Monstermachine van Synchron: van sample tot shake
Aan de ene kant van de samplemachine van Synchron Lab Automation worden kratten met volle zuivelverpakkingen geplaatst. Eenmaal in de machine worden met speciale pipetteernaalden tot vier monsters gelijktijdig genomen en in een microtiterplaat gemengd met reagentia. Klaar voor kwaliteitsanalyse. Voor een betrouwbaar en veilig verloop van alle bewegingen en processen is een groot aantal Festo-componenten toegepast.
Softwareontwikkelaar Synchron Lab Automation uit Etten-Leur heeft zich in de afgelopen decennia gespecialiseerd in labautomatisering. Onder leiding van de derde generatie Wilten is het Brabantse bedrijf bovendien gegroeid waardoor het nu ook complete oplossingen biedt, inclusief de hardware. De software en automatisering blijven centraal staan.
Directeur-eigenaar Derk Wilten: ‘Omdat ons standaard pipetteerplatform niet altijd meer voldeed aan de klantvraag, zijn we doorgegroeid naar een industriële oplossing waarin labautomatisering is geïntegreerd in een modulaire industriële machine. Hiervoor hebben we inmiddels een softwareplatform ontwikkeld waarmee feitelijk alles is aan te sturen: van component tot interface. Deze bestaande en bewezen basis biedt ons de mogelijkheid om relatief snel klantspecifieke machines te ontwikkelen met een korte time-to-market.’
Een mooi voorbeeld hiervan is een zogenaamde samplingmachine die monsters neemt van zuivelproducten. Synchron-engineer Glenn Dukel vertelt: ‘Zuivelproducten zijn gevoelig voor verontreiniging en besmetting, en mogen zelfs niet worden verkocht vóórdat de batch is gecontroleerd. In het kader van deze controle worden monsters van de producten genomen en in een analyseapparaat onderzocht op verontreiniging of andere stoffen. Omdat het bij grotere zuivelfabrieken om serieuze aantallen samples gaat, loont het de moeite om dat proces te automatiseren. Dit om de vele menselijke handelingen die erbij betrokken zijn – en de bijbehorende menselijke fouten – te verminderen of zelfs deels te elimineren.’
Monstername
De samplemachine van Synchron is een industriële oplossing waarin labtechnologie is geïntegreerd. Aan één zijde van de machine worden (open) dozen of kratten met verpakte zuivel geplaatst. Een door stappenmotoren aangedreven transportband brengt deze naar de machine waar eerst via een barcodelezer wordt bepaald om welk product het gaat en welke parameters erbij horen. In het eerste deel van de machine scant een camera vervolgens van bovenaf de configuratie en maakt hij een foto waarna de exacte locatie van de verpakkingen bekend is. Wanneer het beeld aangeeft dat een verpakking zodanig verkeerd staat dat die tijdens het samplen problemen zou kunnen geven, wordt deze verpakking automatisch uitgevoerd.
Op basis van dezelfde foto bepaalt de software waar de samplenaalden in het volgende deel van de machine precies hun monster moeten nemen. Een complexe stap in het geheel omdat de naalden allemaal afzonderlijke en nauwkeurig moeten worden gepositioneerd. De oplossing is gevonden in een stappenmotor met geïntegreerde Canopen-buscontroller waarbij de kleinste hartafstand tussen de naalden onderling 9 mm bedraagt. Daarnaast moeten de naalden met een behoorlijke kracht naar beneden worden gedrukt om zelfs kunststof doppen te kunnen doorboren.
Test less, verify Moore
At the Bits&Chips Event 2023 on 12 October 2023, Phillipa Hopcroft from Cocotec and Ivo ter Horst from ASML will kick off with a keynote speech on transforming how lithography machine software is built. Make sure to keep an eye on the website for program updates and save the date!
Dukel: ‘Hiervoor wordt gebruikgemaakt van een servoaangedreven z-as van Festo waar de CMMT-controller in master-slave-opstelling ervoor zorgt dat de set van vier naalden nauwkeurig gelijktijdig naar beneden beweegt. De door ons in eigen huis ontwikkelde pierce-naalden zelf zijn sterk genoeg om met kracht door de doppen te prikken. Daarnaast zijn ze zodanig ontwikkeld dat uiteenlopende configuraties van verpakkingen zijn te samplen. Tevens hebben we een oplossing ontwikkeld om mogelijk verpakkingsmateriaal van de naalden af te duwen wanneer dit hier onverhoopt zou blijven hangen. Dit is de downholder die pneumatisch wordt aangestuurd middels vier afzonderlijke DSNU-cilinders van Festo. Uiteraard worden de naalden na elke monstername gereinigd om contaminatie te voorkomen.’
