HEKUMA, Hersteller von Hochleistungsautomation für Spritzgießprozesse, in Eching bei München, hat sich neben den Bereichen Automotive und Konsumgüter vor allem auf den Bereich der Medizintechnik spezialisiert. Nach dem erfolgreichen Einstieg in die Hochleistungsautomation für Pipettenspitzen zeigte sich schnell, dass vor allem die Vereinzelung der Filter – also der isolierten Bereitstellung der einzelnen Filter für die Montage – die Geschwindigkeit des Gesamtsystems bremste und der Markt nach einer schnelleren, zuverlässigeren und effizienteren Lösung verlangte. Eine Recherche zu bestehenden Systemen legte dabei den Schluss nahe, dass vor allem zwei Gründe dafür verantwortlich waren, warum Vereinzelung und Montage von Filtern relativ viel Zeit in Anspruch nahmen.

Zum ersten gingen die gebräuchlichen Verfahren zur Filtervereinzelung mit einem hohen prozesstechnischen Aufwand einher. Als Bestandteil des Gesamtmontageprozesses nahmen sie entsprechend viel Zeit in Anspruch, was die Kosten gleich doppelt in die Höhe schraubte (höhere Anschaffungskosten und geringere Geschwindigkeit in der Umsetzung).

Zum zweiten wird der Vereinzelungsprozess derzeit von konventionellen Sortiertopfsystemen dominiert. Diese Lösungen fördern den Filter durch Schikanen und zusätzlichen Röhren bzw. Schläuche um den Filter in eine korrekte Position zu bringen. Dadurch wird jedoch die Anpassung des Systems an verschiedene Filtergrößen erschwert. Produktwechsel nehmen mehr Zeit in Anspruch, der Austausch von mehreren Komponenten vergrößert zudem den Personalaufwand.

Die Anforderungen, die sich, inklusive der bestehenden Probleme, aus der Analyse des Ist-Zustands ergaben, bestimmten die Voraussetzungen. Ausgangspunkt und „Motor“ der bevorstehenden Entwicklungsarbeit war jedoch die eigene Zielsetzung. Nicht länger als 2,5 Sekunden, sollte der gesamte Vereinzelungs- und Montageprozess dauern, bei einer parallel durchgeführten Montage von bis zu 48 Filtern. Gleichzeitig sollte das noch zu entwickelnde System die Umrüstung auf verschiedene Filtergrößen schneller und unkomplizierter bewältigen und damit die Verfügbarkeit der Anlage weiter erhöhen.

Den Takt bei der Entwicklung gab das HEKUMA-Entwicklungsteam vor. Die Konkretisierung der Aufgaben, die sich im Einzelnen daraus ergaben, wie auch die Umsetzung der technischen Lösungen waren Bestandteil einer Bachelor`s Thesis. Erste Versuche, die Filtervereinzelung zu beschleunigen, legten bereits in einem frühen Stadium die ganze Komplexität der Aufgabe offen. Ein Teil der Lösung bestand schließlich in der Konstruktion eines Zuführsystems, in welchem ein Linearförderer eine aus Blech gefertigte Zuführung in Vibrationen versetzt. Eine lange Reihe von Versuchen führte schließlich zu jener Formel präzise dosierter Mikroschwingungen, welche die ungerichteten Filter in Richtung Magazin bewegen, wo sie dann über die Lochplatte gerichtet und sortiert werden. Ein einzelnes Vibrationsmodul ist ausreichend, um sämtliche Filter im Größenbereich zwischen 1,5 und 6 Millimeter (Länge wie Durchmesser) mit nur wenigen Umbauten in die korrekte Position und Orientierung bringen zu können. Die eigentliche Neuerung im Zuge der Filtervereinzelung bestand jedoch im Einsatz einer Lochplatte, eine Anwendung wie sie unter anderem bei Tablettenverpackungsmaschinen benutzt wird. Nachdem die korrekte Position sichergestellt wird, nimmt die Lochplatte die Filter auf und hält sie solange in der Führung, bis mit dem nächsten Arbeitsschritt fortgefahren werden kann. Durch die Zwischenspeicherung der Filter in der Bohrung konnte die Abgabe an den Drehteller noch einmal beschleunigt werden. Der Zwischenpuffer wurde dabei so konstruiert, dass Längentoleranzen von bis zu zwei Millimeter möglich sind. Diese Toleranzen stellen sicher, dass die Filter absolut frei von möglichen Beschädigungen transportiert werden.

