Robotgestützt Verpacken flexibler Infusionsbeutel

Geen eenvoudige handling

Infusiebeutels zijn een lichtgewicht en stabiel alternatief voor infuusoplossingen in glazen flessen. De flexibiliteit van dergelijke beutels vereist echter bij het verpakken een aanzienlijke proceskennis – vooral bij hoge doorvoersnelheden. Fresenius Kabi heeft voor deze problematiek een speciaal aangepaste verpakkingsinstallatie in gebruik. Het inzetten van robots en beeldverwerking zorgt daarbij voor de hoogste productiviteit. De Fresenius Kabi Deutschland GmbH, Friedberg, is een dochteronderneming van de Fresenius-Kabi-groep. Op de locatie Friedberg produceert het bedrijf infuusoplossingen in verschillende verpakkingsmiddelen, bijvoorbeeld in glazen flessen of beutels. Een grote kans ziet het bedrijf in zijn Freeflex-beutel voor infuusoplossingen, die vrij is van PVC en flexibel te hanteren is. Een onlangs volautomatisch werkende lijn moet in de toekomst meerdere duizenden eenheden van deze beutels per uur produceren. De installatie bestaat uit lege beutelproductie, vullen, sterilisatie en verpakking. Het proces begint met het lassen van een dubbelwandige folie tot een beutel. Vervolgens volgen stations voor het vullen, gassen en aansluiten van de beutel. De connectoren dienen voor het afnemen van de infuusoplossing respectievelijk het toevoegen van medicijnen aan de beutel. Daarna worden de beutels in een omverpakkingsstation in een extra folie-laag gelast.

Hierna komen ze via een bandensysteem in het sterilisatiegebied. Na het verwijderen uit een autoclaaf gaat het via een bandensysteem weer naar de verpakking. Voor de herkenning van de beutels is aan het begin van de verpakking een lijncamera boven de band gemonteerd. Eén enkele camera herkent alle beutels en verdeelt ze met behulp van logistieke software naar de robots – Adept-Scaras van het type Cobra s800. „Het herkennen van de transparante beutel was een uitdaging“, zegt Dipl.-Ing. Michael Frieß, hoofdprojectingenieur bij de installateur van de installatie, Erhardt + Abt Automatisierungstechnik GmbH, Kuchen, die ook verantwoordelijk was voor de installatie van de robottechniek en de software. „We hebben de taak opgelost door de connectoren aan de beutels te detecteren.“ Omdat één van de connectoren wit is, waren er aanvankelijk problemen met de herkenning. Een ander probleem was dat de beutels niet precies in de juiste positie op de band lagen. Het systeem moet de beutels dus niet alleen herkennen, maar ook voor de robots de ideale grijppunt bepalen.

Snel reagerende robots – korte signaaltijden

De Adept-Scaras plaatsen telkens een bepaald aantal beutels in een doos. Daarbij krijgen ze niet al vóór de grijpfase alle beutels toegewezen, maar stelt elke robot op het moment dat hij vrij is een verzoek voor een nieuwe grijpopdracht aan het beeldverwerkingssysteem, dat vervolgens de positiedata naar de robot stuurt. Deze aanpak vereist korte signaaltijden. De gehele installatie is via Profibus en Ethernet verbonden, een Siemens S-7 PLC vormt de master.

Als een robot uitvalt, worden de binnenkomende beutels verdeeld over de resterende drie, en de vierde robot kan worden onderhouden. De robots zijn hiervoor uitgerust met gescheiden beveiligingscircuits. „Als we met slechts drie robots werken, grijpen de resterende apparaten nog steeds tussen 95 en 97 procent van de beutels. De rest wordt handmatig verpakt“, zegt Dipl.-Ing. Axel Kretschmann, verantwoordelijk voor de verpakking in de totale installatie.

