26.03.2020

Neue Lösung für den Transport von Blutplasma

Effizient produzieren, einfacher testen

Das Pharmaunternehmen Roche hat eine Lösung entwickelt, die eine vereinfachte und verbesserte Untersuchung und Überwachung von HIV-Patienten ermöglicht - vor allem in abgelegenen Gebieten. Denn damit müssen Blutplasmaproben beim Transport ins Labor erstmals nicht mehr gekühlt werden. Voraussetzung dafür war eine flexible, kompakte und dynamische Produktionstechnik, die mit XTS von Beckhoff gelöst wurde.

Autor: Stefan Ziegler


Ein XTS mit zehn Movern und 3 m umlaufender Streckenlänge dient als zentrales Element der Produktionsmaschine für die Plasma Separation Card.
Bild: Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

Gerade in der Betrachtung der gesamten medizinischen Wertschöpfungskette von der Diagnose bis hin zum pharmazeutischen Endprodukt liegt laut Roche großes Potenzial für die Entwicklung. Ein aktuelles Beispiel dafür: Innerhalb der Produktreihe Cobas kommt eine Plasma Separation Card (PSC) auf den Markt, welche die Sensitivitätsanforderungen der Weltgesundheitsorganisation zur Festlegung der HIV-Therapie erfüllt. Konkret handelt es sich um eine stabile und leicht zu verwendende Karte zur Probennahme von Blutplasma für den anschließenden Test auf die HIV-Viruslast. Die ungefähr scheckkartengroße PSC benötigt nur eine geringe Menge Blut aus der Fingerkuppe eines Patienten und vereinfacht zudem den Probentransport. So werden z.B. für Menschen in ländlichen Gebieten Afrikas südlich der Sahara die HIV-Tests leichter zugänglich, da die bisher erforderliche Kühlung der Blutproben während des Transports zum Labor entfällt. Auf diese Weise ermöglicht die PSC verlässliche quantitative Tests auch in Umgebungen mit extremer Hitze und Luftfeuchtigkeit.

Kurze Time-to-Market

Hergestellt wird die Karte in einer kompakten, rund 3,5x3m großen Anlage, bei der das eXtended Transport System (XTS) von Beckhoff als zentrales Transportsystem fungiert. Entwickelt wurde die Anlage im Roche-eigenen Maschinenbau am Standort Mannheim. Hierbei - so erläutert Lukas Nagel, Specialist Engineer bei Roche - konnten Mitarbeiter aus Entwicklung und Produktion das Projekt gemeinsam in nur zwei Jahren bis zur Fertigungsreife umsetzen. Eine wichtige Rolle habe in diesem Zusammenhang auch XTS als flexibles Transportsystem gespielt. Damit ließ sich die Anlage während des Entwicklungsprozesses ohne großen Aufwand an veränderte Anforderungen anpassen. Verbesserungen im Prozess sind aufgrund der in der Software liegenden und damit einfach veränderbaren Funktionalität schnell möglich.

