Imballaggio flessibile di sacche di infusione con supporto robotico

Gestione semplice

I sacchetti per infusioni sono un'alternativa leggera e stabile alle soluzioni di infusione in bottiglie di vetro. Tuttavia, la flessibilità di tali sacchetti richiede un know-how considerevole nella tecnologia di processo durante l'imballaggio – in particolare a elevati tassi di produzione. Fresenius Kabi utilizza per questa problematica un impianto di confezionamento appositamente adattato. L'impiego di robot e di sistemi di elaborazione delle immagini garantisce la massima produttività. La Fresenius Kabi Deutschland GmbH, Friedberg, è una filiale del gruppo Fresenius-Kabi. Nella sede di Friedberg, l'azienda produce soluzioni di infusione in diversi imballaggi, ad esempio bottiglie di vetro o sacchetti. Un'opportunità importante è rappresentata dal suo sacchetto Freeflex per soluzioni di infusione, privo di PVC e facile da maneggiare. Una linea completamente automatica, recentemente completata, dovrebbe in futuro produrre diverse migliaia di unità di questi sacchetti all'ora. L'impianto comprende la produzione di sacchetti vuoti, il riempimento, la sterilizzazione e la confezione. Il processo inizia con la saldatura di una pellicola a due strati in un sacchetto. Seguono le stazioni di riempimento, gassificazione e connessione del sacchetto. I connettori servono per prelevare la soluzione di infusione o per aggiungere farmaci nel sacchetto. Successivamente, i sacchetti vengono sigillati in una stazione di imballaggio secondario in un ulteriore strato di pellicola.

Da qui, vengono trasportati tramite un sistema a nastro nel reparto di sterilizzazione. Dopo l'estrazione da un autoclave, il percorso prosegue tramite un sistema a nastro verso la confezione. Per il riconoscimento dei sacchetti, all'inizio della fase di confezionamento è montata una telecamera a riga sopra il nastro. Una singola telecamera riconosce tutti i sacchetti e li distribuisce con l'aiuto di un software logistico ai robot – Adept-Scaras di tipo Cobra s800. «Il riconoscimento del sacchetto trasparente è stato una sfida», afferma Dipl.-Ing. Michael Frieß, ingegnere capo del progetto presso l'azienda costruttrice dell'impianto, Erhardt + Abt Automatisierungstechnik GmbH, Kuchen, che ha anche curato l'installazione della tecnologia robotica e del software. «Abbiamo risolto il problema rilevando i connettori sui sacchetti.» Poiché uno dei connettori è bianco, inizialmente ci sono stati problemi di riconoscimento. Un altro problema derivava dal fatto che i sacchetti non erano posizionati esattamente sul nastro. Il sistema deve quindi non solo riconoscere i sacchetti, ma anche determinare il punto di presa ideale per i robot.

Robot veloci – tempi di risposta brevi

I robot Adept-Scaras posizionano in ciascun cartone un numero specifico di sacchetti. Non vengono assegnati tutti i sacchetti prima dell'atto di presa, ma ogni robot, nel momento in cui è libero, invia un richiesta al sistema di elaborazione immagini per un nuovo comando di presa, che a sua volta invia i dati di posizione al robot. Questa procedura richiede tempi di risposta brevi. L'intero impianto è collegato tramite Profibus ed Ethernet, con un PLC Siemens S7 che funge da master.

Se un robot si guasta, i sacchetti in arrivo vengono distribuiti sugli altri tre, e il quarto robot può essere messo in manutenzione. I robot sono dotati di circuiti di protezione separati. «Se lavoriamo solo con tre robot, i dispositivi rimanenti riescono comunque a prelevare tra il 95 e il 97 percento dei sacchetti. Il resto viene confezionato manualmente», spiega Dipl.-Ing. Axel Kretschmann, responsabile del settore confezionamento dell'intero impianto.

