Vials lautet der Fachbegriff für die kleinen medizinischen Fläschchen, die zum Beispiel Impfstoffe enthalten. Sie verfügen über einen speziellen Verschluss, der die Reinheit des Medikaments ge­währleistet. Mit der Spritze sticht der Arzt durch eine Gummikappe und kann die Flüssigkeit einfach und sauber aufnehmen. Der Lohnverpacker eines internationalen Pharmakonzerns mit Sitz in Deutschland suchte für eine bereits bestehende Anlage eine Lösung für das Zuführen und Ver­packen solcher Vials in unterschiedlichen Größen. Allerdings standen ihm nicht mehr als knapp zwei Quadratmeter Fläche für den Anbau zur Verfügung.

Mit dieser Vorgabe wandte sich der Werkleiter des Lohnverpackers an das Schweizerische Unternehmen ­Robotronic, das speziell auf Handling-Anlagen spezialisiert ist, die mit minimalem Platz auskommen ­müssen. Das Prinzip dahinter nennt sich modulare Robotertechnik – kurz MRT. Es bezeichnet eine von Robo­tronic entwickelte, flexible System­bauweise nach dem Baukastenprinzip. Das kompakte Basismodul der MRT-Zelle ist mit 1 m × 1,3 m Grundfläche etwa so groß wie eine Europalette und dabei zirka 2,2 m hoch.

Die Lösung zum Vials-Handling besteht im Wesentlichen aus zwei MRT-Zellen mit je einem Knickarm-Überkopf-Roboter und einer von Servomotoren angetriebenen Förderlinie.

© Mitsubishi Electric

Der Lösungsvorschlag, den Robotronic-Geschäftsführer Mike Weber dem Lohnverpacker für seine Handlingproblematik machte, besteht im Wesentlichen aus zwei MRT-Zellen mit je einem Knickarm-Überkopf-Roboter von Mitsubishi Electric und einer Förderlinie mit insgesamt acht Positionierschnecken, die von Servomotoren angetrieben werden. Die Anlage, in die die MRT-Zellen eingebaut werden sollen, besteht aus einer vorgelagerten Förderstrecke für die Vials und einer nachgelagerten Kartonier-Zuführkette. Auf dieser gelangen die mit den Fläschchen bestückten Packmittel – sogenannte Blister – in den Kartonier- und Endverpackungsprozess. Seitlich angegliedert befindet sich eine Tiefziehmaschine, in der die Blister hergestellt werden. Um das Zusammenspiel der einzelnen Bereiche optimal zu gestalten, musste Robotronic zusätzlich zum Bau der Handling-Anlage auch die benachbarten Systeme teilweise anpassen. So galt es etwa, die Zuführung der Blister auf engstem Raum neu zu entwickeln und zu integrieren. Zudem war die Zuführung der Vials mittels Linearförderer zu ergänzen, und für die Kartonierzuführkette wurden spezielle Einsätze ent­wickelt, die für das sehr schnelle Ein­setzen der fertig bestückten Blister optimiert sind.

Die beiden in den MRTs verbauten Industrieroboter vom Typ Melfa RV-4FL haben eine maximale Traglast von 4 kg und einen Aktionsradius von 649 mm. Gesteuert werden sie auf Basis einer Multi-CPU-Plattform – der so genannten „iQ Platform“ von Mitsubishi –, die aus zwei Roboter-CPUs, einer Motion-CPU plus einer SPS-CPU besteht und das Handling der Vials realisiert. Dazu heben die Roboter mit Vakuumgreifern jeweils zwei Reihen Vials zu je fünf Stück von den Positionierschnecken und setzen sie in die bereitstehenden Blister. Die Packmittel werden anschließend dem weiteren Verpackungsprozess zugeführt. Da die Kartonier-Zuführkette kontinuierlich ohne Unterbrechung taktet, müssen die Blister also im richtigen Moment in die Zuführkette gelangen. Der vorausgehende Prozess muss dementsprechend schnell ablaufen: Die Roboter befüllen pro Minute 60 Blister mit insgesamt 300 Vials.

Servos mit Rhythmus

Die Förderstrecke transportiert die Vials zu den acht mit Positionierschnecken ausgestatteten Aufnahmestationen in den MRTs. Je ein Servomotor treibt eine solche Schnecke an, taktet die Fläschchen in die Bahnen ein und stellt sie in Fünfergruppen bereit. Ein neues Positionierungsverfahren, bei dem die Vials zur Ausrichtung direkt auf der Schnecke stehen, spart Platz und unterstützt den kompakten Aufbau der MRTs. Das übliche Verfahren von zum Beispiel Förderschnecken, die die Vials seitlich führen, kam aus Platzgründen nicht in Frage. Daher ent­wi-ckelte Robotronic ein neues Modul als komplettes Formatteil mit integrierter Schnecke, eine Sensorik für die korrekte Positionierung und Anzahl der bereitgestellten Vials sowie einem zusätzlich integrierten Sensor für die Endpositionsüberwachung der Schnecke. Die so geschaffenen Mo­dule, welche bei der beschriebenen Anlage erstmals zum Einsatz kamen, lassen sich  mittels Schnellverschluss einfach durch andere Formatteile in gleicher Modulform in die gleichen Halterungen einsetzen. In Kombination mit den Wechselgreifern am Roboter ist es so möglich, in Zukunft auch ein völlig anderes Produkt der Kartonierkette zuzuführen.

