Automatisierung im Reinraum sichert effiziente Produktion

Automatisierung im Reinraum sichert effiziente Produktion

• Allrounder und Robot-Systeme bilden Einheit
• Selogica-Steuerung macht Programmierung auch von Sechs-Achs-Robotern möglich
• Fertigungszellen stehen für hohe Ausbringung und Spritzteilqualität

Die medizintechnische Produktion erfordert neben einer hohen Präzision auch eine extrem saubere Arbeitsumgebung. Oberstes Ziel bei der Fertigung unter Reinraum¬bedingungen ist die Vermeidung von Kontaminationen der Spritzgießprodukte mit Staub, Pollen, Bakterien, organischen Aerosolen und anderen luftgetragenen Verunreinigungen. Darüber hinaus stellt die Medizintechnik höchste Anforderungen an qualitativ einwandfreie Teile, die in hohen Stückzahlen und mit kürzesten Zykluszeiten hergestellt werden sollen. Durch ein umfassendes Reinraumkonzept und der Modularität des Allrounder-Programms ist Arburg optimal aufgestellt, um alle Aufgaben in diesem Bereich punktgenau umzusetzen.

Gerade die Anforderungen an Präzision, Sauberkeit und Schnelligkeit der Prozesse erfordern oftmals den Einsatz automatisierter Fertigungszellen mit integrierter Robot-Technik, um Verunreinigungen so weit wie möglich auszuschließen. Arburg als Anbieter sowohl von Spritzgießmaschinen als auch von Robot-Systemen und über die Selogica-Steuerung integrierbaren Sechs-Achs-Robotern hat hier das richtige Instrumentarium im Programm, um auch im Bereich Reinraumproduktion passende Konfigurationen anbieten zu können.

Modularität, hohe Qualität und Ausbringung sowie konsequent reine Produktionsbedingungen kennzeichnen die flexiblen Fertigungszellen von Arburg. Als Generalunternehmer werden die Vorstellungen der Kunden detailgetreu aufgenommen und konsequent umgesetzt. Damit läuft die Herstellung auch im Serienbetrieb störungsfrei und hochwertig.

Zwei Alternativen für die Reinraumproduktion

Arburg geht zwei Wege in der Reinraumproduktion. Zum einen werden Allrounder – mit oder ohne Robot-System –mit zusätzlicher Ausrüstung zum Andocken an Reinräume über Förderband angeboten, zum anderen arbeiten speziell ausgestattete Maschinen auch direkt im Reinraum. Grundsätzlich gilt: Hydraulische Allrounder werden verstärkt an den Reinraum angedockt, elektrische Allrounder können auch direkt im Reinraum arbeiten.

Um die Partikelkontamination in Reinräumen so gering wie möglich zu halten, platziert Arburg die Maschinen einerseits außerhalb des Reinraums und verbindet sie über gekapselte Förderbänder. Die Allrounder sind mit einem Reinluftmodul inklusive Ionisierung auf einem Verschieberahmen über der Schließeinheit ausgestattet, um die Zugänglichkeit vollständig zu gewährleisten. Der erzeugte permanente Luftvolumenstrom führt zu einem hohen Luftaustausch im Produktionsraum. Die daraus resultierende Verdrängungsströmung verhindert das Eindringen von Partikeln. Fallende Bauteile können so in einer reinen Umgebung produziert werden. Ein verlängertes Förderband mit Tunnelabdeckung transportiert die Teile dann in den Reinraum, in dem sie weiterverarbeitet, z. B. montiert oder verpackt, werden. Automatisiert werden Abläufe, die eine Entnahme und Ablage erfordern, über in die Anlagen integrierte Robot-Systeme. Diese verfügen über eine Einhausung aus  transparentem PC und sind ebenfalls mit einem Reinluftmodul überbaut. Die Ablage erfolgt dann wie bei fallenden Teilen auf einem gekapselten Förderband, das die Artikel in den Reinraum transportiert.

Sollen die Maschinen andererseits direkt im Reinraum eingesetzt werden, müssen Maßnahmen gegen eine potenzielle Kontamination ergriffen werden. Dazu gehören etwa ein erhöhter Maschinenständer zur verbesserten Reinigung, die Pulverbeschichtung in lichtgrau, die Ausführung verschiedener Maschinenbleche in Edelstahl, vernickelte Aufspannplatten mit abgedeckten Bohrungen, formschlussnahe Medienanschlüsse sowie wassergekühlte Antriebsmotoren und Schaltschränke.

