Modularer Baukasten ermöglicht Losgröße 1

Das Berliner Unternehmen M2-Automation entwickelt und baut Geräte zur Herstellung von diagnostischen Systemen und zur Probenpräparation mit sehr geringem Dispensiervolumen. Diese sind unter anderem für den Einsatz in der medizinischen Forschung bestimmt, beispielsweise für medizinische Mikrodispensiersysteme zum akkuraten kontaktfreien Abgeben von chemischen und biologischen Flüssigkeiten und Suspensionen im Piko- und Nanoliterbereich.

Bei der Konstruktion einer kundenspezifischen Abfüllanlage hat sich Konstrukteur Ulf Niedergesäß entschlossen, auf ein schmiermittel- und damit wartungsfreies Drylin-E-Raumportal aus dem Hause Igus zu setzen. Bei den Portalen handelt es sich um eine Kombination von mehreren Linearachsen, die zusammen eine mehrdimensionale Bewegung realisieren. Je nach Aufgabenstellung handelt es sich um Flächen-, Linien- oder Raumportale, die allesamt ohne Schmiermittel auskommen. Die anschlussfertigen Portale beinhalten vorkonfektionierte Drylin-Linearmodule bzw. Drylin-Linearachsen mit Nema-Schrittmotoren sowie alle für den Eigenbau notwendigen Bauteile.

Im Vorfeld der Neukonstruktion hat Niedergesäß eine Vielzahl der Anbieter kinematischer Systeme unter die Lupe genommen. Seine Auswahlkriterien waren dabei möglichst geringes Gewicht sowie eine kompakte Bauform, die trotzdem einen relativ großen Arbeitsbereich abdecken soll. Dazu kam das Thema Wirtschaftlichkeit. Den Ausschlag für das Igus-Raumportal hat schließlich die flexible Anpassung an die Größenvorgaben gegeben. Gleichzeitig sind alle weiteren Forderungen wie Positioniergenauigkeit, Geschwindigkeit und Langlebigkeit erfüllt worden.

Dazu kommen die tribologischen Eigenschaften der Hochleistungspolymere von Igus. An Anlagen und Geräte im pharmazeutischen Laborumfeld werden generell strenge hygienische Reinheitsanforderungen gestellt. „Schmutz und Staub haben im Labor nichts zu suchen“, bekräftigt Niedergesäß. Die Verwendung von Polymergleitlagern an allen beweglichen Teilen macht das Portal schmiermittel- und damit wartungsfrei. Aus diesem Grund ist der Einsatz von Igus-Komponenten und -Systemen auch in anderen Flüssigkeitshandlingsystemen des Spezialisten denkbar, wenn keine allzu hohen Positionieranforderungen gefordert werden.

Die individuelle Anlage für einen Kunden aus dem Bereich Bioanalytik und Medizintechnik füllt flexibel unterschiedliche Füllvolumina von 0,05 bis 500 ml in unterschiedliche Gefäße automatisch ab. Derzeit sind neun Flaschentypen im Einsatz, die Auswahl lässt sich jedoch beliebig erweitern.

Ein wichtiges Entscheidungskriterium war das Verhältnis der effektiven Nutzfläche zur absoluten Anlagengröße, da Platz im Labor in der Regel sehr teuer ist. Die Außenabmessungen betragen 1600 x 1900 x 800 mm. Der verfügbare Arbeitsraum umfasst 1105 x 525 mm. Die kompakte Abfüllanlage steht auf Rollen und kann beliebig verschoben werden. Sie wird über eine intuitive Softwareoberfläche gesteuert, die auch ohne großen Schulungsaufwand bedient werden kann.

Ziel der Entwicklung war es, ein robustes System zu schaffen, das einfach zu bedienen ist und mit einer möglichst hohen Genauigkeit reproduzierbar den Dosiervorgang für unterschiedliche Volumina und Viskositäten mit angemessener Geschwindigkeit durchführt. Die Anlage kann mit bis zu vier Tabletts bestückt werden. Die Einsätze werden für den jeweiligen Flaschentyp passend hergestellt. Damit ist es möglich, jede erdenkliche Form von Gefäßen zu befüllen und sie gegebenenfalls auch noch Jahre später mit minimalem Aufwand umzurüsten. Die Positioniergenauigkeit liegt bei ±1 mm. Derzeit können bis zu 1400 Flaschen in einem Anlagendurchlauf befüllt werden. Das Achssystem positioniert die Füllnadel präzise in jeden Flaschenhals. Die maximale Verfahrgeschwindigkeit beträgt 300 m/s. „Bisher ist der Prozess vollständig manuell durchgeführt worden und bindet eine Arbeitskraft“, berichtet Niedergesäß. „Es zählt nicht nur der Kostenfaktor Arbeitskraft, sondern vor allem die Qualität. Sie ist jetzt jederzeit sichergestellt, sodass Fehler beim Abfüllen nicht mehr vorkommen.“

