gegenüber dem letzten Plan halten den Plan ruhig, damit die Fertigung wenige Änderungen sieht. Der CNC-Stillstand am Dienstag gefährdet keinen Auftrag, der Plan bleibt, wie er ist. Der abgebrochene Baujob wird in 20 Sekunden neu geplant: Die zwei Implantate werden allein gedruckt, die Hüftpfannen folgen.

OEE ist Verfügbarkeit × Leistung × Qualität. Verfügbarkeit ist die Zeit, in der ein Drucker druckt oder abkühlt, bezogen auf die Zeit mit geplanter Arbeit. Leistung vergleicht die Bauzeit, die ein gut gefülltes Layout für dieselben Teile bräuchte, mit der tatsächlichen Bauzeit. Qualität zählt die Gutteile unter den gedruckten Teilen; ein abgebrochener Baujob und aussortierte Teile senken sie.

Verglichen wird mit einer verbreiteten Arbeitsweise: Aufträge in der Reihenfolge des Eingangs, ein Auftrag je Baujob (ein kleiner Auftrag nimmt den nächsten desselben Werkstoffs mit), der erste qualifizierte Drucker, der frei wird, ein Pulverwechsel, sobald der nächste Auftrag ihn braucht, Nachbearbeitung in der Reihenfolge des Eintreffens und ein abgebrochener Baujob, der sofort auf demselben Drucker neu gedruckt wird. Beide Pläne laufen durch dieselbe Simulation der drei Tage. Das Modell bekommt 3 Minuten für den ersten Plan und 20 Sekunden für jede Neuplanung. Jeder Plan ist der beste aus dieser Zeit. Ob es einen noch besseren gibt, ist nicht bewiesen.

Was der Plan zeigt