Automatisierungsfortschritt: Programmierung von Sechs-Achs-Robotern über Selogica-Steuerung

Für sehr anspruchsvolle Handhabungsaufgaben eignen sich Sechs-Achs-Roboter besonders gut. Sie bieten eine sehr hohe Funktionalität und erlauben auch sehr komplexe Bewegungen. Darüber hinaus sind sie in der Lage, 3D-Konturlinien punktgenau abzufahren und Teile frei im Raum zu drehen. Außerdem ist der Platzbedarf für einen Sechs-Achs-Roboter vergleichsweise gering.

Durch die Implementierung der Selogica-Bedienoberfläche auf die Roboter-Steuerung ergeben sich entscheidende Vorteile: Den Einrichtern steht die ihnen bekannte Bediensystematik zur Verfügung, sodass sich selbst komplizierte Bewegungsabläufe der Roboter in Eigenregie und ohne spezielle Kenntnisse analog zum Maschinenablauf programmieren lassen. Das wiederum verringert den Aufwand für das Rüsten deutlich und macht den Einsatz der Roboter auch in High-End-Branchen wie der Medizintechnik effizient möglich. Der Roboter ist direkt mit der Maschinensteuerung verbunden. Die Online-Kommunikation geht weit über die Euromap-Schnittstelle hinaus und bietet Funktionen wie z. B. Synchronisierung von Bewegungen und vereinfachtes Starten der Maschine. Daraus resultieren kürzere Einricht- und Zykluszeiten. Auch die in der Praxis immer wieder erforderlichen kleineren Korrekturen sind in wenigen Minuten erledigt.

Praxisbeispiel LSR-Fertigungszelle für medizintechnische Teile

Ein Beispiel für den Einsatz eines solchen Sechs-Achs-Roboters ist die Herstellung einer medizinischen Abdeckkappe arbeitet. Die Fertigungszelle ist in diesem Fall an einen Reinraum angedockt. Das flexible Konzept rund um einen elektrischen Allrounder 520 A mit 1.500 kN Schließkraft und Spritzeinheit 400 in Reinraumausstattung – unter anderem mit einer Sondereinhausung des Formschlusses in Edelstahl mit Zugangsklappe zum Auswerfer – wurde speziell zur Herstellung pharmazeutischer Artikel spezifiziert. Die Maschine zeichnet sich durch zahlreiche, für die medizintechnische Produktion erforderliche Optionen wie etwa durch den Einsatz von durch die FDA/NSF (Food and Drug Administration/National Sanitation Foundation) anerkannten Schmierstoffen, einem gekapselten Kniehebel, korrosionsbeständigen festen und beweglichen Aufspannplatten, der spritzseitigen Abdeckung des Maschinenständers sowie Stutzen und Schnellkupplungen aus Edelstahl oder der Einhausung für Wasserbatterie und Steigrohre aus. Reinraummodule auf der Maschine und im Robot-Bereich sorgen für die geforderte hochreine Umgebungsatmosphäre.

Die weißen Abdeckkappen entstehen in einem 32-fach-Werkzeug. Sie werden direkt abfallfrei über ein Kaltkanalsystem und -düsen angespritzt. Wenn das Werkzeug öffnet, befinden sich alle 32 Kappen auf den Kernen der Auswerferseite. Der im angedockten Reinraum platzierte Sechs-Achs-Robot fährt mit dem Handlingkopf in Position und fixiert sich über Zentriervorrichtungen am Werkzeug. Die 32 Kappen werden über den Werkzeug-Auswerfer durch eine integrierte Lochplatte in das Entformmodul gedrückt.

Alle Teile werden auf diese Weise in einer speziellen Einhausung aufgenommen. Der Robot fährt danach aus dem Werkzeug aus und zum Förderband. Hier öffnet eine Klappe am Entformmodul, damit alle Bauteile gezielt zusammen auf das ebenfalls eingehauste Förderband abgelegt werden können.

Die Lösung in Verbindung mit dem Kuka-Robot kommt bereits konventionell sehr nah an die Reinraum-Anforderungen heran, da der Robot schon allein durch seine Bauart und die elektrischen Antriebe sehr sauber arbeitet. Durch das Konzept der Entnahme auf der Maschinenrückseite lassen sich sämtliche Anforderungen zur Einhausung in Verbindung mit Reinluftmodulen realisieren.

Die Anlage ist so aufgebaut, dass das Förderband, auf dem die Teile abgelegt werden, direkt mit dem Reinraum verbunden ist. Somit kann die Produktion unmittelbar an nachgeordnete Bearbeitungspositionen, etwa zum Tempern, zur Kontrolle oder zur Verpackung, übergeben werden.

