ArrayPrep: Das System ist besonders auf Pipettiervorgänge in der Medizin- und Pharmaindustrie „trainiert“.

Klare Worte aus der Entwicklungsabteilung: „Im Vergleich zu einem Riemenantrieb gibt es beim Reibradantrieb keine Probleme mit Riemendehnung oder Kraftrippeln, und im Gegensatz zu einem Kugelspindelantrieb ist er deutlich leiser und kostengünstiger.“ Das sagen die Handhabungsexperten von Schunk über die Vorzüge des Antriebskonzeptes der aktuellen Baureihe Uniplace mit multiplem Achssystem und integrierter Steuerung. Der Automatisierungsspezialist hat damit den Einsatz im Labor und in der Medizintechnik im Auge, da es in diesem Umfeld im besonderen Maße auf kompakte, präzise und geräuscharme Handhabungstechnik ankommt.

Moderne Handhabungssysteme sind meist Teil einer Optimierungsstrategie im Anwenderunternehmen. Das schlägt sich in erster Linie im variablen Systemaufbau nieder. Modulare Antriebsarchitekturen und multiple Achssysteme mit integrierter Steuerung sind Beispiele dafür, wie sich Automatisierungsgeräte flexibler und damit auch produktiver gestalten lassen. Die dreiachsige Baureihe PP2300 und die zusätzlich mit einer Rotationsachse ausgestattete Baureihe PP2400 zielen sowohl auf Pipettieraufgaben wie auch die Gläserhandhabung und das Mischen von Reagenzien oder Montageaufgaben in der Feinmechanik.

Beim Blick auf die Eigenschaften der Handlingsysteme fällt auf, dass es nur wenige Unterschiede gibt. So kann das Handlingssystem PP2300 Massen bis fünf Kilogramm bewegen, während das mit einer vierten Rotationsachse ausgestattete Schwestermodul PP2400 lediglich 3,5 kg anheben kann. Die Grundfläche von 1260 x 754 mm und der Arbeitsraum von 1000 x 400 x 240 mm hingegen sind bei beiden Modellen gleich. Ebenso erreichen beide Varianten eine Maximalgeschwindigkeit von etwa einem Meter pro Sekunde bei einer maximalen Beschleunigung von 3 m/s². Mehr Möglichkeiten bietet naturgemäß die zusätzliche Rotationsachse. Sie rotiert mit einem Drehwinkel bis zu +/-270° und lässt sich neben Pipettier- oder Pick and Place-Aufgaben auch zum Umfüllen von Flüssigkeiten einsetzen. Da diese vierte Achse eine Durchgangsbohrung mit einem Durchmesser von 25 Millimetern aufweist, können Techniker weitere Kabel oder Lichtleiter zu stirnseitig montierten Komponenten, wie beispielsweise einem Bildverarbeitungssystem, durchführen. Die Anschlüsse für eine Mediendurchführung wie Druckluft oder Flüssigkeiten sind bereits vorhanden, so dass sich Komponenten wie Dispenser, Greifer oder Sauger ohne aufwendige Schlauchverlegung integrieren lassen.

Tatort Reinraum: Wie hier bei der Montage von Inhalatoren, dürfen keine Partikelemissionen von den Anlagen ausgehen.

Die Ingenieure haben bei der Konzeption auf sehr niedrige Geräuschemissionen geachtet. Der Antrieb erfolgt über ein umkehrspielfreies und geräuscharmes Reibrad, ohne dass diese Entscheidung zu Lasten der Genauigkeit gegangen wäre: Das integrierte, inkrementale lineare Wegmesssystem ermöglicht mit seiner Auflösung von acht Mikrometern eine Wiederholgenauigkeit von +/- 0,05 mm, wobei die Positioniergenauigkeit durch den Einsatz eines Mapping-Verfahrens sogar noch verbessert werden kann.

Fortschritte in der Elektronik erlauben das Verlegen der Steuerungsfunktionen in die Geräte. Dank der geringen Standfläche lässt sich das Handhabungssystem ohne weiteres auf dem Labortisch aufstellen. Das umständliche und zeitaufwändige Inbetriebnehmen herkömmlicher Geräte entfällt, so dass auch die betriebwirtschaftliche Gesamtrechnung günstig ausfällt: Nach Herstellerangaben ist das Investment in eine kompakte Komplettlösung unter dem Strich deutlich kostengünstiger als ein aus separaten Komponenten aufgebautes System.

