Kraftvolles Leichtgewicht

Autor Matthias Poguntke, Leitung Produktmanagement und Produktmarketing Automation, Schunk

Forschungs- und Fertigungsprozesse der pharmazeutischen Industrie spielen sich häufig in einer Umgebung ab, die speziell gereinigt werden muss und in der nur bestimmte Materialien zugelassen sind. Herkömmlichen Greiferwerkstoffen, wie etwa eloxiertes Aluminium, Werkzeugstahl oder POM-Kunststoffe, würden die Reinigungsverfahren in pharmazeutischen Anlagen stark zusetzen. Vor allem die aggressiven Reinigungsmittel, wie etwa Wasserstoffperoxid, würden die Materialien angreifen, schwächen und für Korrosion sorgen. Im schlimmsten Fall könnten auf diese Weise die Pharmazeutika verunreinigt werden. Der SCG Sterigrip von Schunk besteht daher aus einem speziellen austenitischen Chrom-Nickel-Stahl sowie aus FDA-gelisteten Kunststoffen, die H2O2-resistent sind und weder korrodieren noch aufquellen.

Neben der Materialauswahl war für die Entwicklungsingenieure die reinigungsgerechte Gestaltung entscheidend. Es durften keinerlei Nischen entstehen, in denen sich Schmutznester bilden können. Bei der Konstruktion des pharmagerechten Aktors wurden daher gezielt Hinterschnitte vermieden und Radien möglichst groß gewählt. So ist sichergestellt, dass bei der Reinigung sämtliche Anhaftungen sicher entfernt werden. Zudem galt es, ein möglichst dichtes, leichtes und stabiles System zu entwickeln. Grundlage waren die Normen DIN EN 1672-2:2007 und ISO 14159. Sie gewährleisten, dass sich das Greifsystem einfach reinigen lässt und eine Kontamination der Anlage verhindert wird.

Ähnlich wie in der Chemie- und Elektroindustrie, gehören auch in der Pharmaindustrie Reinräume zum Standard. Für jeden Produktionsbereich ist anhand der Reinraumklassen definiert, wie hoch die Partikelemission der Anlage in die Luft sein darf. ISO 14644 legt dazu exakt die maximale Anzahl und Größe von Partikeln fest, die von einer Komponente oder Maschine in einer bestimmten Zeit in einem vorgegebenen Raum emittiert werden dürfen. Vor allem in prozesskritischen Bereichen, wie etwa beim Handhaben offener Proben, spielt die Partikelemission eine wesentliche Rolle.

SCG Sterigrip erfüllt nach ISO 14644 Reinraumklasse 1 und damit selbst höchste Anforderungen. Bei der Entwicklung hat sich ausgezahlt, dass Schunk bereits über fundierte Erfahrungen mit vakuumaktuierten Aktoren verfügt. Bei der ISO-1-Variante des Greifers wird der Kolbenraum statt mit Druckluft mit Vakuum beaufschlagt. Dabei sinkt die auf den Kolben wirkende Kraft und der Kolben bewegt sich. Um beim Betätigen des Greifers einen Luftpumpen-Effekt mit Verwirbelungen und Verunreinigungen zu verhindern, wird die Abluft aus dem Kolbenraum jeweils innerhalb des Systems zur Abluftschnittstelle zurückgeführt. Alternativ gibt es SCG Sterigrip mit einem kraftvollen Pneumatikantrieb. Diese Version ist für Reinräume ab Klasse 5 zugelassen.

Eine vergrößerte Kolbenfläche sorgt beim SCG Sterigrip dafür, dass er relativ hohe Kräfte erzielt. Statt vertikal ist der Kolben horizontal zu den Drehgelenken des Greifers angebracht. Das Antriebskonzept macht es möglich, innerhalb eines Edelstahlrohrs mit einer sehr dünnen Wandung eine sehr große Kolbenfläche zu realisieren. Aufgrund der dünnen Edelstahlwand ist ein sehr leichter und dennoch kraftvoller Aktor entstanden. Er wird nur einseitig beaufschlagt und baut deshalb sehr kompakt.

Der Winkelgreifer verfügt über eine Greifkraft von 250 mNm, seine Schließzeit beträgt 0,25 s und er erfüllt alle relevanten Anforderungen für die Arbeit in aseptischen Umgebungen. Bei einem Eigengewicht von nur 160 g eignet er sich sowohl als Mehrfach- als auch als Einzelgreifer. So lässt er sich sehr gut auch an bestehende Roboter mit Delta-Kinematiken anbauen. Selbst die vakuumbetriebene Version verfügt aufgrund ihres Antriebskonzepts über eine Leistung, die mit der Leistung konventioneller Pneumatikgreifer annähernd vergleichbar ist.

Trotz Hygienic Design und Reinraumzertifizierung kann ein Aktor Verunreinigungen in der Maschine verursachen, wenn er falsch angebracht oder abgefragt wird. Daher sind zusätzlich zum hygiene- und reinraumsicheren Design auch durchdachte Schnittstellen und Sensorikoptionen entscheidend. Erst sie stellen sicher, dass Kreuzkontaminationen zwischen einzelnen Chargen ausgeschlossen sind. Beim Maschinenanschluss des SCG Sterigrip haben die Ingenieure eine zweistufige Anschlussvariante gewählt: Zunächst wird der Grundsockel des Greifers angeschlossen und gespannt. Anschließend wird das Greifergehäuse über den Anschluss geschoben. Eine Dichtung sorgt dafür, dass das System annähernd komplett geschlossen ist. Zur Reinigung kann das Gehäuse jederzeit einfach und schnell demontiert werden. Ein optischer Sensor fragt intern die Stellung des Kolbens ab und meldet die Greifposition an die Steuerung. Auf diese Weise wird eine Verschmutzung des Sensors verhindert.

Mit dem werkzeuglosen Fingerschnellwechselsystem lassen sich die Anlagen im Handumdrehen an wechselnde Chargen und unterschiedliche Aufgaben anpassen. Die anwendungsspezifisch gefertigten Finger lösen sich, indem der Bediener die Lager per Hand nach unten verschiebt. Ganz bewusst hat der Greifer keinerlei scharfe Kanten. Selbst mithilfe integrierter Maschinenhandschuhe können die Greiferfinger beispielsweise zum Autoklavieren zügig entnommen werden. Auf diese Weise werden Kreuzkontaminationen sicher verhindert.

Dank der eingesetzten Materialien und der Konstruktion lässt sich der Greifer wahlweise direkt in der Maschine oder extern reinigen. Hierfür wird er schnell und einfach werkzeuglos demontiert. Nach einer Sterilisation des Gehäuses müssen lediglich die Dichtungen und Kunststoffteile erneuert werden, was ebenfalls denkbar einfach gelöst ist.

Online-Info www.pharmaproduktion.com/0210424