Bereits die Entformung der Teile ohne Luft ist in vollem Umfang reinraumtauglich. Wichtig ist aber auch, dass die Teile gezielt abgeführt und transportiert werden. Damit werden sämtliche Artikel hochwertig gespritzt, entnommen und abgelegt, wie es einer qualitativ einwandfreien Medizintechnikherstellung entspricht.

Praxisbeispiel Wirkstoffimplantat aus LSR

An der Entwicklung und Großserienproduktion eines LSR-Rings, den Frauen zur Prävention vor HIV nutzen können, war Arburg als Generalunternehmer mit Verantwortung für die gesamte Produktionszelle federführend beteiligt. Der Wirkstoff wird dabei direkt in die zu verarbeitenden beiden Flüssigsilikon-Komponenten eingebracht, um auf diese Weise langsam kontrolliert aus dem applizierten Vaginalring wieder abgegeben zu werden. Die gesamte Produktionszelle wurde ausgehend von den Kundenanforderungen während und nach ihrer Fertigstellung überprüft und qualifiziert. Die Entwicklung und Optimierung aller wichtigen Prozessparameter wurde im Rahmen einer Validierung kontrolliert und festgehalten.

Der Vaginalring hat mit dem integrierten Wirkstoff ein Gewicht von acht Gramm und beinhaltet 25 Milligramm der wirksamen Substanz. Diese ist in der platinvulkanisierenden Zwei-Komponenten-LSR-Matrix homogen und fein gelöst. Der Außendurchmesser des Rings liegt bei 56 Millimeter, der Durchmesser des Profils bei 7,7 Millimeter.

Ein großer Schritt in Richtung einer problemlosen Großserienfertigung solcher Wirkstoff abgebender LSR-Ringe ist neben einer dem medizintechnischen Produktionsprozess angepassten, hoch automatisierten Spritzgießanlage mit Qualitätskontrolle über zerstörungsfreie spektroskopische Analyse in Kombination mit einer optischen Teilevermessung auch ein perfekt gearbeitetes Werkzeug mit geringsten Toleranzen.
Für die Produktion der Wirkstoffimplantate zum Zweck klinischer Tests wurde das 16-fach-Kaltkanalwerkzeug von Projektpartner Rico auf einem durch Arburg konfigurierten elektrischen Allrounder mit integriertem Sechs-Achs-Roboter, spezieller  Reinraumausstattung und gemeinsamer Selogica-Bedienoberfläche eingesetzt.

Maschinen- und Anlagentechnik bis ins Detail abgestimmt

Der elektrische Allrounder 520 A mit 1.500 kN Schließkraft und Spritzeinheit 400 ist nicht nur an die LSR-Verarbeitung, sondern auch an die Hygieneanforderungen in der Medizintechnik angepasst, in Edelstahl ausgeführt und mit LSR-Zylindermodul, Vakuumsteuerung und Vakuumpumpe ausgestattet. Der Zuführdruck der Dosieranlage kann grafisch, Durchfluss und Temperatur der prozessrelevanten Kühlwasserversorgung ebenfalls vollständig überwacht werden.

Der Allrounder und die gesamte Automatisierung wurden als Reinraumzelle mit Reinluftmodulen inklusive Ionisierung überbaut und erfüllen so die Anforderungen der Reinraumklasse ISO 3. Der Sechs-Achs-Roboter wurde ebenfalls auf seinen Einsatz im Reinraum angepasst sowie durch einen speziellen Entnahmegreifer und ein Förderband ergänzt. Insgesamt entspricht die Produktionszelle damit sowohl den Richtlinien der ISO 13485 sowie auch den Vorgaben der FDA und den Festlegungen eines Good Manufacturing Process (GMP).

Elektrische Maschinen prädestiniert für Reinraumanwendungen

Der Trend in Sachen Reinraumfertigung geht deutlich in Richtung des Einsatzes von elektrischen Maschinen, die aufgrund ihrer Schnelligkeit, Präzision, der geringen Emissionen und ihrer energieeffizienten Arbeitsweise für Reinraumanwendungen prädestiniert sind. In diesem Bereich ist Arburg mit seinen beiden elektrischen Baureihen sehr gut aufgestellt. Gemeinsam umfassen sie ein Schließkraftspektrum von 350 bis 3.200 kN und decken das gesamte Anwendungsspektrum ab. Während die Edrive-Maschine für die Herstellung von Standardprodukten konzipiert sind, werden die Alldrive-Maschinen im Highend-Sektor eingesetzt. Letztlich entscheidet sich jedoch stets das Produkt, welche Maschinentechnik die wirtschaftlichste ist.

Die Maschine arbeitet direkt in einen Reinraum, in dem die Teile zur weiteren Verarbeitung entnommen und auf einem Förderband abgelegt werden.