Mover sospesi aumentano il throughput e risparmiano spazio sulla macchina in ambiente sterile

La macchina di assemblaggio dei dispositivi di diagnosi altamente flessibile può riempire tre diversi tipi di dispositivi, ciascuno trasportato da un movimentatore XPlanar, con una selezione di 50 reagenti a seconda della formulazione, e successivamente ispezionarli.

Automation NTH utilizza una vasta gamma di terminali EtherCAT e TwinSAFE sulla macchina di montaggio e sull'unità di alimentazione della bobina per la sigillatura dei dispositivi di diagnosi.

Un potente server industriale Beckhoff C6670 con tecnologia Intel® Xeon® si occupa del controllo impegnativo del sistema di trasporto XPlanar e dei dispositivi di terze parti nell'impianto. / Un server industriale Beckhoff C6670 con tecnologia Intel® Xeon® offre una potenza di calcolo ampia per il controllo esigente del sistema di trasporto XPlanar e dispositivi di terze parti.

Alla Automation NTH a LaVergne, Tennessee (da sinistra a destra): Responsabile vendite Peter Sarvey e ingegnere capo del controllo Joseph Cocchini (entrambi Automation NTH), ingegnere commerciale Richard Smith (Beckhoff USA), co-presidente Jeff Buck e Greg Young (Automation NTH), ingegnere applicativo Adam Hoffman (Beckhoff USA) e responsabile assistenza clienti strategica Molly Blazek (Automation NTH) / Alla sede di Automation NTH a LaVergne, Tennessee (da sinistra a destra): Responsabile vendite Peter Sarvey e ingegnere senior del controllo Joseph Cocchini (entrambi Automation NTH), ingegnere vendite regionale Richard Smith (Beckhoff USA), co-presidenti Jeff Buck e Greg Young (Automation NTH), ingegnere applicativo Adam Hoffman (Beckhoff USA) e direttrice dei clienti strategici Molly Blazek (Automation NTH)

Un configuratore grafico di XPlanar semplifica la creazione del layout delle apparecchiature con moduli motore, l'aggiunta di mover, la definizione di percorsi e stazioni, e la simulazione dei movimenti.

La riduzione dello spazio necessario per una macchina di assemblaggio di dispositivi diagnostici medici è stata di un fattore 10 grazie agli specialisti di Automation NTH. Inoltre, la produttività è aumentata da 5 minuti a soli 5 secondi per dispositivo. Il sistema di trasporto intelligente XPlanar di Beckhoff ha fornito la base per il concetto di impianto innovativo. Con mover sospesi, consente un trasporto del prodotto completamente libero e una manipolazione con fino a sei gradi di libertà.

Fondata nel 1999 con sede principale a LaVergne, Tennessee, Automation NTH si è evoluta da system integrator a fornitore di soluzioni specializzate nel settore delle scienze biologiche. "Per la maggior parte dei nostri progetti di automazione personalizzata, in particolare nell'assemblaggio di dispositivi medici, un focus è sulla software", afferma Peter Sarvey, responsabile vendite di Automation NTH. Per questo motivo, il specialista di scienze della vita preferisce ricorrere a tecnologie innovative per automatizzare applicazioni spesso altamente complesse e ricche di dati.

Un esempio attuale è la macchina di assemblaggio innovativa per dispositivi diagnostici basata sul sistema di trasporto flessibile XPlanar di Beckhoff. I mover sospesi tramite moduli motore attivi elettricamente e i mover passivi elettricamente offrono sei gradi di libertà nel controllo del movimento con alta precisione e ripetibilità. Ciò ha permesso, secondo Automation NTH, una tracciabilità eccellente, un'area di installazione compatta in ambienti sterili costosi e la massima integrità del prodotto durante il dosaggio di reagenti sensibili.

"Abbiamo scelto XPlanar perché il sistema è abbastanza flessibile da trasportare numerosi prodotti con alta variabilità e considerare tutte le possibili future modifiche", spiega il project manager Rich Snodgrass di Automation NTH.

Da assemblaggio manuale a automatizzato

Per definire i requisiti per l'automazione del processo di assemblaggio fino a quel momento manuale, nel 2023 si sono incontrati rappresentanti di una startup con Molly Blazek, responsabile del supporto clienti strategico, e Peter Sarvey, responsabile vendite, di Automation NTH. Si cercava un sistema per il riempimento automatico di circa 50 diverse sostanze attive in differenti punti di riempimento di tre diversi tipi di dispositivi.

"Portare i dosatori al prodotto — con nastri trasportatori, robot o altre tecnologie di manipolazione — avrebbe comportato costi e spazio enormi", afferma Peter Sarvey. "Ci siamo resi conto che sarebbe stato meglio muovere il prodotto e non i dosatori."

Inoltre, l'impianto doveva operare in un ambiente sterile, dove l'area di installazione è costosa a causa del controllo di temperatura e umidità richiesto. Perciò, il sistema doveva essere il più compatto possibile e allo stesso tempo offrire margini per future modifiche. Tavolette rotanti tradizionali e sistemi di trasporto lineari non soddisfacevano nessuno di questi criteri, riferisce Molly Blazek.

