Montaż płucoserca w sterylnych pomieszczeniach przez roboty przemysłowe

adminBranża farmaceutyczna i medyczna

Przed chorobą niestety nie można uciec, ale współczesna medycyna oferuje wiele nowych rozwiązań terapeutycznych, nawet w przypadkach, które kiedyś uznawane były za nieuleczalne. Na przykład obecnie standardową praktyką jest stosowanie tak zwanego „płucoserca” podczas operacji na otwartym sercu.

Jednym z kluczowych elementów takiego urządzenia jest oksygenator, który odpowiada za wymianę gazową – usuwa dwutlenek węgla z krwi pacjenta i dodaje do niej tlen. Urządzenia tego typu muszą być instalowane w sterylnych pomieszczeniach, a ze względu na mnogość elementów do składania, ich montaż nie należy do najłatwiejszych. Zrobotyzowana produkcja daje wiele korzyści w zastosowaniach medycznych, podobnie jak w przemyśle, w pełni programowalne, precyzyjne roboty przemysłowe zapewniają wymaganą powtarzalną jakość produktów przy niskich nakładach finansowych.

Oksygenator QUADROX

Dzisiejsza zaawansowana medycyna uzależniona jest od wysokiej jakości technologii, takich jak szeroki zakres produktów i usług wytwarzanych oraz oferowanych przez Maquet Cardiopulmonary GmbH. Między innymi Dział ds. Układu Krążenia projektuje i produkuje części do krążenia pozaustrojowego krwi podczas operacji pomostowania tętnic wieńcowych, wymiany i naprawy zastawek serca oraz przeszczepu serca. Oksygenatory produkowane w zakładzie firmy w Hechingen są kluczowymi elementami tych systemów i muszą być zdolne do maksymalnej wymiany gazowej, nawet podczas przetwarzania niewielkich ilości krwi (patrz ramka). Są projektowane jako produkty jednorazowego użytku dla zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa i niezawodności, a to oznacza, że bardzo ważne jest zachowanie niskich kosztów ich produkcji. W związku z tym, we współpracy ze specjalistami w dziedzinie robotyki z Mitsubishi Electric, firma opracowała zrobotyzowany system produkcji swoich oksygenatorów. Podstawowe wymagania dotyczące tego systemu obejmowały elastyczne wdrażanie, łatwą zmianę programów sterowania dla bieżącej optymalizacji procesów produkcyjnych i ciągłe utrzymanie sterylnych warunków w pomieszczeniach.

Klucz do sukcesu: filozofia KISS

Podczas projektowania systemu produkcji wyspecjalizowanych i zaawansowanych technologicznie wyrobów, wymagającego wysokiego poziomu wiedzy technicznej, niemożliwe jest przewidzenie wszelkich ewentualnych trudności. Dlatego też, dla inżynierów MAQUET nadrzędne znaczenie miało znalezienie partnerów, którzy mogliby zapewnić elastyczne, ciągłe wsparcie przez cały czas tworzenia projektu. Ponadto musieli być gotowi do przeprowadzenia dodatkowych optymalizacji wszystkich elementów systemu po pierwszym rozruchu w celu osiągnięcia najlepszych możliwych efektów w procesie produkcyjnym. Projektant w Dziale ds. Układu Perfuzji MAQUET, wyjaśnia przyczyny tych wymagań: „Potrzebowaliśmy prostego programowania i jednolitych danych wejściowych, tak aby możliwe było stosowanie różnego typu robotów, takich jak SCARA i roboty z ramieniem przegubowym w połączeniu z elementami sterującymi pochodzącymi od jednego producenta”. Niezależnie od stopnia zaawansowania technologicznego filozofia KISS (ang. Keep It Simple, Stupid – Niech to będzie możliwe proste) została określona jako wymóg bezwzględny. W tym konkretnym przypadku oznaczało to konieczność zaprojektowania wszystkiego w taki sposób, aby programiści i mechanicy nie mieli problemów ze wzajemnym zrozumieniem swoich wymagań. Był to jedyny sposób, aby zapewnić, że zintegrowane elementy produkcyjne zostaną szybko wdrożone i będą niezawodnie działać przez długi czas. Jedną z korzyści płynących z tego podejścia był fakt, że uruchomienie całego systemu trwało zaledwie cztery tygodnie. Dodatkowo, znacznie ułatwiło to proces szkolenia klientów.