Die Steuerung ist in der Lage, entweder vier Achsen anzusteuern oder drei Achsen und eine Zusatzapplikation wie beispielsweise einen Greifer oder eine Dispenseranwendung. Sie verfügt über acht digitale Ein- und 16 Ausgänge, das ist ausreichend, um eine Fülle von Aufgaben zu bewältigen. Mit ihrer Hilfe lassen sich zum Beispiel Objektträger erfassen oder Lichtschranken in die Steuerung integrieren. Die Ein- und Ausgänge sind zudem für den Anschluss von Vision-Systemen geeignet. Damit ausgerüstete Roboter sind in der Lage, das Vorhandensein oder die Lage von beliebigen Objekten zu erkennen.

In der Laborautomatisierung gehört die Handhabung von Titertabletts zu den Allround-Aufgaben.

Moderne Elektronik und Software-Unterstützung ebnen den Handhabungsgeräten den Weg zu weiteren Einsatzszenarien. Bei kleineren oder überschaubaren Automatisierungsaufgaben reicht oftmals der Einsatz des Uniplace als Stand-alone-System. Über die ingrierten Ethernet- und RS-232-Schnittstellen steht aber auch eine Verbindung zu anderen Handhabungssystemen zur Verfügung. Der Ethernet-Anschluss öffnet fremden Steuerungssystemen den Zugang oder dient als Programmierschnittstelle für einen externen Computer. Damit eröffnen sich dem Anwender auch Möglichkeiten zur Fernbedienung und Fernwartung.

Für den Zugriff stehen drei Zugangsarten für Bediener, für Wartungspersonal und für Administratoren zur Verfügung. Die Programmierung der Steuerung erfolgt über ein Softwaretool auf der Basis von Visual Basic, das per Browser bedient wird. Der interne Datenspeicher des Uniplace nimmt die damit erstellten Programme auf. Das gibt etwa Systemintegratoren die Möglichkeit, ihren Kunden ganze Programmbibliotheken zur Verfügung zu stellen, die vom Anwender nur noch aufgerufen werden müssen. Der Roboter ist auch per Teaching programmierbar. Die Führungsprofile des Uniplace sind durch Abdeckbänder vollständig nach der technischen Schutzart IP51 (Staubschutz und Schutz gegen Tropfwasser) verschlossen. Die Geräte sind auch im Reinraum einsetzbar.

Der Einsatz von Automatisierungstechnik und Robotern in medizinischen Aufgabenfeldern nimmt zu, kennt aber auch zahlreiche Handicaps, die es zu bewältigen gilt. Eine der Hürden ist die Programmierung der Automaten, die vor allem ungeübte Benutzer abschreckt. Lange Entwicklungszeiten sind keine Ausnahme. Schon in einem einfachen Pipettierroboter, der mit mehreren Mikrotiterplatten selbstständig umgehen muss, steckt viel Programmierarbeit, damit das Gerät jede Plattenpositionen exakt ansteuert.

Anabel kommt mit herkömmlichen Werk­zeugen ebenso zu recht, wie mit gängigen Verbrauchsmaterialien.

In den Labors nimmt der Zeitdruck zum Testen oder Analysieren von Proben ständig zu. Ein Grund mehr, manuelle Abläufe auf die automatisierte Prozessierung von Laborarbeiten umzustellen. Dabei kommt es nicht nur auf den hohen Durchsatz von Analyseproben an. Automatisierungslösungen müssen auch einfach zu handhaben und flexibel einsetzbar sein. Den Weg dazu ebnet das Basissystem Anabel des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT im saarländischen St. Ingbert. Die softwaregestützte Arbeitsplattform, die in der IBMT-Außenstelle in Potsdam entwickelt wurde, ist so ausgelegt, dass sie verschiedene manuell ausgeführte Standardarbeitsabläufe im Labor direkt in die Automatisierungsumgebung integriert.

Grundlage des Systems ist ein eingehauster 6-Achs-Knickarmroboter, der über eine von Fraunhofer-Experten entwickelte Schnittstelle auf Basis des gängigen Internetprotokolls TCP/IP kommuniziert und so für beliebige Programmier-Hochsprachen zugänglich ist. Das bedeutet, dass Anwender dem Roboter mit einfachen Scriptsprachen oder jeder anderen Programmiersprache alles beibringen können, wozu sonst spezielle Roboter-Programmierungen nötig sind. Ein besonderes Augenmerk legten die Entwickler auf die Verwendung von üblichen Arbeitsmitteln. Anabel kommt mit herkömmlichen Werkzeugen ebenso zu recht, wie mit gängigen Verbrauchsmaterialien. So können beispielsweise über einen pneumatischen Wechselflansch aus dem Maschinenbau verschiedene elektrische Pipetten vollautomatisch vom System gewechselt, angesteuert und zusammen mit Standardpipettenspitzen verwendet werden.