Tuttavia, spegnendo uno dei robot, gli altri tre Scaras sono sottoposti a un carico quasi massimo. Prima che la regolazione fine fosse ottimizzata, si verificava anche che un robot si fermasse per sovraccarico. Ogni cartone è posizionato su una bilancia che comunica al robot, in base a un peso specifico, di non sovraccaricare ulteriormente il cartone. «Abbiamo scelto questa soluzione perché produciamo sacchetti di peso diverso. Disponiamo di nove programmi diversi», spiega Kretschmann. I cartoni vengono consegnati come pezzi stampati e vengono sistemati in una stazione dedicata. La successiva fase di riempimento e pesatura avviene in modo parallelo. I cartoni riempiti vengono uniti in una linea, stampati lungo e trasversale, etichettati e dotati di un foglietto illustrativo. La stampa trasversale viene verificata da una telecamera, che controlla anche l'etichettatura e il foglietto con un lettore di codici a barre. Dopo la chiusura, i cartoni vengono trasferiti alla pallettizzazione.

La sfida della tecnologia di presa

Oltre al riconoscimento dei sacchetti e alla determinazione del punto di presa ottimale tramite il software logistico, lo sviluppo di un sistema di presa adeguato si è rivelato una sfida. «Ci è voluto molto tempo di sviluppo prima di avere un sistema di presa che effettivamente afferrasse il sacchetto», afferma Kretschmann. Un dipendente ha dedicato in totale mezzo anno alla progettazione del vuotatore. «Abbiamo collaborato con diversi produttori di sistemi di presa, che hanno portato i sacchetti nelle loro aziende per test», ricorda Kretschmann. Un fornitore quasi riuscì a sviluppare un sistema di presa funzionante. «Inizialmente, abbiamo anche usato questo sistema in produzione. Col tempo, tuttavia, il sistema di presa è diventato sempre meno affidabile, e anche il comportamento di taglio si è deteriorato con l'aumentare della temperatura dei sacchetti. Alla fine, abbiamo dovuto fare affidamento sul nostro know-how.» Un'altra grande sfida è stata l'orientamento corretto dei vuotatori e il controllo dei sistemi di presa. «Nel nostro stabilimento abbiamo un'aria compressa di alta qualità. Normalmente usiamo pompe a vuoto, ma per la nostra applicazione con molti vuotatori, si crea una massa in movimento elevata sulla testa di presa. A causa dei brevi cicli, abbiamo un problema di forza di tenuta. Alla fine, abbiamo optato per una soluzione con ugelli Venturi», riassume Kretschmann. «Inizialmente, abbiamo anche fatto tentativi con sistemi di presa meccanici, che tuttavia danneggiavano i sacchetti. Secondo la legge sui medicinali, dobbiamo assicurarci che il sistema di presa non danneggi i sacchetti.» Anche la progettazione dei vuotatori si è rivelata complessa. Era necessario trovare un vuotatore che potesse afferrare questi sacchetti flessibili, e che la connessione tra vuotatore e sacchetto non si rompesse nemmeno con alte forze trasversali generate dall'accelerazione. La flessibilità del sacchetto aumenta con l'aumentare della temperatura. «Dopo la sterilizzazione, il sacchetto raggiunge temperature tra 50 e 70 °C, rendendo ancora più difficile il processo di presa», spiega Kretschmann. Per garantire un'operazione di presa affidabile, ogni vuotatore – e ci sono in totale quattordici vuotatori per ogni sistema di presa – è dotato di un proprio sistema di alimentazione a vuoto. Anche se alcuni vuotatori non riescono a stabilire una connessione, gli altri continuano a lavorare senza problemi.

