Modularer Baukasten für individuellen Einsatz

Wartungsfreies drylin® E-Raumportal von igus® ermöglicht optimale Bauraumnutzung in Abfüllanlage von M2-Automation

Automatisierung wirtschaftlich umzusetzen ist auch für viele Labore, Universitäten und Institute ein Thema, das sehr hohe Priorität hat. Gesucht werden dabei in der Regel individuelle Anlagen in Losgröße 1, die ins Budget passen. Wartungs- und schmiermittelfreie Portale von igus®, die auf die jeweiligen Anforderungen der Konstrukteure zugeschnitten werden können, ermöglichen beispielsweise Abfüllaufgaben von biochemischen Flüssigkeiten. Die Komponenten können dabei aus dem igus®-Baukasten gewählt und zusammengestellt werden.
“Unsere kundenspezifischen Systeme für das komplexe Handling von Flüssigkeiten sind weltweit im Einsatz”, erzählt Ulf Niedergesäß, Konstrukteur beim hoch spezialisierten Unternehmen M2-Automation aus Berlin. Vor Ort entwickelt und baut das Unternehmen seine Geräte zur Herstellung von diagnostischen Systemen und Probenpräparation mit sehr geringem Dispensiervolumen. Diese sind unter anderem für den Einsatz in der medizinischen Forschung und Umweltanalytik bestimmt, beispielsweise für medizinische Mikrodispensiersysteme zum akkuraten kontaktfreien Abgeben von chemischen und biologischen Flüssigkeiten und Suspensionen im Piko- und Nanoliterbereich.

In der kundenindividuellen Abfüllanlage von M2-Automation kommt ein schmierfreies und damit wartungsfreies Portal von igus® zum Einsatz.

Variables kinematisches System

Bei der Konstruktion einer kundenspezifischen Abfüllanlage hat sich Ulf Niedergesäß, der zuständige Konstrukteur, entschlossen, auf ein schmiermittel- und damit wartungsfreies drylin® E-Raumportal aus dem Hause igus® zu setzen. Bei den Portalen von igus® 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 Ulf 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 zum einen das Preis-/Leistungsverhältnis sowie zum anderen 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 Laborumfeld werden generell strenge chemische, hygienische und hohe Reinheitsanforderungen gestellt. „Schmutz und Staub haben im Labor nichts zu suchen“, bekräftigt Niedergesäß. Die Verwendung von Polymer-Gleitlagern an allen beweglichen Teilen macht das Portal schmiermittel- und damit wartungsfrei. „Der Einsatz von Schmiermitteln im Portal wäre ein Ausschlusskriterium gewesen. Die Wartungsfreiheit zählt unterm Strich bei allen Anlagen unseres Hauses.“ Aus diesem Grund ist der Einsatz von igus® Komponenten und Systeme auch in anderen Flüssigkeitshandlingsystemen des Spezialisten denkbar, wenn keine allzu hohen Positionieranforderungen gefordert werden.

Das Portal setzt sich aus mehreren Zahnriemenachsen für leichte Verstell- und Positionieraufgaben zusammen. Sie sind maßgeschneidert auf die Anforderungen vor Ort ausgelegt worden.

Automatisiertes Abfüllen im Bereich der Bioanalytik

Die kundenindividuelle Anlage für einen Kunden aus dem Bereich Bioanalytik und Medizintechnik füllt flexibel unterschiedliche Füllvolumina von 0,05 Milliliter bis 500 Milliliter in unterschiedliche Gefäße automatisch ab. Derzeit sind neun unterschiedliche 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 1.600 x 1.900 x 800 Millimeter. Der verfügbare Arbeitsraum umfasst 1.105 x 525 Millimeter. 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.