Kombiniert wurde die Lochplatte – ein weiterer, wesentlicher Bestandteil des Lösungsprozesses – mit einem Magazin und einen Drehteller. Diese drei Komponenten ergeben gemeinsam einen Wechselsatz, der in seiner Funktionalität dem Betreiber der Anlage weitere Geschwindigkeitsvorteile verschafft. Wird die Anlage auf eine neue Filtergröße umgestellt, brauchen nur diese drei Teile ausgetauscht werden: Der Umrüstprozess, der dafür erforderlich ist, nimmt gerade einmal fünf Minuten in Anspruch.

Mit dem Ziel höherer Prozessgeschwindigkeiten vor Augen war die Entwicklung dieses neuen, deutlich effizienteren Verfahrens zur Filtervereinzelung bereits ein bedeutender Schritt nach vorne. Um den Gesamtprozess zu beschleunigen, musste aber auch bei der eigentlichen Montage der Filter Zeit gespart werden. Zentraler Bestandteil der Lösung war hier die Umstellung von einem rein linear bewegten Achsensystem auf eine über zwei Servomotoren kurvengesteuerte Montagebewegung. Der Prozess von der Zuführung bis zur Abfuhr der fertig montierten Pipettenspitzen konnte dadurch deutlich flüssiger und schneller gefahren werden. Die kurvengesteuerte Bewegung beschleunigt dabei, nicht nur den Transport der Filter, sie sorgt auch dafür, dass dieser Transport behutsamer durchgeführt werden kann und die Gefahr von Beschädigungen geringer ausfällt, als bei Lösungen mit rein linearen Bewegungen.

Die technische Entwicklung der Lösung zur Filtervereinzelung nahm vom November 2011 bis April 2012 rund fünf Monate in Anspruch. Die Integration des Montageprozesses, die Prozessoptimierung sowie Planung und Aufbau der kompletten Anlagen reichten schließlich bis ins Frühjahr 2013 hinein. Nach einer Reihe von internen Prüfungen wurde im Juni 2013 der erste umfangreiche Test im Beisein eines renommierten Herstellers von Pipettenspitzen gefahren. Das Ziel, Vereinzelung und Montage auf 2,5 Sekunden zu verkürzen, konnte dabei ohne Einschränkungen erreicht werden. Darüber hinaus bestätigten auch die Ergebnisse des Dauertests auf beeindruckende Weise, wie präzise, flüssig und störungsfrei das System in der Lage war, die Filter zu vereinzeln und zu montieren. Selbst manuell erzeugte Störfaktoren wie die gezielte Bestückung der Anlage mit fehlerhaften Teilen (beispielsweise durch den Einsatz fehlerhafter Filtergrößen bzw. fehlender Filter), bestand die Anlage mit Auszeichnung.

Zwar ist das bestehende System für die Montage von 48 Filtern konzipiert. Die Produktionsgrößen können jedoch allein durch eine Erweiterung der bestehenden Module ausgebaut werden. Eine Verdoppelung der Kapazität von 48 auf 96 ist, bei Beibehaltung des Zyklus, ohne weiteres möglich, die Montage von über 1000 Filtern pro Minute entsprechend realistisch. Vergleichbare Systeme schaffen lediglich rund 500 Pipettenspitzen pro Minute, also gerade mal die Hälfte.

Die Anlage zur Filtermontage in Pipettenspitzen kann dabei sowohl als Teil eines kompletten Systems wie auch als autarkes Modul betrieben bzw. in eine bestehende Anlage integriert werden. Trotz der höheren Leistungsfähigkeit des Systems ist der Bedarf an Stellfläche deutlich geringer als bei herkömmlichen Anlagen – ein weiterer Vorteil. Die technische Lösung zur Filtervereinzelung ist von HEKUMA zum Patent angemeldet.