Der pneumatische Wechselflansch nimmt nahezu jedes Werkzeug aus dem Laborbetrieb auf. Zur Steuerung stehen 15 elektrische und sieben pneumatische Verbindungen zur Verfügung. Diese Grundeigenschaft des Systems ermöglicht zum Einen den Wechsel von einer manuellen Entwicklung zur automatisierten Anwendung unter Beibehaltung der Arbeitsmaterialien und stellt zum Anderen genau deshalb den schnellsten und kostengünstigsten Weg dazu dar. Die Arbeitsatmosphäre im Innenraum der Arbeitszelle lässt sich über ein Laborabzugssystem beeinflussen. Im Dach der Einhausung strömt die Zuluft über ein Wechselfiltersystem in den Innenbereich und verteilt sich gleichmäßig über die gesamte Arbeitsfläche. Bis zu acht weitere Geräte oder Stationen können mit individuell geregeltem Unterdruck versorgt werden. Die Arbeitsfläche selbst besteht aus einem chemisch besonders widerstandsfähigen Kunststoff und ist mit einem gleichmäßigen Lochraster zur vereinfachten Probenpositionierung versehen. Die Kunststoffplatten vierteln die Arbeitsfläche und sind zum schnellen Wechsel experimenteller Aufbauten einzeln austauschbar. Unter der Arbeitsfläche befinden sich Edelstahlwannen mit Abfluss und Absaugung zur Aufnahme ungeplant ausgetretener Flüssigkeiten oder Substanzen.

Ein eingehauster Sechsachs-Knickarmroboter ist das Herzstück der softwaregestützten Arbeitsplattform.

Auch daran haben die Anabel-Entwickler gedacht: Damit bei einer Neubeschickung der Arbeitszelle der Betrieb aufrechterhalten bleibt, drückt der Labortechniker auf einen Knopf. Ein Teil der Arbeitsfläche fährt dann als Schublade nach Außen. Dabei wird die Öffnung zur Sicherheit und zum Erhalt des Unterdrucks durch einen Schieber automatisch verschlossen. Der Roboter spult sein Arbeitspensum ungehindert weiter ab, während neues Probenmaterial per Schubfach nachkommt. Für die Ver- und Entsorgung größerer Flüssigkeitsmengen, beispielsweise während einer Bibliothekssynthese, stehen unterhalb der Arbeitsfläche zwei große, mit Edelstahl ausgekleidete Schwerlastschubladen zur Verfügung.

Die Arbeitszelle ist rundum mit Glasscheiben von der Umgebung abgeschirmt. Der Arbeitsautomat ist folglich für das Bedienpersonal gut sichtbar. Geht es um schwierigere Greif- und Handlingaufgaben, muss der Anwender nicht gleich in neue Geräte investieren. Anabel lässt sich ohne weiteres mit einer robotischen Dreifingergreifhand ausstatten. Kupplung und Schnittstelle sind bereits vorhanden. Ein taktiles Sensorsystem mit etwa 200 Sensorpunkten an jedem der sechs Fingerelemente überwacht die eingesetzte Kraft und bietet so die Möglichkeit unterschiedlich schwere und dimensionierte Objekte sicher zu handhaben.

Als eine der ersten praktischen Anwendungen werden zurzeit kontinuierlich ablaufende Bibliothekssynthesen implementiert. Die hohe Flexibiltät des Gesamtsystems ermöglicht zusammen mit einer intelligenten Ablaufsteuerung der Synthesen die diskrete Behandlung jeder einzelnen Synthese. Das breite Einsatzspektrum von Anabel gegenüber den Standardlösungen mit begrenzter Funktionalität freilich hat auch seine Grenzen. Den enormen Durchsatz von spezialisierten High-Throughput-Screening-Portalen erreicht die Laborarbeitsplattform aus St.Ingbert nicht. Die Stärke liegt vielmehr darin, auch bei manipulationsintensiven Arbeiten eine hohe Zuverlässigkeit und konstante Qualität bei maximaler Flexibilität zu erreichen.