Modulare Roboterzelle Spritzenhandling auf engstem Raum

Redakteur: Silvano Böni

Für Verpackungsanlagen in der Pharmaindustrie gelten hohe Anforderungen an Hygiene und Leistung. Zudem ist der Platz in der Produktion oft knapp bemessen. Die Robotronic AG, Winterthur (Schweiz), realisiert diese Anforderungen mit einer modular aufgebauten Roboterzelle (MRT).

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Eine MRT-Zelle von Robotronic mit zwei integrierten Knickarm-robotern von Mitsubishi.
Eine MRT-Zelle von Robotronic mit zwei integrierten Knickarm-robotern von Mitsubishi.
(Bild: Robotronic)

Für einen Pharmakonzern aus Deutschland hat die Winterthurer Robotronic AG ein Handlingmodul zur Zuführung von Fertigspritzen in die Endverpackungsanlage realisiert. Der langjährige Kunde suchte nach einer flexiblen Lösung und gab eine maximale Bauzeit von vier bis fünf Monaten vor. Der zur Verfügung stehende Raum war mit rund 3 m² extrem klein, die Anforderungen mit 400 Spritzen pro Minute hoch. Zudem sollte eine Umrüstung möglich sein zwischen verschiedenen Spritzenträgern sowie zwischen Spritzenformaten von 0,5 bis 10 mm. Eine große Herausforderung für Robotronic. Die Lösung: eine modular aufgebaute Roboterzelle.

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Mitsubishi-Electric-Roboter lassen sich mit weiteren Elementen kombinieren

Mithilfe des Baukastenprinzips ist die Firma in der Lage, beliebige Mitsubishi-Electric-Roboter in einer Zelle mit weiteren Elementen wie Transportbändern, Kamerasystemen oder Linearachsen zu kombinieren. Mike Weber, Eigentümer und Geschäftsführer der Robotronic AG, beschreibt: «Bei Konstruktion und Bau können wir mit dem Baukastenprinzip viel Zeit sparen.

Das Grundgerüst steht immer und muss lediglich entsprechend den Anforderungen ausgestattet werden. Die Anschaffungskosten sind dadurch vergleichsweise niedrig. Ein wichtiger Vorteil ist die extrem platzsparende Bauweise, mit der wir auf besonders kleinem Raum arbeiten können.» Das Grundmodul des MRT nimmt eine Fläche von knapp einer Europalette ein, das heisst 1,0 mal 1,30 Meter, und ist rund 2,20 Meter hoch.

Besonderheit des Spritzenhandlings

Jede Spritzenverpackungslinie benötigt eine spezielle Zuführung, denn Spritzen haben keinen Boden, auf dem sie stehen können. Deshalb werden sie an der Fingerauflage, dem Finger Flange, hängend transportiert und gelagert, wozu besondere Träger notwendig sind. Die zwei gängigsten sind normierte Kämme und Nester, die jeweils 160 Spritzen fassen.

Zum Verpacken müssen die Spritzen aus den Kämmen oder Nestern entnommen und in die Verpackungsanlage gegeben werden. Dabei ist Fingerspitzengefühl gefragt, denn die gläsernen Spritzen sind leicht zerbrechlich. Mike Weber erklärt: „Entsprechende Handlingmaschinen gibt es schon lange am Markt. Was die MRTs von Robotronic einzigartig macht, ist ihre kompakte Bauweise. Eine ähnliche Maschine von einem anderen Hersteller braucht in etwa drei- bis viermal so viel Platz. Und gerade daran mangelt es in der Regel in der Produktion, was die verfügbare Fläche extrem teuer macht.“

In der Spritzenhandlinglösung kommen zwei Mitsubishi-Electric-Roboter vom Typ Melfa RV-4FLM-Q1-S15 zum Einsatz, kompakte Überkopf-Knickarmroboter mit sechs Achsen. Es sind keine weiteren mechanischen Elemente wie Hub- oder Drehkomponenten nötig. Weber dazu: „Wir legen Wert darauf, möglichst ausschließlich Roboter einzusetzen und nur in Ausnahmefällen zusätzliche mechanische Elemente zu verwenden, die potenziell störanfällig sind. Ein Roboter läuft in der Regel jahrelang ohne Zwischenfälle. So können wir einen hohen Output unserer MRTs sicherstellen.“