Bij het uitschakelen van één robot worden de andere drie Scaras echter tot aan de belastinggrens belast. Het heeft ook wel eens voorgekomen dat een robot uitvalt vanwege overbelasting voordat de fijne afstelling goed was. Elke doos staat op een weegschaal die de robot bij een bepaald gewicht aangeeft dat hij de doos niet verder mag belasten. „We hebben voor deze oplossing gekozen omdat we verschillende gewichtsklassen beutels produceren. We beschikken over negen verschillende programma’s“, vertelt Kretschmann. De dozen worden als stansdelen aangeleverd en in een speciale station rechtgezet. Het daaropvolgende vullen en wegen verloopt via een dubbele lijn. De gevulde dozen worden op een band geleid, bedrukt langs de lange en korte zijde, voorzien van een etiket aan de korte zijde en van een bijsluiter voorzien. De korte zijde wordt gecontroleerd door een camera die de etikettering en de bijsluiter barcode leest. Na het sluiten worden de dozen naar de palletisering gebracht.

Uitdaging grijpertechniek

Naast de herkenning van de beutels en het bepalen van het ideale grijppunt door de logistieke software, vormde de ontwikkeling van een geschikt grijpsysteem een uitdaging. „Het kostte veel ontwikkeltijd voordat we een grijpsysteem hadden dat de beutel echt oppakte“, zegt Kretschmann. Een medewerker werkte in totaal een half jaar alleen aan de constructie van de zuiger. „We hadden enkele fabrikanten van grijpsystemen bij ons in huis die de beutels voor tests meenamen“, herinnert Kretschmann zich. Een leverancier was bijna in staat om een werkende grijper te ontwikkelen. „We hebben deze aanvankelijk zelfs in de productie gebruikt. Maar na verloop van tijd werd de grijper steeds minder betrouwbaar, en ook het afschuifgedrag verslechterde bij toenemende temperatuur van de beutels. Uiteindelijk moesten we terugvallen op onze eigen knowhow.“ Een grote uitdaging was ook het juiste plaatsen van de zuigers en de aansturing van de grijpers. „We beschikken hier in de fabriek over hoogwaardige perslucht. Normaal werken we daarom met vacuümpompen. Bij onze toepassing met heel veel zuigers ontstaat echter een grote bewegende massa aan de grijpkop. Door de korte cyclustijden hebben we natuurlijk een probleem met de houdkracht. We hebben uiteindelijk gekozen voor een oplossing met Venturi-nozzles“, vat Kretschmann samen. „Aanvankelijk hebben we ook geprobeerd met mechanische grijpsystemen, maar die veroorzaakten schade aan de beutel. Volgens de geneesmiddelenwet moeten we er echter voor zorgen dat de grijper de beutel niet beschadigt.“ Ook de constructie van de zuigers bleek niet eenvoudig. Het was nodig een zuiger te vinden die deze flexibele beutels überhaupt kon grijpen, en wel zodanig dat de verbinding tussen zuiger en beutel ook bij hoge dwarskrachten, die bij acceleratie optreden, niet losraakt. Daarbij kwam nog dat de flexibiliteit van de beutel toeneemt naarmate de temperatuur stijgt. „Na sterilisatie heeft de beutel een temperatuur van 50 tot 70 °C, wat het grijpproces nog bemoeilijkt“, aldus Kretschmann. Voor een procesveilige grijping is elke zuiger – en er zijn in totaal veertien zuigers per grijper – uitgerust met een eigen vacuümvoorziening. Zelfs als bij meerdere zuigers geen verbinding tot stand komt, werken de andere zonder problemen door.

