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Pharmazie-Verpackungen: Sichere Abfüllung im Reinraum

25. Juli 2011

Mit vereinter Kompetenz realisierten der Maschinenbauer Harro Höfliger und die Bildverarbeitungs-Experten von STEMMER IMAGING eine Hochleistungs-Abfüllanlage für pharmazeutische Funktionstuben.

Anlagen für den Reinraumbereich von Pharmaunternehmen zu konzipieren und zu bauen stellt eine besondere Herausforderung dar. Auch die Produktion von Arzneimitteln und medizinischen Lösungen ist mit höchsten Ansprüchen an Verarbeitung und Qualität eng verknüpft. Das im schwäbischen Allmersbach im Tal ansässige und international erfolgreiche Unternehmen Harro Höfliger Verpackungsmaschinen GmbH hat sich auf diese anspruchsvollen Bereiche spezialisiert und entwickelt seit über einem Viertel Jahrhundert ganzheitliche Systemlösungen und Sondermaschinen für die Pharmazie, für den chemisch- technischen Bereich sowie für den Sektor Nahrungs- und Genussmittel.

Zu den herausragenden Stärken des Unternehmens zählen dabei Reinraummaschinen, die bei der Fertigung pharmazeutischer und medizinischer Produkte zum Einsatz kommen. „Diese Anlagen müssen überdurchschnittliche Anforderungen erfüllen“, erklärt Manfred Hild, Abteilungsleiter Steuerungstechnik bei Harro Höfliger. Dies folge unter anderem aus der Tatsache, dass im Reinraum häufig aggressive Reinigungssubstanzen zum Einsatz kommen, was die Auswahl der eingesetzten Materialien erheblich reduziere, so Hild. „Solche Anlagen müssen reinigungsfreundlich und wenig reparaturanfällig sein, denn oft kann nur eingeschränkt auf die einzelnen Anlagenteile zugegriffen werden. Die integrierten Systeme zum Messen, Beleuchten oder Detektieren müssen in der Regel eingekammert werden, was ihre Auswechslung im Fehler- oder Wartungsfall kompliziert und langwierig macht“, so der Abteilungsleiter weiter.

Die Aufgabe

Ein aktuelles Projekt der Schwaben, bei dem diese schwierigen Randbedingungen erneut erfüllt werden mussten, wurde vor Kurzem an den Kunden ausgeliefert: Die beiden dabei realisierten, identischen Füllmaschinen für so genannte „Tuben für Schluckimpfung mit noch lebenden Antiviren“ ermöglichen die Abfüllung von Flüssigkeiten oder pastenförmigen Materialien in Kunststoff- Tuben. Aus diesen Behältnissen kann der Anwender den Inhalt später – ähnlich wie bei einer Zahnpasta-Tube - auf einfache Weise herausdrücken und nutzen. „Bei der Verwirklichung dieser beiden Maschinen waren nicht alle optischen Materialeigenschaften bekannt“, beschreibt Manfred Hild eine der Schwierigkeiten für sein Team.

Eine größere Herausforderung bestand jedoch in der Auswahl der optimalen Bildverarbeitungs-Komponenten für die in der Maschine realisierte Ausrichtstation. Vor dieser Ausrichtstation werden die Tuben in nicht orientierter Lage zugeführt. Nach dem Vereinzeln der Tuben erfolgt deren Ausrichtung stehend mit dem Verschluss nach unten. Ein spezieller Greifer nimmt pro Arbeitsschritt parallel zehn Tuben auf und übergibt sie an die Ausrichtdrehstation.

Bevor die Substanzen in die Tuben eingefüllt werden können, müssen diese zunächst ausgerichtet und in eine vorgegebene Drehlage gebracht werden. Dieser Zwischenschritt hat zwei Gründe: Zum einen wird durch die definierte Ausrichtung sichergestellt, dass die Tuben beim späteren Verschließen nicht an ihrer längsseitigen Fügestelle brechen und undicht werden können. Zum anderen möchte der Pharma-Hersteller, dass sich die Tuben-Aufdrucke nach dem Versiegeln immer an der vorgegebenen Stelle befinden und somit optimal lesbar sind.