Zuführung per Drehturm

Bestandteil der Lösung ist eine Zuführung für die Tubs, also die tiefgezogenen Kunststoffbehälter, in denen sich die Kämme oder Nester zum Transport befinden. Normalerweise kommen hierbei Förderbänder ins Spiel, die einen vergleichsweise hohen Platzbedarf haben. Robotronic hingegen setzt einen eigens entwickelten Drehturm ein, der auf dem gleichen Grundgerüst wie die Roboterzelle basiert, mit der er verbunden ist.

Auf der Außenseite wird der Turm von Hand mit bis zu zehn vollen Tubs beladen, bevor er sich um 180 Grad dreht und per Roboter entleert wird. „Durch die Stapelung der Tubs im Drehturm können wir den Platzbedarf im Vergleich zu einer Förderstrecke stark reduzieren“, erklärt Mike Weber. „Wir verarbeiten zweieinhalb Tubs beziehungsweise 400 Spritzen pro Minute. Der Turm fasst insgesamt zehn Tubs. Er muss also alle vier Minuten nachgeladen werden. Optional ist auch ein Drehturm für 20 Tubs erhältlich. Um diese gleiche Autonomie mit einem Förderband zu erzielen, müsste das Band vier Meter lang sein. Mit dem MRT schaffen wir die gleiche Leistung mit einem Meter.“

Handling mit Robotern

In der Sonderlösung sind zwei Melfa-Roboter vom Typ RV-4FLM-Q1-S15, die zugehörigen CPUs Q172DRCPUund eine SPS CPU vom Typ Q03UDECPU eingebaut. Der Drehturm wird über einen Mitsubishi-Electric-Servomotor MRJ4 mit Motion CPU Q172DCPU angetrieben. Alle CPUs sind Bestandteil der Multi-CPU-Plattform von Mitsubishi. Die Besonderheit dieser Lösung ist es, die Roboter nicht nur über Kopf hängend, sondern auch zu zweit auf engstem Raum zusammenarbeiten zu lassen.

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Die beiden Melfa-Roboter sind für das komplette Handling von Tubs, Trägern – also Nestern oder Kämmen – sowie der verschiedenen Spritzenformate verantwortlich. Dazu sind sie exakt aufeinander abgestimmt. Der Prozessablauf bei Kämmen, in denen die Spritzen hintereinander in mehreren Reihen hängen, sieht wie folgt aus: Roboter A entnimmt zunächst einen Tub aus dem ersten Turmschacht und stellt ihn in die vorgesehene Station. Dort entnimmt Roboter B den Kamm und Roboter A bringt den leeren Tub zurück in den Drehturm.

Roboter B fährt mit dem Kamm an die Entleerungsschiene, kippt ihn leicht und taktet die Spritzen durch. Von der Schiene durchlaufen die Spritzen den regulären Verpackungsprozess. Anschließend legt Roboter B den leeren Kamm in eine separate Station ab, von wo aus ihn Roboter A aufgreift und zum Tub in den zweiten Turmschacht legt.

Dass das MRT sowohl Kämme als auch Nester verarbeiten kann, ist laut Mike Weber eine Besonderheit in der Branche. Die Nester verfügen über eine wabenförmige Struktur, in deren einzelnen Öffnungen die Spritzen hängen. Für das Handling sind hierbei Vakuumgreifer nötig. Die Maschine lässt sich innerhalb weniger Minuten umrüsten. Das Handling selbst unterscheidet sich wie folgt: Auch hier setzt Roboter A zunächst den Tub in die erste Station. Roboter B entnimmt das Nest mittels Vakuum, bewegt es zur zweiten Station und stellt es dort in einen Stufenblock, über den die Spritzen leicht angehoben werden.

Optionale Leistungserweiterung

Mit einem speziellen Greifer fährt Roboter A an die Waben des Nestes, nimmt die Spritzen am Finger Flange auf und fährt mit ihnen an die Entleerungsschiene, wo er, ähnlich wie bei den Kämmen, die Reihen zur Entleerung durchtaktet. Anschließend stellt Roboter A Nest und Tub als Leergut in den zweiten Turmschacht der Drehstation.

