HEKUMA hält „Poleposition“ bei Petrischalen-Produktion
Eching-München, Mai 2011 - Petri-Schalen aus Glas wurden 1887 von dem deutschen Bakteriologen Julius Richard Petri erfunden. Damit sind sie Zeitgenossen des Automobils, das zur gleichen Zeit, nämlich 1885, zum Patent angemeldet wurde. Petrischalen werden bis heute in zahlreichen Größen und Ausführungen hergestellt. Zusätzlich zur sterilisierbaren Mehrwegvariante aus Glas sind seit rund 50 Jahren Einweg-Petrischalen aus glasklarem Polystyrol verfügbar. Letztere gehören in die Klasse der Massen-Spritzgussteile, die mit extrem kurzen Zykluszeiten auf Hochleistungs-Spritzgießanlagen produziert werden. Spritzgießwerkzeuge mit zwei Öffnungsebenen und 8+8 Kavitäten für Schale und Deckel sind allgemein üblicher Standard. Die Formteile werden zur Wahrung der hygienischen und technischen Produktqualität automatisiert entnommen, montiert, gestapelt und hermetisch verpackt. Ein führender Anbieter für das Hochleistungs-Teilhandling ist die HEKUMA GmbH aus Eching bei München. Deren aktuelle Anlagentechnik, präsentiert auf der K 2010, nimmt die Poleposition bei Produktionsgeschwindigkeit und Produktqualität ein. 3,6 bis 4,2 Sekunden Zykluszeit für eine 90 mm Petrischale aus einer 8+8-fach Anlage (abhängig vom Gewicht der Petrischale und den Ebenheitsanforderungen des Bodens) bedeuten rund 20 Prozent Effizienzgewinn gegenüber der Vorgängerversion mit 4,5 bis 5,5 Sekunden pro Schuss.
Nun geht die nächste Anlagengröße dieser Leistungsstufe „ins Rennen“. Mit 16 statt 8 Petrischalen pro Schuss ist sie doppelt so groß. Da die Zykluszeit nahezu gleich bleibt, steigt die Leistung einer Produktionszelle um fast 100 Prozent. Analog dazu muss das Teilehandling pro Zyklus um 100 Prozent mehr Teile verarbeiten. Ein Projektbericht gibt einen Einblick in die Details.
Seit mehr als 35 Jahren entwickelt und produziert HEKUMA Hochleistungsanlagen für das Teilehandling von Großserienartikeln. Diese Anlagen werden vorzugsweise dort eingesetzt, wo Formteile mit kurzen Zykluszeiten produziert werden, jedoch wegen hoher Qualitäts- oder Hygienestandards nicht frei fallend entformt werden können und zyklusparallel bearbeitet, montiert oder verpackt werden. Beispiele aus der Medizintechnik sind Mikroplatten, Pipettenspitzen und vor allem Petrischalen. Kunststoff-Petrischalen bestehen, ebenso wie die Glasvariante, aus zwei Einzelteilen: Die Schale und der dazu passende Deckel. Sie sind Einwegartikel, die überall dort benötigt werden, wo Bakterien, Mikroben, Pflanzenkeimlinge oder Pilzkulturen zwecks Analyse auf Nährböden vermehrt werden müssen, zum Beispiel in biochemischen Laboratorien, Lebensmittelinstituten oder zur Wasseranalyse in Hygieneprüfanstalten. Die Züchtung der Kulturen und damit das Handling der Schalen in den Laboratorien erfolgt in der Regel vollautomatisch. Entsprechend anspruchsvoll sind die Qualitätskriterien, wie Materialreinheit, hohe Transparenz, Schlierenfreiheit oder eine hohe Ebenheit des Bodens. Da es sich um Einwegprodukte handelt, müssen auf der anderen Seite ein minimaler Ressourcenverbrauch und ein effizienter, kurzer Produktionsprozess gegeben sein. Petrischalen aus Polystyrol erfüllen diese Ansprüche. Die häufigsten Größen liegen zwischen 50 und 150 mm Durchmesser, bei einer Höhe von 13 bis 15 mm. Schale und Deckel werden in der Regel in einem Spritzgießwerkzeug mit zwei Öffnungsebenen (Etagenwerkzeug) simultan hergestellt. Je nach Größe und Produktionsvolumen liegen die Fachzahlen üblicherweise bei 4+4-fach bis 8+8-fach.