„Cieszymy się, że jesteśmy partnerem z zakresu robotyzacji i automatyzacji nie tylko w międzynarodowych koncernach ale i licznych polskich realizacjach z branży Life Science. Nasze międzynarodowe doświadczenie oraz liczne referencje pomagają nam zyskiwać zaufanie kolejnych firm produkujących sprzęt medyczny, które chcą rozpocząć swoją przygodę z robotami. Pytania o konsultacje i wdrażane projekty wynikają z obecnej sytuacji rynkowej w Polsce. Zapewnienie wysokiej jakości produkcji przy jednoczesnym uniezależnieniu się od zmian na rynku pracy sprawiło, że automatyzacja i robotyzacja jest koniecznością. Doskonale rozumieją to nasi klienci, którzy chcą pozostać liderami swoich dziedzin i wzmocnić swoją konkurencyjność. Sytuacja ta nie jest tylko potrzebą chwili, ponieważ jak wynika z raportu międzynarodowej firmy doradczej Frost&Sullivan wartość polskiego rynku robotyki i automatyki dla branży Life Science wyniesie w 2017 8,8 mln Euro i będzie rosnąć średnio 4% w latach kolejnych.– wyjaśnia Roman Janik koordynator rozwiązań dla branży Life Science w Mitsubishi Electric”

Inżynierowie w Hechingen zrealizowali projekt we współpracy z Mitsubishi Electric, która dostarczyła systemy robotyki, Adiro Training and Services odpowiedzialną za programowanie robotów, oraz Schnier oferującą systemy kontroli. Firma Mitsubishi była największym dostawcą systemów, dostarczając wszelkie wymagane elementy sprzętowe i gwarantując części zamienne w ciągu 24 godzin. Wolfram Zielke, Manager ds. Kluczowych Klientów w zakresie automatyzacji przemysłowej systemów robotycznych w firmie Mitsubishi, tłumaczy: „Jedną z największych zalet naszych robotów z ramieniem przegubowym w odniesieniu do tego zastosowania jest ich wymagany poziom gotowości do pracy w sterylnych pomieszczeniach, tuż po wyjęciu z opakowania. Nasze oprogramowania tworzone są z myślą o przyszłości, dzięki czemu dostępność wszystkich stosowanych elementów i powiązanego know-how jest gwarantowana w nadchodzących latach. Użytkownicy mogą spokojnie planować długoterminowe wdrażanie i rozbudowę systemów”.

System wizyjny przez instalacją sprawdza kolejną część

Zdolności adaptacyjne programistów również w znacznym stopniu przyczyniły się do sukcesu tego projektu. Potrzebne było szybkie wprowadzanie zmian i dostosowań, które miały kluczowe znaczenie w trakcie procesu uruchamiania. Andreas Gröbe, Dyrektor Zakładu Oksygenatorów MAQUET, komentuje: „Wszystko zostało wykonane w sposób idealny, w tym komunikacja pomiędzy urządzeniami i sterownikami robotów oraz systemami kontroli użytkownika w panelach dotykowych. Komunikacja odbywa się bezproblemowo – producenci sterowników i programiści robotów naprawdę potrafią skutecznie współpracować. Wszelkie wątpliwości powstałe na etapie konfiguracji zostały natychmiastowo rozwiane”.