Das aktuelle MRT-Modell kann 400 Spritzen pro Minute in die Entleerungsschiene eintakten. Maximal lassen sich mit dieser Lösung bis zu 600 Stück pro Minute verarbeiten. Dazu wird die Anlage um eine Zusatzachse erweitert, angetrieben von einem Mitsubishi-Electric-Servomotor MR-J4. „600 Spritzen pro Minute – das ist so ziemlich das Schnellste, was Sie auf der Welt finden werden!“, verdeutlicht Mike Weber.

Die Zusatzachse erlaubt einen schnelleren Entleerungsvorgang: Der Roboter selbst fährt nicht länger an die Entleerungsstation, um die Spritzen in Reihen durchzutakten, sondern alle Spritzen werden in einem Durchgang mit einer 180-Grad-Kippbewegung aus dem Kamm in ein Gegenstück entleert, das sich auf der Servoachse befindet. Statt des Roboters übernimmt die Servoachse mit einer Kippbewegung das Entleeren der Waben. Der ursprüngliche Bewegungsablauf des Roboters verkürzt sich und die Verarbeitung von bis zu 600 Spritzen pro Minute wird möglich.

Langjährige Erfahrung

Als exklusiver Robotics-Vertriebspartner von Mitsubishi Electric für den schweizerischen Markt arbeitet Robotronic bereits seit Firmengründung 2008 mit dem Automatisierungsanbieter zusammen. Mike Weber selbst blickt auf mehr als 30 Jahre Zusammenarbeit mit Mitsubishi Electric zurück. Für ihn zählen vor allem der kompetente und schnelle Kundenservice sowie die weltweite Verfügbarkeit von Technik und Experten.

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Über die Produkte sagt er: „Die Roboter zeichnen sich durch Flexibilität, Geschwindigkeit und langjährige Zuverlässigkeit aus. Beispielsweise arbeiten Mitsubishi-Electric-Roboter bei einem unserer Kunden schon unglaubliche 25 Jahre im Dreischichtbetrieb. Das ist eine enorme Leistung! Auch mit den anderen Komponenten von Mitsubishi Electric wie Servos oder Steuerungen hatten wir bisher nie Qualitätsprobleme. Von Vorteil sind auch die hohen Freiheitsgrade beim Einbau der Roboter, beispielsweise durch die Überkopfmontage oder die extremen Drehbewegungen. Die schlanke Bauform der Roboter unterstützt die Umsetzung des MRT auf engstem Raum.“

Weiterentwicklung in vollem Gange

Robotronic entwickelt das aktuelle Spritzenhandlingmodul weiter und will zukünftig die Umrüstungsoption auf ein drittes Trägerformat, auf sogenannte Rondo Trays, anbieten. Das sind 300 mm lange, flache, wellenförmige Kunststoff-Tabletts, in denen die Spritzen nebeneinander eingeklipst werden. Mike Weber bemerkt: „Wenn das MRT zusätzlich Rondo Trays verarbeiten kann, sind unsere Kunden in der Lage, mit nur einer Lösung alle drei Formate zu handhaben.“

Zudem arbeitet Robotronic an einer Lösung, in der die Spritzen berührungslos auf einer Förderstrecke in die nächste Maschine gelangen. Die Verwendung von Glas in der Arznei- und Lebensmittelproduktion stellt ein Risiko dar, da Glasbehälter durch Zusammenstöße leicht Schaden nehmen können. Bei den Spritzen könnte beispielsweise die Fingerauflage beschädigt werden oder Glaspartikel in die Flüssigkeit gelangen.

Mit der neuen Lösung reagiert Robotronic auch auf die „No Glass Contact“-Empfehlung der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA). Mit der Sonderlösung richtet sich der Anlagenbauer an Pharmaunternehmen weltweit. „Das System kann eins zu eins in anderen Ländern übernommen werden, denn die Nester, Kämme und Rondo Trays sind normiert und international im Einsatz“, so Mike Weber abschließend.

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