Eenvoudig bedieningsconcept

Voor het bedienen van de installatie is er een start- en een stopknop. Als er fouten optreden bij het starten of tijdens de werking, kan de operator deze met de startknop wegdrukken. Bijvoorbeeld, als een operator onderhoudswerkzaamheden aan de robot heeft gedaan en deze in een andere positie heeft gezet, wordt dat door de positiebewaking opgemerkt. Wanneer de operator de installatie start, moet hij eerst de fout wegdrukken door opnieuw op de startknop te drukken, waarna de installatie zonder fouten opstart. 99 procent van alle fouten kan zo worden verholpen. Als er fouten optreden die qua prioriteit zo hoog zijn dat ze niet met deze knoppen kunnen worden weggenomen, kan het uitschakelen en weer inschakelen van het systeem verder helpen. Als de operator hier ook niet uitkomt, kan de fout meestal via de remote maintenance van het systeem worden gelokaliseerd. „In de installatie is een remote maintenance ingebouwd die ook werkt“, zegt Kretschmann. „Dat kan lang niet van elke installatie worden gezegd.“ Met de remote maintenance is het mogelijk om alle deelnemers van het systeem te onderhouden: de PLC, elke individuele robot, het beeldverwerkingssysteem en de bedieningsinterfaces. Voor de remote maintenance is een ISDN-router in de schakelkast geïntegreerd. Elke deelnemer heeft een Ethernet-verbinding met de ISDN-router en kan zo vanaf het kantoor van de installatiebouwer worden onderhouden, die zich op de router inlogt. Frieß kan als beheerder van de installatie ook parametreringen uitvoeren, bijvoorbeeld grijpposities en legposities aanpassen. Hiervoor gebruikt hij de installatie-software Explorob, die alle onderdelen van de installatie volledig weergeeft. Alle parameters van de vier Adept-Scaras, zoals snelheden, verfahrhoogten en getekende punten, kunnen met deze software worden ingesteld. Ook kunnen foutmeldingen en operationele meldingen in detail worden bekeken. De software is niet gebruiksspecifiek ontworpen, maar kan via een gebruikersinterface op verschillende robot- en besturingssystemen worden aangepast.

Variabel programmeren

„We hadden robots van verschillende fabrikanten in de testfase. De eigenschappen van de Adept-apparaten – duurzaamheid en snelheid, bandvolging en het camerasysteem – hebben ons uiteindelijk overtuigd“, zegt Kretschmann. Een ander voordeel van de machines is dat de volledige energievoorziening voor de grijper in de robot is geïntegreerd. Er bevinden zich geen kabels of slangen meer aan de robotarm. De Adept-besturing heeft het grote voordeel dat programmeurs hier alle mogelijkheden hebben. Er is geen vaste code in de besturing opgeslagen, maar een flexibel parametriseerbare software. Dit betekent bijvoorbeeld voor de bandvolging dat de robot eenvoudig kan worden gecontroleerd of hij nog binnen het werkvenster blijft. De programmeur kon hier met behulp van modules zonder problemen een programma schrijven dat op alle vier de robots draait. Omdat er al een dergelijke installatie bij Fresenius Kabi bestaat, waren er tijdens de conceptie en installatie geen grote problemen. De grootste uitdaging was vooral logistiek van aard, namelijk de verdeling van de beutels over de verschillende robots. „Het verdelen van meerdere duizenden beutels per uur was vooraf moeilijk te simuleren“, zegt Frieß. „Er waren enkele afstemmingswerkzaamheden nodig voordat we het probleem onder controle hadden.“

Een uitdaging was het bereiken van een hoge beschikbaarheid van meer dan 99,8 procent. „95 procent haal je snel“, zegt Frieß. „Om van 95 procent naar 99,8 procent te komen, is echter een grote stap die alleen met uitgebreide tests en veel ervaring mogelijk is.“ „99 procent beschikbaarheid is theoretisch nog steeds een goede waarde“, voegt Kretschmann toe. „Bij meerdere duizenden beutels per uur zouden er in onze toepassing toch nog enkele zijn die uiteindelijk niet worden opgepakt.“ Kretschmann over de afvalpercentages: „Als de robots een beutel niet grijpen, verpakken de operators deze met de hand. Afval wordt in dat geval niet gerekend.“ Dit gebeurt alleen als een robot de beutel grijpt en niet op de juiste manier verpakt. Hier ligt de afvalrate onder de 0,1 procent.“ Voor de amortisatie van de installatie zijn geen grote berekeningen nodig, weet Kretschmann: „We draaien het sterilisatie- en verpakkingsgedeelte met twee medewerkers. Zonder automatisering zou bij drieploegendienst een aanzienlijk hoger aantal medewerkers nodig zijn.“