Działający zakład

Zakład produkcyjny został założony w pomieszczeniu sterylnym zgodnym z klasą 7-8 ISO o powierzchni 1500 m², które spełnia wszystkie wymogi obowiązującego prawa w zakresie wyrobów medycznych. W pierwszym etapie montażu oksygenatorów, roboty SCARA wprowadzają membrany wymiany gazowej oksygenatorów QUADROX do powłoki podstawowej, która jest przenoszona do odpowiedniego położenia. Membrany te są niezwykle delikatne i wymagają precyzyjnej obsługi, na przykład mogą być przenoszone jedynie poprzez pociąganie. Następnie wszystkie elementy są optycznie sprawdzane w głównej komórce montażowej w celu zapewnienia, że nie występują żadne przedwczesne zwolnienia (Zdj. 2). Chwytaki przymocowane do ramion robota wykorzystywanego w procesie produkcyjnym zostały specjalnie zaprojektowane przez inżynierów z Hechingen, a potem dodatkowo zoptymalizowane po pierwszych testach w celu możliwie najszybszego i najbardziej wydajnego przeprowadzania wszystkich operacji. Roboty RH-6SH firmy Mitsubishi Electric okazały się idealnym rozwiązaniem, perfekcyjnie spełniając wszystkie wymagania w zakresie dokładności i szybkości (Zdj. 3). W rzeczywistości, wykorzystanie pełnego potencjału robotów nie było możliwe w przypadku tego zastosowania, ponieważ duża bezwładność ramion robotów wyposażonych w złożone chwytaki (Zdj. 4) uniemożliwiła osiągnięcie wymaganej dokładności pozycjonowania mat membranowych przy szybszych cyklach pracy, ze względu na powstające drgania, pomimo tego, że roboty są w stanie wykonać tę pracę. Wytrzymałe roboty są wyposażone w sztywne przekładnie i bezobsługowe serwosilniki, co sprawia, że idealne sprawdzają się w zadaniach, gdzie wymagany jest szybki cykl pracy (do ponad 11.000 mm/s) i bardzo precyzyjne pozycjonowanie (+/- 0,02 mm). Sprawna hermetyzacja wszystkich elementów ułatwia utrzymanie sterylnych warunków w pomieszczeniu. Obecnie, w zakładzie produkcyjnym przy montażu oksygenatorów działa osiem robotów SCARA. Roboty pracują na trzy zmiany przy zachowaniu wskaźnika dostępności wynoszącego 100%.

Delikatna obsługa: chwytak montuje stos cienkich membran, które sprawiają, że oksygenator ma bardzo dużą powierzchnię wewnętrzną

Po wprowadzeniu membran do zespołu oksygenatora, montaż jest kontynuowany w dwóch komórkach produkcyjnych, z których każda wyposażona jest w dwa roboty z ramieniem przegubowym. Roboty podnoszą indywidualne elementy z palet dostawczych i umieszczają je w zespole spawalniczym. Krawędzie elementów korpusu z poliwęglanu są ogrzewane do momentu aż zmiękną, później zostają razem sprasowywane, a następnie schładzane pod ciśnieniem w celu uzyskania stabilnego i całkowicie szczelnego zamknięcia. W kolejnym etapie robot z ramieniem przegubowym podnosi kompletne oksygenatory z chwytaków i umieszcza je na paletach transportowych.. W tym cyklu stosowane roboty osiągają wskaźnik dostępności wynoszący 100%. Spośród wszystkich 12 ramion robotów w zakładzie, tylko jeden pasek zębaty wymagał wymiany podczas rocznej kontroli serwisowej.
Wszystkie roboty sterowane są za pomocą identycznych sterowników wielozadaniowych. Możliwość podłączenia dowolnego systemu przetwarzania obrazu, sterowanie maksymalnie ośmioma dodatkowymi osiami, łączność Ethernet o dużej szybkości i bezczujnikowe wykrywanie awarii umożliwiają tworzenie połączeń szeregowych elementów w systemie automatyki zgodnie z wymogami specyfikacji, bez konieczności pomijania przydatnych funkcji, takich jak optymalizacja cyklu.
Zgodnie z zaprezentowanym zastosowaniem, nawet najbardziej niestandardowy proces produkcyjny wymagający zaawansowanych specyfikacji dla wszystkich elementów i procesów jest teraz możliwy do wykonania w sposób szybki i efektywny za pośrednictwem nowoczesnych zrobotyzowanych systemów. Jednak niezbędna do tego celu jest współpraca z kompetentnym dostawcą, oferującym szeroki asortyment produktów i posiadającym wieloletnie doświadczenie. Jest to gwarancją długoterminowej dostawy podzespołów i części zamiennych, umożliwiającą korzystanie z nabytej wiedzy podczas rozbudowy systemu i instalowania nowych urządzeń.


O autorze

admin

Administrator on-line'owego magazynu Mitsubishi Electric News.