Robustes und wirtschaftliches Raumportal

Ziel der Entwicklung war es, ein robustes System zu schaffen, das einfach zu bedienen 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 +/- einem Millimeter. Derzeit können bis zu 1.400 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 Ulf 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 Millimeter. Bei einer Hublänge von 1.100 Millimeter, wovon tatsächlich 1.040 Millimeter verfahren werden, handelt es sich bei der Achslänge um eine Spezialanfertigung; sie beträgt sonst max. 1.000 Millimeter. „Hier ist flexibel auf unseren Wunsch, dem verlässliche Berechnungen der Gesamtlösung zugrunde lagen, reagiert worden“, bestätigt Ulf Niedergesäß. Für die y-Richtung werden zwei 600 Millimeter 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 Millimeter, 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 Ulf 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 Präzisions-Näherungsschalter gewählt worden. Dazu ergänzen weitere igus® Produkte, wie chainflex® Motorleitungen und Kunststoffenergieketten der Baureihe E2, das Projekt. „Wir bieten ein kostengünstiges 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.“

Die Dosierachse ist neben einer variabel klemmbaren Initiatorhalterung auch mit einem selbsteinstellenden Gleitlager für noch bessere Positioniergenauigkeit nachträglich ausgestattet worden. Hier kommt eine drylin® GRQ-Zahnstangenachse als z-Achse zum Einsatz.

Fruchtbare Symbiose

Ulf 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.

Komponenten- und Anlagenhersteller sind bei dieser Neukonstruktion eine fruchtbare Symbiose eingegangen. Innerhalb kürzester Zeit ist mit der Hilfe des einbau- und anschlussfertigen mechatronischen Systems die Abfüllanlage gebaut, steuerungstechnisch ausgelegt, die Software installiert und in Betrieb gegangen. Der konstruktive Vorteil der elektrisch angetriebenen drylin® Linearachsen in der Portalanwendung ist, dass sie problemlos auf die jeweiligen Verfahrbereiche angepasst werden können. „Damit ist eine kundenspezifische Anlage auch in Losgröße 1 möglich, die sich für jeden Endkunden im teuren Laborumfeld rechnet“, verdeutlicht Benjamin Neumann. Abschließend bringt Ulf Niedergesäß von M2-Automation die Lösung auf den Punkt. „Wir müssen das Rad nicht jedes Mal neu erfinden, sondern greifen auf Katalogkomponenten zurück.“

Der Musterkoffer für drylin® E-Portale von igus®. Diese stehen konfektioniert innerhalb weniger Tage zur Verfügung.

drylin® E-Baukasten

drylin® E ist ein offener mechatronischer Baukasten. Offen deshalb, weil Kunden auf Wunsch ihre eigenen Motoren zum Antrieb der igus® Spindel- oder Zahnriemeneinheiten nutzen können. Es werden die passenden Adapter- oder Motorflansche zur Verfügung gestellt. Der Baukasten umfasst ab Werk 25 verschiedene Linearachsen, zwölf Steigungen beziehungsweise Übersetzungen, passende Leitungen, Motorflansche, 20 Kupplungen und End- und Positionsschalter sowie 15 verschiedene Schrittmotortypen von 0,5 bis 6 Nm, mit oder ohne Encoder und Bremse

Über M2-Automation:

Seit 2003 ist M2-Automation aus Berlin der Spezialist für kundenspezifische Laborautomatisierungslösungen, kontaktfreies Dispensieren von Flüssigkeiten und Zellsuspensionen, Hardware für die Herstellung und Verarbeitung von Biochips und Lab-on-a-Chips, Echtzeitbildverarbeitung sowie Gerätesteuerungs- und Auswertesoftware. Im M2-Team arbeiten Biologen, Chemiker, Softwareingenieure und Konstrukteure.

M2-Automation hat sich durch seinen umfangreichen applikativen und technischen Support mittlerweile einen exzellenten Ruf bei seinen Kunden und Anwendern erarbeitet, und zeichnet sich als kompetenter Berater und Entwickler im Bereich klein- und kleinstvolumiger Mikro-Dispensiertechnologie aus.

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