Pole-Position bei Produktionsleistung
Auf der K-2010 präsentierte HEKUMA die neue Leistungsklasse für das Handling von Petrischalen am Beispiel einer 8+8-fach-Anlage für eine 90 mm Dünnwand-Petrischale. Die von Grund auf überarbeitete und modernisierte Anlagentechnik bietet 20 Prozent mehr Leistung als die Vorgängermodelle. Zykluszeiten im Bereich von 3,6 bis 4,2 Sekunden (abhängig vom Gewicht der Petrischale und den Anforderungen an die Ebenheit des Schalenbodens) sind nunmehr Stand der Technik, gegenüber 4,5 bis 5,5 Sekunden bei der Vorgängergeneration. Damit nehmen Hekuma-Anlagen die „Pole-Position“ im Wettbewerbsvergleich ein. Durch die Modularisierung des Anlagenkonzepts wurde das Produktionssystem flexibilisiert und eine Skalierung der Fachzahl erleichtert.
Anfang 2011 wurde Produktreihe der Hochleistungsanlagen um die nächste Baugröße erweitert, abgestimmt auf Etagen-Spritzgießwerkzeuge mit 16+16-Kavitäten (Abb.2 und 3), was nahezu einer Verdoppelung der Produktion entspricht. Trotz größerer Dimensionen aller Komponenten für das Teilehandling, liegen die dynamischen Einzelleistungen der Anlagenkomponenten auf dem Niveau der kleineren Anlagen. Der Gesamtzyklus verlängert sich lediglich minimal auf 4,8 Sekunden – hauptsächlich auf Grund der größeren Werkzeugabmessungen, den daraus resultierenden längeren Fahrwegen für den Übernahmekopf des Handlinggerätes (Werkzeugoffenzeit verlängert sich von 0,6 auf 0,8 Sekunden) und der längeren Prozesszeit der Spritzgießmaschine.
Handlingleistung verdoppelt
Um die doppelt so hohe Anzahl an Formteilen innerhalb der gleichen Takt-(Zyklus-)zeit manipulieren und weiterverarbeiten zu können, wurden die Kapazitäten der Automations-anlage gegenüber dem Vorgängertyp verdoppelt. Zentrale Komponente ist das Lineargerät vom Typ HEKU 3, die aktuell leistungsstärkste Version der HEKUMA-Linearachsen. Es bietet Beschleunigungsleistungen von bis zu 8 g (rund 80 m/s²), eine Fahrgeschwindigkeit bis zu 8 m/s mit Traglasten von mehr als 200 kg. Die Linearachse mit verstärktem Fahrschlitten bietet ausreichend Stabilität für den größeren und weiter auskragenden Übernahmekopf. Dieser besteht aus einem stabilen Tragrahmen, mit zwei Grundplatten für je 16 Teileaufnahmen pro Werkzeugtrennebene. Kohlefaserplatten und Teileaufnahmen aus Kunststoff reduzieren die zu bewegende Masse. Durch die exakte Steuerung der Linearachsenbewegung werden Vibrationen und Schwingungen in den Endlagepositionen minimiert. Dadurch können die Formteile präzise und schonend vom Greifer übernommen werden.