Aufwendiger Produktionsprozess

Wichtig war das auch hinsichtlich des Aufbaus der PSC aus mehreren Schichten. "Zunächst dient eine Deckschicht zur mechanischen Fixierung. Hinzu kommt eine kurze Klebeschicht, die die plasmaseparierende Membran fixiert", erklärt Nagel. "Darunter liegt ein mit einem chemischen Stabilisator getrenntes Vlies, um das gewonnene Humanplasma auch für Transportzeiten bis sechs Wochen haltbar zu machen. Hinzu kommt ein Etikett, auf dem sich die Patienteninformationen handschriftlich vermerken lassen. Die abschließende Schicht ist ein Schutz-Layer. Das Besondere liegt darin, dass das Humanplasma für den sicheren Transport nur etwas eintrocknen muss und sich anschließend im Labor einfach wieder verflüssigen und genau wie normales Blutplasma analysieren lässt." Wie komplex die PSC aufgebaut ist, verdeutlicht der aufwendige Produktionsprozess: Der Carrier Layer dient vor allem dem Probentransport. Auf diesen werden zwei adhäsive Klebestreifen und darauf wiederum der Vliesstoff für die Plasmaaufnahme aufgebracht. Dazu wird die gewünschte Geometrie in ein Trägertape eingestanzt. Dann werden zur Versiegelung kleine Klebepunkte aufgebracht, damit das Blutplasma nicht nach außen gelangen kann. Abschließend wird als Unterseite eine Karte mit einem adhäsiven Tape laminiert, mit dem Carrier Layer versiegelt und beides zusammen als erstes Zwischenprodukt aufgewickelt. Auf ähnliche Weise entsteht das zweite Zwischenprodukt, die PSC-Oberseite. Hierzu werden ebenfalls die gewünschten Geometrien eingestanzt sowie die Kartenecken für ein einfacheres späteres Ablösen abgerundet. Nach mehreren optischen Prüfschritten folgt das Verkleben beider Zwischenprodukte sowie die abschließende Kontrolle von Montage und Etikettplatzierung.

Handling von empfindlichem Vlies

Bei der Entwicklung der Produktionsanlage war das empfindliche und teure Spezialgewebe für die plasmaseparierende Membran zu beachten. Daraus haben sich hohe Anforderungen an den Vlieszuschnitt bzw. eine exakte Einhaltung der gewünschten Geometrie ergeben, um die Kosten aufgrund von Verschnitt möglichst weit zu reduzieren. Weiterhin dürfen die auf das Vlies wirkenden Kräfte 7N nicht übersteigen, um dessen Strukturen nicht zu verändern und somit die Durchlässigkeit des Vliesstoffes zu erhalten. Um das sicherzustellen, wird zum einen die Membran sehr schonend mit einem Laser ausgeschnitten. Zum anderen zeichnet sich die Anlage durch ein spezielles Messverfahren aus. Nach dem Anlagenstart wird zunächst der Bearbeitungstisch vermessen, von dem die Membran abgeholt wird. Anschließend überprüft das System auch die Werkstückträger auf allen zehn Movern des XTS. Auf diese Weise werden alle Bauteiltoleranzen ausgeglichen. Um eine möglichst geringe Prozesskraft auszuüben, wird die Membran mit Vakuumgreifern auf den klebrigen Layer aufgebracht. Bei diesem anspruchsvollen Prozessschritt bietet das Transportsystem den Vorteil, dass sich die ermittelten Bauteiltoleranzen per Software abspeichern und jedem Mover individuell für den gesamten Produktionsprozess zuordnen lassen. Bei einer klassischen Lösung wäre das an jeder Arbeitsstation mechanisch und damit deutlich aufwendiger umzusetzen. Außerdem ist die erforderliche Nachverfolgbarkeit bei XTS automatisch gegeben, was ansonsten z.B. über QR-Codes zu realisieren wäre. Dieses Handling ermöglicht eine effiziente Produktion. Denn etwaige Quetschungen des Vliesstoffes können optisch nicht erkannt werden, sondern erst beim gefertigten, dann als Ausschuss anfallenden Endprodukt.

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Funktionalität in Software

Die Vorteile von Präzision und Softwarefunktionalität sieht Lukas Nagel auch bei den mit Servomotorklemmen EL7211 und Antriebsverstärkern AX5000 realisierten Bewegungsachsen der Arbeitsstationen, wie z.B. Schneidwerke, Drehtische und Übergabearm. Ein gutes Beispiel sei die Messtasterfunktion des Servoverstärkers AX5000, mit der sich die Ist-Position des Reglers ohne Zeitversatz abhängig von einem Ereignis speichern lässt: "Diese Funktion kommt beim Einstanzen der Geometrie in das Trägertape zum Tragen und hat während des Entwicklungsprozesses einen großen Vorteil dargestellt", fährt Nagel fort. "Denn anfangs standen weder die genaue Kartengröße noch die Anzahl der für das spätere Aufbringen des Plasmas notwendigen, einzustanzenden Auslassungen fest. All das konnte bei der Hubstanztechnik per Software einfach festgelegt und bei Bedarf angepasst werden. So ließ sich äußerst effizient z.B. die Kartengröße oder die Anzahl der Aufbringungsfelder definieren sowie die Abrundung der Kartenecken realisieren."