Interfaccia di controllo semplice

Per l'operazione dell'impianto, sono presenti un pulsante di avvio e uno di arresto. In caso di errori durante l'avvio o durante il funzionamento, l'operatore può annullare l'errore premendo il pulsante di avvio. Se, ad esempio, un operatore ha spostato la posizione del robot durante la manutenzione, viene attivato il monitoraggio della posizione. Quando l'operatore avvia l'impianto, deve prima confermare l'errore premendo nuovamente il pulsante di avvio, affinché l'impianto possa partire senza problemi. Il 99% di tutti gli errori può essere così risolto. Se si verificano errori di priorità elevata che non possono essere risolti con questi pulsanti, può essere utile anche spegnere e riaccendere il sistema. Se anche così non si risolve, l'errore può essere generalmente individuato tramite la manutenzione remota del sistema. «È integrata nell'impianto una funzione di manutenzione remota, che funziona anche», afferma Kretschmann. «Questo non si può dire di ogni impianto.» Con la manutenzione remota, è possibile intervenire su tutti i componenti del sistema: PLC, ogni singolo robot, sistema di elaborazione immagini e interfacce utente. Per la manutenzione remota, è integrato nel quadro di controllo un router ISDN. Ogni componente è collegato tramite Ethernet al router ISDN e può essere gestito dall'ufficio del costruttore dell'impianto, che si collega al router. Frieß, in qualità di supervisore dell'impianto, può anche effettuare configurazioni, ad esempio modificando le posizioni di presa e di rilascio. Per farlo, utilizza il software di gestione dell'impianto Explorob, che rappresenta tutti i componenti dell'impianto in modo completo. Tutti i parametri dei quattro Adept-Scaras, come velocità, altezza di movimento e punti di goccia, possono essere impostati con questo software. È anche possibile visualizzare dettagli di errori e messaggi operativi. Il software non è specifico per un utente, ma può essere adattato a diversi tipi di robot e controllori tramite un'interfaccia utente.

Programmazione variabile

«Abbiamo testato robot di diversi produttori. Le caratteristiche dei dispositivi Adept – durata e velocità, tracciamento della linea e sistema di telecamere – ci hanno convinto alla fine», afferma Kretschmann. Un altro vantaggio delle macchine è che l'intera alimentazione di energia per il sistema di presa è integrata nel robot. Non ci sono più cavi o tubi sul braccio robotico. Il controllo Adept ha il grande vantaggio che i programmatori hanno tutte le possibilità. Non è memorizzato un codice fisso nel controllore, ma un software parametrizzabile in modo flessibile. Per esempio, nel tracciamento della linea, il robot può essere facilmente monitorato per verificare se si trova ancora nel finestrino di funzionamento. Il programmatore può facilmente scrivere un programma utilizzando moduli, che funziona su tutti e quattro i robot. Poiché esiste già un impianto di questo tipo presso Fresenius Kabi, non ci sono stati grandi problemi durante la fase di progettazione e installazione. La maggior parte delle sfide era di natura logistica, ovvero la distribuzione dei sacchetti tra i singoli robot. «Distribuire diverse migliaia di sacchetti all'ora era difficile da simulare in anticipo», afferma Frieß. «Sono stati necessari alcuni aggiustamenti prima di risolvere il problema.»

Una sfida importante era raggiungere una disponibilità superiore al 99,8%. «Il 95% si ottiene facilmente», afferma Frieß. «Raggiungere il 99,8% è però un grande passo, che richiede test accurati e molta esperienza.» «Il 99% di disponibilità è comunque un buon valore teorico», aggiunge Kretschmann. «Con diverse migliaia di sacchetti all'ora, ci sarebbero comunque alcuni che non vengono afferrati alla fine.» Kretschmann sul tema del rifiuto: «Se i robot non afferrano un sacchetto, gli operatori lo imballano manualmente. In questo caso, non si verifica scarto. Succede solo se un robot afferra il sacchetto ma non lo confeziona correttamente. In questo caso, il tasso di scarto è inferiore allo 0,1%». Per ammortizzare l'impianto, Kretschmann afferma: «Non sono necessari grandi calcoli, perché gestiamo il settore sterilizzazione e confezionamento con due operatori. Senza l'automazione, sarebbero necessari molti più operatori in un turno a tre turni.»