Tutto sotto controllo

Lo svolgimento di test e vaccini si è dimostrato uno strumento efficace contro il coronavirus. Ci hanno aiutato ad uscire dal lockdown e a ritornare alla normalità. Ma qui la pandemia ha anche mostrato i limiti della fattibilità. Durante la diffusione esponenziale del virus la domanda è esplosa: prima per i test di laboratorio PCR (reazione a catena della polimerasi), poi per i test rapidi e successivamente per i vaccini. Nella fase iniziale la capacità produttiva era inadeguata su tutti i fronti. Per tante persone l’attesa per i kit di test e vaccini sembrava inifinita.

L’automazione di laboratorio contro il Covid-19

L’industria farmaceutica, la tecnologia medica e i laboratori medici hanno lavorato veramente con rapidità estrema. Questo vale anche per l’ampliamento della produzione e per l’aumento delle capacità di test. Uno dei fattori chiave di questo successo è stata l’automazione. Nei laboratori la pandemia ha dato una forte spinta verso l’automazione. Dispositivi di laboratorio automatici e robot universalmente flessibili possono alleggerire notevolmente il lavoro degli specialisti e incrementare sia il rendimento che l’efficienza.

La presa e la manipolazione in modo automatizzato di campioni, pipette o reagenti rientrano tra le fasi centrali e costantemente ricorrenti in questo tipo di processi produttivi. Per questi compiti c’è bisogno di delicate pinze industriali per piccoli componenti. Solitamente per la presa di oggetti esistono due tecnologie differenti, spiega il product manager Maik Decker, responsabile di questa divisione presso Zimmer Group, produttore con sede nella Germania sud-occidentale: “Ad oggi le pinze presenti sul mercato sono per lo più pneumatiche”, ossia ad aria compressa. “Tuttavia, questa tecnologia non è idonea per gli ambienti igienici richiesti nei laboratori, in medicina ma anche nel settore farmaceutico e in quello delle tecnologie mediche. Per questo, in questi campi si ricorre a pinze azionate elettricamente“.

Grazie al motore elettrico le pinze diventano flessibili

Oltre all’aspetto igienico, queste pinze presentano un ulteriore vantaggio: funzionano senza un impianto ad aria compressa con le relative linee. In determinati settori industriali tutto questo fa parte dell’attrezzatura standard dei siti produttivi, ma l’elettricità invece è disponibile ovunque. Tra l’altro, le pinze sono installate su macchine a loro volta già azionate elettricamente. Un collegamento elettrico è molto più semplice da realizzare rispetto a un’alimentazione ad aria compressa. Oltretutto, il controllo dei componenti elettrici è allo stesso tempo più semplice e più flessibile rispetto all’impiego di quelli pneumatici. “Stiamo constatando una chiara tendenza verso gli azionamenti elettrici, non da ultimo anche nell’industria automobilistica”, aggiunge Maik Decker.

I nuovi prodotti di Zimmer Group, come la nuova serie GEP2000, sostengono e consolidano questa tendenza. La pinza per piccoli componenti non solo afferra e mantiene componenti fino a cinque chili di peso (variabili a seconda della versione) bensì è anche in grado di manipolare senza problemi pezzi delicati e sensibili come le provette. “Tra i vantaggi dell’azionamento elettrico troviamo anche la capacità di adattare in qualsiasi momento la forza di presa ai vari oggetti”, precisa Volker Kimmig, a capo del team software di Zimmer Group. “Abbinata al giusto controllo, la pinza processa componenti diversi tra loro mentre il processo è in corso”.

10 milioni di cicli senza manutenzione

La forza per eseguire queste fasi di lavorazione è fornita dal servomotore brushless CC della serie BX4 di Faulhaber. Oltre alla coppia elevata, tra i punti di forza di questo azionamento a quattro poli troviamo le basse vibrazioni e la bassa rumorosità, il design compatto e una lunga vita utile. “Per questo prodotto garantiamo più di 10 milioni di cicli senza manutenzione” afferma Volker Kimmig. “Questo naturalmente è possibile solo con un motore di altissima qualità”. Un tale motore deve anche fornire una serie di caratteristiche aggiuntive per essere all’altezza delle richieste di funzionamento continuo di una tipica applicazione ‘pick-and-place’.

L’ingegnere dello sviluppo usa come esempio calzante quello della produzione di chiavi per auto: “Qui la scena è scandita da grandi quantità e tassi di produzione elevati. I cosiddetti ‘gripper robot’ operano costantemente sotto stress e ad altissimo ritmo, con cicli di lavoro brevissimi. Dunque, il motore deve avviarsi a brevi intervalli e fermarsi di nuovo immediatamente. In questo caso ad essere decisiva è l’accelerazione del motore, dato che nel processo complessivo conta ogni decimo di secondo. Inoltre, il motore deve essere in grado di dissipare correttamente il calore che si forma durante questo tipo di funzionamento, in modo da escludere un eventuale surriscaldamento”.

Una collaborazione collaudata

Gli esperti di pinze di Zimmer Group sapevano, non solo dalla scheda dati, che il BX4 di Faulhaber avrebbe soddisfatto questi requisiti. In precedenza, infatti, avevano già installato dei motori di questa serie nella loro famiglia di pinze GEH6000. Fondamentalmente questa cosiddetta pinza a corsa lunga lavora allo stesso modo della pinza per piccoli componenti. La sua corsa, ossia la distanza tra la posizione di apertura e di chiusura delle ganasce, è decisamente più ampia e può arrivare fino a 80 millimetri.

“Il dispositivo è dunque in grado di coprire, all’interno dello stesso processo, un’ampia gamma di oggetti target di dimensioni diverse”, dice Maik Decker. “Per contro, la pinza più piccola GEP2000 riesce a svolgere il proprio lavoro anche in condizioni di spazio molto limitate. Naturalmente questo funziona soltanto con un motore che fornisce una potenza elevatissima in uno spazio molto ridotto”.

Bloccaggio automatico meccanico

Tutte le pinze di questa serie hanno una caratteristica in comune con altri prodotti di Zimmer Group: la potenza del motore viene trasmessa alle ganasce da un azionamento a vite senza fine con filettatura a passo ripido. Anche in caso di black-out, la forza di presa rimane e la rispettiva posizione viene mantenuta. Una volta afferrati, i pezzi da lavorare vengono trattenuti in maniera sicura grazie a questa funzione di bloccaggio automatico, senza necessità di dispositivi aggiuntivi come ad esempio dei freni.

Le elettroniche di controllo presenti nei due tipi di pinze funzionano in modo leggermente diverso tra loro. Nel caso della GEH6000 i segnali dell’encoder dell’azionamento vengono usati per il posizionamento delle ganasce, mentre nella GEP2000 questo compito viene svolto con l’ausilio di un sensore di posizionamento. Entrambe le soluzioni raggiungono un alto grado di ripetibilità: il percorso predefinito delle ganasce viene riprodotto entro un cinquecentesimo.

“In tante applicazioni è molto importante il preposizionamento durante l’abbassamento della pinza verso l’oggetto target”, spiega Volker Kimmig. “In spazi confinati, la posizione di apertura spesso può essere solo leggermente più ampia di quella di chiusura. Quando si deve manovrare un braccio robotizzato in un ambiente complesso può anche rendersi necessario effettuare delle impostazioni preliminari molto precise. Noi lo facciamo impiegando un’elettromeccanica di precisione, dove il motore riveste nuovamente un ruolo cruciale, e una connessione dati flessibile. I nostri dispositivi possono essere dotati di IO-Link e I/O digitali. Questo gli permette di entrare e uscire dappertutto”.