Kompakter Maschinenaufbau

Dass XTS einen flexiblen Produkttransport bei geringem Platzbedarf ermöglicht, bestätigt Lukas Nagel: "Mit dem Transportsystem konnten wir eine kompakte Anlage konzipieren und dem begrenzten Platz in der Produktion gerecht werden." Eingesetzt wird das XTS mit zehn Movern und 3m Streckenlänge, um das die einzelnen Arbeitsstationen aufgebaut sind. Das ergibt ein symmetrisches Maschinenlayout, bei dem auf der einen Seite das erste Vorprodukt - der untere Carrier Layer - und auf der anderen Seite das zweite Vorprodukt - der obere Layer - bearbeitet und optisch geprüft wird. In der Anlagenmitte wird die Membran ausgeschnitten, sodass in einem XTS-Umlauf die komplette Karte entsteht. "Ein zunächst ebenfalls diskutiertes Rundschalttisch-Konzept hätte deutlich größer gebaut", so Nagel. Das Transportsystem bietet weitere Vorteile durch den dynamischen Takt und die einfache Synchronisierung schneller Arbeitsstationen mit langsamen Prozessabläufen. Stationen lassen sich besser auslasten, indem zeitintensive Arbeitsprozesse dupliziert werden. "Die langsamsten Prozesse in der Anlage sind das Laserschneiden des Vliesstoffes und das zugehörige Pick&Place", erklärt Nagel. "Mit XTS können nun sechs Karten auf einmal vorbereitet, an das Laserschneiden übergeben und anschließend einzeln mit den entsprechenden Oberteilen verklebt werden. Ohne diese Flexibilität hätten wir wesentlich größere Membranstücke verarbeiten oder mehrfache Übergabestationen vorsehen müssen." XTS orientiert sich hingegen automatisch am langsamsten Prozessschritt und merkt sich dabei für jeden Mover den aktuellen Bearbeitungsstatus und die fehlenden Einsatzstoffe. Der Mover fährt dann zu den entsprechenden Stationen. Zudem vereinfache der hochflexible Produkttransport mit XTS das möglichst frühe Ausschleusen fehlerhafter Teilprodukte. Denn wird ein Teil als Ausschuss erkannt, ignoriert der Mover alle weiteren Arbeitsstationen und fährt quasi als Drängler hinter den anderen Movern her, bis das Teil ausgeschleust werden kann. Gegenüber einem Rundschalttisch vermeidet XTS also einen unproduktiven Takt sowie die unnötige weitere Bearbeitung von Schlechtteilen.

Reglerstrom begrenzen

Neben den von der Software Twincat 3 XTS Extension zur Verfügung gestellten Funktionen Kollisionsvermeidung und Aufsynchronisieren profitiert Roche auch von der Möglichkeit, den Reglerstrom zu begrenzen: "Diese Funktion nutzen wir, wenn die Werkstückträger für das Öffnen der Halteklammern mechanisch zwangsfixiert werden", so Nagel. "Das Begrenzen des Reglerstroms vereinfacht dieses mechanische Referenzieren, ohne dass die an anderer Stelle vorteilhafte Positionsregelung über das XTS-Gebersystem verloren geht." Weitere Vorteile habe das zugrunde liegende Kommunikationssystem Ethercat ergeben - durch seine hohe Leistungsfähigkeit, die einfache Inbetriebnahme und die weltweite Verbreitung. Die Ethercat-P-fähigen IP67-I/O-Module konnten durch den reduzierten Verdrahtungsaufwand zusätzlich zur Vereinfachung beigetragen.

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