Na de monstername uit de verpakking bewegen de naalden met maximaal acht monsters per keer naar de microtiterplaat die ruimte biedt aan 96 (8 bij 12) samples. Deze plaat wordt tijdens de monstername aan de andere zijde van de machine uit de ontstapelaar genomen en gescand. Vervolgens wordt hij richting de pipetteernaalden getransporteerd. Dukel: ‘In de machine vinden dus continu twee tegengestelde transportbewegingen plaats: de microtiterplaat van de ontstapelaar aan de ene kant van de machine naar het midden, en de dozen met producten vanaf de andere kant naar het midden waar zich het pipetteerstation bevindt.’
Doseren reagentia
Na het nauwkeurig deponeren van het monster in de hiervoor bestemde ‘welletjes’ van de microtiterplaat, worden twee soorten reagentia toegevoegd. Dit gebeurt met twee 8-kanaals VTOI-doseerkoppen van Festo die speciaal zijn ontwikkeld voor deze veel toegepaste microtiterplaten. Vervolgens wordt iedere microtiterplaat gedurende een voorgeprogrammeerde tijdspanne geschud met een mechanisme dat wordt aangedreven door een EMMT-AS-servomotor. Dit zorgt ervoor dat het monster uit de verpakking goed wordt gemengd met de reagentia zodat een eventuele reactie kan plaatsvinden.
Het eindresultaat – de microtiterplaat met het gemengde sample – wordt handmatig uitgenomen en naar het analyseapparaat gebracht voor verdere verwerking. De dozen met gesamplede verpakkingen worden eveneens uitgevoerd. Dukel: ‘De buffer na de uitvoer biedt ruimte aan veertien microtiterplaten. Dat betekent dat er niet voortdurend iemand bij de machine aanwezig hoeft te zijn. Je kunt de machine gerust opstarten en wat anders gaan doen. Alles verloopt automatisch en met 96 samples tegelijk. Dit handmatig uitnemen is overigens wel een stap die in de toekomst ook voor automatisering in aanmerking komt.’
Naast de genoemde bewegingen worden er nog vele andere bewegingen in de machine uitgevoerd. Onder meer om het transport betrouwbaar te laten verlopen (stopper, duwers, schuivers), hoogteverschillen te overbruggen (lift) en de diverse onderdelen tijdens de processen te fixeren (klemmen). Al deze bewegingen en krachten worden centraal aangestuurd via het CPX-E-automatiseringssysteem van Festo, het hart van de aansturing. Dukel: ‘CPX-E omvat de machinefuncties en is gekoppeld aan onze software waarin de flexibiliteit is ondergebracht om de vele producten met bijbehorende sampleparameters te kunnen handelen.’
Samenwerking
Naast Festo-componenten heeft Synchron Lab Automation ook intensief gebruikgemaakt van de kennis van de motionspecialist. Wilten: ‘Festo is voor ons een belangrijke schakel in de ontwikkeling van deze machines. Ten eerste heeft dit bedrijf een zeer uitgebreid portfolio waardoor we in feite met alle vraagstukken over aandrijf- en besturingstechniek bij hen terecht kunnen. En dat doen we dan ook. Onze focus ligt op de ontwikkeling van de overkoepelende software en we houden ons minder bezig met de engineering van de hardware. Festo ondersteunt ons daarin geweldig.’
‘Festo is een internationale onderneming die wereldwijd zowel componenten als support levert’, gaat Welten verder. ‘Voor ons als leverancier aan klanten in alle delen van de wereld is dit een zeer belangrijke voorwaarde om te kunnen garanderen dat ook op die locaties snel eventuele reparaties zijn uit te voeren of storingen zijn op te lossen.’
Welten besluit tevreden: ‘Al met al hebben we met deze autosampler een klantspecifieke, modulaire machine ontwikkeld, gebaseerd op bewezen technologie. Een uitstekende basis voor toekomstige samplemachines waarbij we uiteraard verder kijken dan de zuivelmarkt alleen.’