Das schmiermittelfreie Raumportal ist einfach aufgebaut. Als x-Achse kommen zwei robuste horizontal verbaute Zahnriemenachsen Drylin ZLW-0630 mit Motor zum Einsatz. Es handelt sich um die passende Lösung für leichte Verstell- und Positionieraufgaben bei eingeschränkten Platzverhältnissen. Die Einbauhöhe beträgt lediglich 31 mm. Bei einer Hublänge von 1100 mm, wovon tatsächlich 1040 mm verfahren werden, handelt es sich bei der Achslänge um eine Spezialanfertigung; sie beträgt sonst max. 1000 mm. „Hier ist flexibel auf unseren Wunsch, dem verlässliche Berechnungen der Gesamtlösung zugrunde lagen, reagiert worden“, bestätigt Niedergesäß. Für die y-Richtung werden zwei 600 mm mechanisch gekoppelte, seitlich verbaute Parallelachsen ebenfalls der Baugröße ZLW-0630 verwendet. Als z-Achse ist eine Drylin GRQ-Zahnstangenachse für das Dispensiermodul gewählt worden. Der Hub beträgt 240 mm, der über die gesamte Höhe genutzt wird und bei Bedarf jederzeit an andere Anforderungen skaliert werden kann. Damit steigt die Flexibilität des Gesamtsystems. „Es handelt sich um eine robuste, kompakte und wirtschaftliche Lösung, die die Positionieraufgabe zu 100 Prozent erfüllt“, macht Niedergesäß klar. Dazu kommt der sehr ruhige Lauf der Achsen. „Das hat uns zusätzlich überzeugt“, bestätigt der Konstrukteur.

Auch auf das Zubehör kommt es bei der Abfüllanlage an. Bei den Motoren handelt es sich um Schrittmotoren der Größen Nema 11, 17 und 23 mit optischen Inkrementalgebern in einem geschlossenen Regelkreis. Als Endschalter sind induktive Präzisionsnäherungsschalter gewählt worden. Dazu ergänzen weitere Igus-Produkte wie Chainflex-Motorleitungen und Kunststoffenergieketten der Baureihe E2 das Projekt. „Wir bieten ein anschlussfertiges Portalsystem aus dem Baukasten, das per Katalog sofort verfügbar ist“, erläutert der zuständige Igus-Verkaufsberater, Benjamin Neumann. „Automatisierungsaufgaben, bei denen hochpräzise Bewegungen nicht zwangsläufig erforderlich sind, können damit schnell und effektiv realisiert werden.“

Niedergesäß verdeutlich: „Flexibilität spielt für uns eine wichtige Rolle. Wir sind ein kleines Unternehmen mit lediglich zehn hoch spezialisierten Mitarbeitern und müssen schnell auf die Anfragen unserer Kunden reagieren. Vom Bestellvorgang bis zur Auslieferung vergehen bei uns oft nur wenige Monate. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass unsere Lieferanten auf unsere Anforderungen schnell reagieren.“ Das hat bei Igus von Anfang an reibungslos funktioniert. Zusätzlich ist innerhalb weniger Tage die Drylin-GRQ-Achse mit einer variabel klemmbaren Halterung zum Auslösen des integrierten Initiators ausgestattet worden. So kann die genaue Auslöseposition schnell eingestellt und geändert werden. „Dieses Zubehörteil, das erst vor Kurzem auf den Markt gekommen ist, garantiert eine noch bessere Präzision beim Abfüllvorgang“, bestätigt Niedergesäß. Abschließend bringt er die Lösung auf den Punkt. „Wir müssen das Rad nicht jedes Mal neu erfinden, sondern greifen auf Katalogkomponenten zurück.“

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Branchenmanager Medizintechnik, Igus