Je zwei Bahnen sind einem Roboter zugeordnet, der jeweils zwei Fünferreihen Vials per Vakuumgreifer entnimmt und in die bereitstehenden Blister einsetzt. Mit optischen Sensoren wird beim Eintakten das Vorhandensein eines Vials überprüft, die Schnecke führt eine 360-Grad-Drehbewegung durch und überprüft mittels Endlagensensor und einem zweiten optischen Sensor, ob in der Endlage ein Vial vorhanden ist. Die Vials werden dabei abgezählt, um sicherzustellen, dass jeweils fünf Vials in einer Reihe korrekt positioniert sind. „Die Bewegungen müssen äußerst weich ausgeführt werden, weil die Glasfläschchen empfindlich sind. Gleichzeitig ist Tempo gefragt, um mit der Zuführung mitzuhalten“, skizziert Mike Weber die Anforderungen an die Dynamik der Anlage. Mit anderen Worten:

Das Resümee von Robotronic-­Geschäftsführer Mike Weber: „Die Auf­gabenstellung war für uns unter anderem mittels der schlanken Überkopf-Robotik möglich.“

© Robotronic

In der Förderstrecke sind  schnelle Beschleunigungen und hohe Bremsmomente bei gleichzeitig sehr sanftem Anfahren und Abbremsen gefordert. Oder anders ausgedrückt: Um eine Verletzung der Vials zu verhindern, wird mit reduziertem Drehmoment angefahren, anschließend mit einer steilen Rampe auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und schließlich auf wenige Winkelsekunden exakt positioniert. Die Funktion zur auto­matischen Vibrationsunterdrückung verhindert das Aufschwingen des Systems. Dies funktioniert, indem durch das Anschalten der „One-Touch-Tuning“-Funktion Fre-quenzen automatisch ermittelt und die dazugehörigen Parameter eingestellt werden. Ein zusätzlicher Filter blendet mechanische Resonanzen aus.

Eine zusätzliche Herausforderung ergab sich für Robotronic bei der Tiefziehmaschine. Mike Weber blick zurück: „Der Kunde wollte ursprünglich sein altes Blister-Format beibehalten, aber das war für unsere MRTs nicht maschinengängig. Um eine optimale Taktzeit zu erzielen, entwickelten wir gemeinsam mit dem Kunden ein neues Packmittelformat.“ Die Aufgabe bestand dabei darin, die bestehende Dimension nicht zu verändern und trotzdem sicherzustellen, dass die durch den Robotergreifer eingesetzten Vials im Blister sicher Halt finden, obwohl nur eine Blisterhöhe von 17 mm erlaubt war. Das Einsetzen der Vials mittels Roboter mit hoher Geschwindigkeit in einen sehr engen Hof, der für die Klemmung der Vials beim weiteren Transport in der Blisterkette und im Kartonierer erforderlich war, ließ sich mittels der sogenannten CMP-Funktionen – einer Art „Weichschaltung“ der Mitsubishi-Roboter – erreichen.

Die Tiefziehmaschine ist direkt an die MRT-Zellen angeschlossen und über servogesteuerte Förderstrecken verbunden. Dieses System verwendet mehrere MR-J4 Antriebe (Servomotoren mit Untersetzungsgetriebe) zur Bewegung, Vereinzelung und exakten ­Positionierung der Packmittel. „Die präzise Dynamik der Servoantriebe ist auch bei der Bereitstellung der Blister zur Befüllung durch die Roboter besonders wichtig“, bemerkt Mike Weber in diesem Zusammenhang und ergänzt: „Das Taktfördersystem muss alle 300 ms neue Blister positionieren, um mit dem Sekundentakt der Kartonier-Zuführkette mitzuhalten. Deshalb arbeiten wir auch mit zwei Robotern, die mit ihrem Doppelarmgreifer gleichzeitig zwei Blister befüllen können. Damit die Roboter die Vials präzise einsetzen können, muss die Positionierung der Blister natürlich absolut exakt sein.“ Der Wechsel zwischen verschiedenen Vial-Formaten ist mithilfe von Wechselgreifern und Schnellwechselwerkzeugen möglich. Außerdem lässt sich die Lösung fast beliebig repro­duzieren und ihre Kapazität damit ­erweitern, dass  zusätzliche „Bausteine“ in Form der MRT-Zellen ein­gebunden werden.

Autor: Reiner Hänel ist Marketing Manager Zentraleuropa bei Mitsubishi Electric.

Überkopf, an der Wand oder am Boden

Das Grundgerüst der modularen Robotertechnik von Robotronic ist immer dasselbe und umfasst einen kompletten Komponentenbausatz wie Förder-, Vereinzelungs-, Dreh- oder Kamera­systeme, die anforderungsspezifisch zusammengestellt werden können. Die zwei zur Verfügung stehenden Zellen­formate unterscheiden sich lediglich durch die Positionierungsmöglichkeit des Roboters als Überkopf- oder Wand- ­beziehungsweise Standkonstruktion. Geschäftsführer Mike Weber dazu: „In der Regel setzen wir Überkopf-Roboter ein. Den somit gewonnenen Platz nutzen wir als Arbeitsfläche für den Roboter.“

Das Konzept war ursprünglich für die Uhrenindustrie sowie für Zulieferer der Uhren- und Automobilindustrie entwickelt, lässt sich jedoch auch in vielen unterschiedlichen Branchen für Handling-Aufgaben anwenden. Um den Anforderungen der Pharma-Verpackungsindustrie gerecht zu werden, hat Robotronic das System angepasst, indem in den dort eingesetzten Zellen möglichst nur Edelstahl, mindestens aber entsprechend hochwertige Metalle, Kunststoffe und geschlossene Flächen verwendet werden. Das kompakte System ist somit leicht zu reinigen und entspricht den hohen Hygienebedingungen der medizintechnischen Industrie, der Lebensmittel- oder Kosmetikindustrie.