Joseph Cocchini, ingegnere capo di controllo presso Automation NTH, ha iniziato a valutare le opzioni. Dopo aver testato un sistema concorrente, Joseph Cocchini ha esaminato le specifiche con Todd Thollot, responsabile del gruppo applicazioni avanzate di Beckhoff USA. "Avevo una lista di obiettivi ambiziosi. Dovevamo poter controllare dinamicamente i mover XPlanar, fissare il prodotto sui mover con un gancio a molla e rilasciarlo, parcheggiare i mover sulle piastre motore per lo scarico e garantire che l'altezza, l'inclinazione, la rotazione di 360° e altre funzioni rispettassero le specifiche", afferma Joseph Cocchini.

"Todd aveva programmato diversi scenari che soddisfacevano immediatamente la maggior parte dei requisiti. Inoltre, l'altezza di sospensione con XPlanar era migliore rispetto al sistema testato in precedenza, consentendo ai mover di inclinarsi maggiormente", aggiunge. "In generale, l'implementazione di Todd era molto più pulita, perché il sistema Beckhoff permette l'accesso a ogni aspetto del movimento di ogni singolo mover, fino alle coordinate ABC e XYZ. Questa configurabilità quasi illimitata è il motivo per cui abbiamo scelto XPlanar."

Adattabilità grazie al movimento volante

Nella macchina di assemblaggio finita, gli operatori portano manualmente i dispositivi diagnostici attraverso un cassetto. Poi, un robot posiziona il prodotto su uno dei 18 mover XPlanar, dove viene fissato con uno strumento personalizzato. Successivamente, il prodotto viene sottoposto a un'ispezione visiva a rotazione di 360°.

I mover trasportano i dispositivi diagnostici davanti a diverse stazioni di dosaggio distribuite sulla superficie di lavoro formata da 18 piastrelle XPlanar. I mover sospesi si fermano solo alle stazioni di dosaggio definite nella ricetta del rispettivo dispositivo e effettuano una seconda ispezione visiva a metà percorso. Durante il riempimento, il mover XPlanar ruota il dispositivo in modo che il reagente venga posizionato correttamente secondo la ricetta.

Al termine dell'ispezione visiva, il dispositivo viene posizionato davanti a un alimentatore a nastro rotante, che applica un cappuccio di plastica autoadesivo con una ripetibilità di +/-30 µm. Successivamente, il mover consegna il prodotto a una stazione operatore. Inserisce il gancio di rilascio in una scanalatura, inclina in avanti per rilasciare il prodotto e parcheggia con l'alimentazione spenta, senza sospensione, sulla piastra motore sottostante. Un operatore può quindi raggiungere in sicurezza il dispositivo attraverso il cancello di luce per rimuoverlo.

Potente in hardware e software

TwinCAT offre una piattaforma di ingegneria e runtime integrata per l'automazione. Integrato in Microsoft Visual Studio, TwinCAT consente la programmazione nei linguaggi più adatti all'applicazione. Inoltre, il software con un configuratore grafico per XPlanar semplifica la pianificazione di layout di impianto con moduli motore a piastre, l'aggiunta di mover tramite drag-and-drop, la definizione di percorsi e stazioni, e la simulazione di profili di movimento.

Sul lato hardware, un quadro di controllo con server industriale C6670 di Beckhoff supporta il controllo di XPlanar e dispositivi di terze parti. Il PC industriale con 40 core ha grandi capacità di prestazioni, con alcuni core riservati a funzioni future. Ciò che impressiona Joseph Cocchini è anche il mini PC industriale ultra compatto C6017, che controlla il sistema di alimentazione a quattro assi.

"Il C6017 ha 8 GB di RAM DDR4, un disco rigido da 320 GB, quattro porte Ethernet e quattro USB", spiega Joseph Cocchini. "Con questo, il piccolo computer Windows 10 gestisce il nostro HMI grande quanto uno smartphone con JavaScript personalizzato, un web server Python e un database MongoDB per OEE, ricette, configurazioni e altro. Non avevo mai visto nulla di simile nella mia carriera."

La comunicazione in tempo reale rapida e la sincronizzazione precisa tramite EtherCAT sono alla base del controllo accurato dell'impianto XPlanar. La comunicazione con le varie telecamere, i dosatori e altri dispositivi tramite EtherNet/IP avviene semplicemente aggiungendo il bus coupler appropriato. I dati di sicurezza vengono trasmessi tramite Safety over EtherCAT (FSoE) alle morsettiere TwinSAFE installate nel segmento I/O standard per l'analisi con la logica di sicurezza necessaria. In questo modo, il sistema passa in modalità sicura anche senza cablaggio fisso, ad esempio in caso di emergenza o attivazione di un cancello di luce. Oltre a numerosi morsetti EtherCAT per segnali standard, Automation NTH utilizza anche moduli I/O di Beckhoff per protezione da sovracorrente e altre funzioni.

Nuovo concetto di assemblaggio per dispositivi medici

Il sistema di assemblaggio di dispositivi diagnostici completato ha permesso di automatizzare il processo di produzione inefficiente del cliente finale. Rispetto agli approcci tradizionali, l'impianto riduce il consumo di spazio in ambienti sterili di costosi costi di circa 10 volte. Inoltre, secondo Automation NTH, XPlanar riduce il consumo energetico rispetto alle soluzioni dei concorrenti, diminuendo il carico termico e il fabbisogno di raffreddamento.

"Le sostanze reagenti utilizzate sono molto sensibili all'umidità, alla temperatura e ai movimenti, quindi il movimento senza contatto di XPlanar e l'opzione di raffreddamento offerta da Beckhoff contribuiscono alla compatibilità con il prodotto del cliente", afferma Molly Blazek.