Zur Minimierung der Werkzeug-Offenzeit wurde ein, von Hekuma entwickeltes, Kommunikationskonzept zwischen Maschine und Roboter realisiert. Es sieht vor, dass neben dem üblichen Datenaustausch über die Euromap 67-Schnittstelle (für diese Anwendung unzureichend schnell), die Werkzeugposition über zusätzliche Wegsensoren auf der Maschinenschließeinheit abgefragt wird. Ausgelöst vom Sensor wird das Startsignal für die Einfahrbewegung gegeben. Zu diesem Zeitpunkt steht das Handling in einer Warteposition unmittelbar neben dem geschlossenen Werkzeug. Möglich wurde die einfache und damit sichere Bewegungsfolge durch die hohe Beschleunigungsleistung der neuen, leistungsstärkeren Servoantriebe in der HEKU-Baureihe.
Schnelles Teilehandling bei maximaler Schonung
Die vom Herstellprozess noch warmen Petrischalen-Komponenten werden zur größtmöglichen Schonung nicht konventionell gegriffen, sondern formschlüssig aufgenommen und mittels Vakuum fixiert. In der Nachfolgeautomation werden die Formteile an zwei Umsetzstationen übergeben, wo sie ebenfalls formschlüssig und damit ohne Krafteinwirkung gehalten werden. Anschließend kippen die Umsetzstationen die Petrischalenböden und -deckel jeweils um 90 Grad, um sie für das Zusammensetzen richtig zueinander zu orientieren. Die Schalenböden werden mit der Öffnung nach oben, die Deckel mit der Öffnung nach unten in Montageshuttle abgelegt. Anschließend werden die Deckel auf die Böden aufgesetzt und die so montierten Petrischalen nach unten abgestapelt. Damit wird verhindert, dass das Innere der Schale verschmutzt (der Deckel ist größer als der Boden) oder das Produkt sich durch Krafteinwirkung verformt. Die wärmste und am leichtesten verformbare Petrischale befindet sich immer oben auf dem Stapel. So werden insgesamt acht Stapel mit einer einstellbaren Höhe von bis zu 33 Schalen (max. 500 mm) gebildet, die über eine Pufferstrecke zur automatischen Verpackung transportiert werden. Die Verpackungsstation ist eine Weiterentwicklung der seit vielen Jahren bewährten und von HEKUMA entwickelten vollautomatischen Petrischalenverpackung in Schauchbeutel. Hier wird jeweils ein Stapel in einen Folienschlauch eingeschoben und anschließend verschweißt. Für die Verwendung von Schlauchfolien an Stelle einer Flachfolie als Ausgangsprodukt sprach, dass damit die Anzahl und Länge der Schweißnähte und das damit verbundene Potenzial für Undichtheiten reduziert werden konnte. Neu ist die Fähigkeit der Anlage, auch dünne Folien bis zu einer Minimalwandstärke von 40 µm verarbeiten. Ferner wurde die Station optimiert, um mit den neuen Leistungsanforderungen Schritt halten zu können. Die Grundfläche der Automationsanlage konnte durch die Überarbeitung deutlich verringert werden. Die fertigen Packungseinheiten werden über ein weiteres Förderband zu manuellen Verpackungsplätzen oder zur vollautomatischen Verpackung in Beutel oder Kartons transportiert.
Flexibilität und Mehrzwecknutzen ist Teil des Konzepts
Trotz der Ausrichtung auf Hochleistung berücksichtigt das Automatisierungskonzept die durchgängige, flexible Nutzung aller Anlagenteile. Mittels Wechseleinsätzen kann die Anlage schnell auf unterschiedliche Petrischalentypen und -größen umgerüstet werden, sowie das System mit weiteren Features, wie der Corona-Behandlung ausgerüstet werden.
Resümee
Mit der aktuellen Evolutionsstufe der bekannt leistungsfähigen Automationsanlagen ist es HEKUMA gelungen, die führende Position bei Handlingleistung und Anlageneffizienz zu verteidigen. Dies ist nicht allein das Ergebnis von leistungsstärkeren Antrieben, sondern vor allem einer durchgängigen Feinabstimmung aller Anlagenmodule und Schnittstellen aufeinander, ohne dabei aber Kompromisse zu Lasten der Langzeitqualität einzugehen.
