Der Bedarf an automatisierten Prozessen in Laboren steigt. Doch die Anforderungen an roboterunterstützte Anwendungen sind gerade in diesem Bereich hoch. Ein Prototyp, der das Fraunhofer IPA mit der Firma Skan entwickelt hat, zeigt: Die Umsetzung solcher Projekte ergibt sowohl technisch als auch wirtschaftlich Sinn.
Roboter sind für die Handhabung von Objekten prädestiniert, wie viele Anwendungsfälle seit Jahren zeigen – so zum Beispiel jene in der Autoindustrie, welche die Karosserien durch die Fertigungsstrassen hieven. Mittlerweile ist auch in der Life-Science- und Pharmaindustrie die Automatisierung mittels Robotik ein Trend.
So gibt es im Laborumfeld zahlreiche nicht-ergonomische und repetitive Aufgaben, die für Fachkräfte sehr monoton sind. Hinzu kommt, dass es für Laborbetreiber oft schwierig ist, qualifiziertes Laborpersonal zu finden. Robotik kann dazu beitragen, die verfügbaren Fachkräfte zu entlasten, sodass sie ihre Kapazitäten für wichtigere Tätigkeiten nutzen können. Zudem sind im Labor effizientes, wiederholbares und prozesssicheres Arbeiten sowie eine lückenlose und fehlerfreie Dokumentation gefragt, wofür sich die Robotik ebenfalls bestens eignet. Ist die Robotiklösung schliesslich noch modular gestaltet, kann sie den flexiblen Ansprüchen in diesem komplexen Umfeld gerecht werden.
Qualitätskontrolle in der Arzneimittelproduktion
Eine interessante Entwicklung für das automatisierte Handhaben von Sterilitätstests als Teil der Qualitätskontrolle in der Arzneimittelproduktion ist im Rahmen zweier Projekte des Fraunhofer IPA mit dem Unternehmen Skan entstanden. Während es in der ersten Zusammenarbeit darum ging, die grundsätzliche Machbarkeit zu prüfen, ist im nächsten Schritt eine prototypische Handhabungslösung entstanden – die bereits zum Patent (DE 10 2022 206 681 A1) angemeldet wurde. Hierbei greifen zwei Industrieroboter, deren Bewegungen semi-synchronisiert aufeinander abgestimmt sind, Sterilitätstests aus der Verpackung, erkennen und greifen einen Schlauch und legen diesen anschliessend in eine Peristaltikpumpe ein. Die Roboterzelle entspricht den Abmessungen eines typischen Sterilisators bei Skan.
Die Herausforderung: Die Schläuche sind biegeschlaff und somit nicht leicht zu handhaben. Zudem besteht die Gefahr, dass sie sich verknoten könnten. In einer Machbarkeitsstudie konnte die Entwicklergruppe jedoch zeigen, dass der Prototyp robust und prozesssicher agiert.
Generell müssen roboterbasierte Anwendungen für Labore an die Anforderungen der Einsatzumgebung angepasst werden. Die genannten biegeschlaffen Teile wie Schläuche oder auch Beutel und ähnliches sind typische Objekte, mit denen ein Roboter dank entsprechender Trajektorienplanung, Greiftechnik und (Kraft-)Sensorik umgehen können muss. Darüber hinaus sind die Vorgaben hinsichtlich Sterilität oder Reinigungsprozessen in der Produktionsumgebung, wie sie beispielsweise die «Good Manufacturing Practice» vorgibt, streng. Und nicht zuletzt ist das Labor- und Pharmaumfeld allgemein sehr stark reguliert, sodass die eingesetzten Prozesse und Systeme hochzuverlässig agieren müssen.
Weiterentwicklung zum Serienprodukt
Für die Zusammenarbeit mit Skan arbeiteten am Fraunhofer IPA Fachleute aus den spezialisierten Abteilungen Roboter- und Assistenzsysteme, Laborautomatisierung sowie Bioproduktionstechnik interdisziplinär zusammen, sodass sie das jeweils passende Branchenwissen in die Anwendungsentwicklung einbringen konnten.
In die Entwicklung der Anwendung sind umfangreiches Wissen über anspruchsvolle Montage-, Demontage und Handhabungslösungen sowie aus rund 50 Jahren Erfahrung mit Machbarkeitsuntersuchungen rund um Automatisierung eingeflossen. Dieses reicht vom Werkzeug- und Vorrichtungsbau über den Aufbau und die Evaluation der Roboterapplikation bis hin zur Überführung in die Kleinserie.
Aktuell plant Skan, den Prototyp mithilfe eines Systemintegrators oder Anlagenbauers zum Serienprodukt weiterzuentwickeln – mit Unterstützung des Fraunhofer IPA.