Realisierung mit Hindernissen

Zur Realisierung der Aufgabe werden jeweils zehn Tuben vom bereits genannten Greifer an spezielle Aufnahmen übergeben, wo sie dann in 400 ms um ihre Längsachse in Position gedreht werden. Dabei überprüfen fünf CMOS-Kameras vom Typ DALSA Genie des kanadischen Herstellers Teledyne DALSA an jeweils zwei Tuben, ob sich die für die korrekte Orientierung aufgebrachten Druckmarken an den richtigen Stellen befinden. Die Auswertung der via Gigabit Ethernet- Schnittstelle übermittelten Bildsignale erfolgt mittels zweier PCs, auf denen die leistungsfähige Vision Pro-Software von Cognex die eingehenden Bilder analysiert. Die Ergebnisse der Auswertung werden dann an die Drehstationen zurück kommuniziert. Auf diese Weise stellt das Bildverarbeitungs-System sicher, dass die Positionen der zehn Tuben innerhalb der erforderlichen Genauigkeit von weniger als 2 Grad bleiben.

Die eingesetzten DALSA Genie-Kameras waren in der Lage, die benötigte Bildrate von rund 110 Bildern pro Sekunde bei einer vorgegebenen Auflösung des Objektfeldes von 1024 x 768 Pixeln zu liefern. „Da nur ein Teil des Bildes zur Ausrichtung der Tuben nötig war, konnten wir die Kameras im Partial Scan-Modus betreiben. So war es möglich, die Bildrate nochmals zu steigern", berichtet Manfred Hild. Insgesamt bewältigt die Anlage auf diese Weise mehr als 220 Tuben pro Minute und zeigt damit die geforderte Leistung für eine kosteneffiziente Produktion.

Mit der Auswahl der geeigneten Kameras waren aber bei weitem noch nicht alle Fragestellungen beantwortet. Aufgrund der Konzeption der Anlage für den Reinraum musste die komplette Hardware für die Bildverarbeitung innerhalb der Maschine in einem eigens von Harro Höfliger entwickelten Gehäuse untergebracht werden. Dieses Gehäuse ist nach GMP-Gesichtspunkten (Good Manufacturing Practice) konstruiert und verfügt über eine Oberfläche mit Spezialbeschichtung, so dass es leicht gereinigt werden kann.

Da die Montage der Kameras, der Objektive und der Beleuchtungen wegen der Reinigungsanforderungen in diesem Gehäuse unter einer Glasscheibe erforderlich war, musste der Einbauwinkel der Kameras so gewählt werden, dass die Lichtreflexe der Beleuchtungen nicht in die Kameras fallen. Für die Kameras stand zudem nur sehr wenig Platz im Gehäuse zur Verfügung. „Diese Situation konnten wir mit 90° Winkelköpfen lösen, die uns unser Bildverarbeitungs- Partner STEMMER IMAGING für die eingesetzten DALSA Genie-Kameras empfohlen hat“, erläutert Hild.

Ebenfalls problematisch war, dass eine komplette Abschirmung der Anlage gegen Fremdlicht nicht möglich war und dass schwenkbare Werkzeuge der Maschine in das Blickfeld der Kameras ragen. "Diese chromglänzenden, bewegten Teile erzeugen alle möglichen, störenden Reflektionen. Wir konnten das aber per Software durch eine Kombination von Kantenfinder- und Histogramm-Tools lösen", beschreibt Manfred Hild den hier gefundenen Ansatz.

Eine weitere Schwierigkeit bestand zudem darin, die Ränder der weißen, halbtransparenten Tuben sowie die Druckmarken auf den Tuben vor den in der Maschine vorliegenden Hintergründen aus silbernem Stahl oder Glastüren zu erkennen. Auch hier konnte STEMMER IMAGING eine Lösung bieten, wie Hild erläutert: "Bei den Tests im Zuge der Anlagenkonzeption hat sich gezeigt, dass LED-Beleuchtungen mit Wellenlängen im blauen Spektrum den besten Kontrast zwischen Tubus und Druckmarke sowie der Tubenkante zum Hintergrund erzeugen."

Bildverarbeitung als Schlüsselelement

Die gemeinsam mit STEMMER IMAGING realisierte Ausrichtstation sieht Hild als absolute Schlüsselstelle der Maschine an: „Die korrekte Drehlage der Tuben vor der Befüllung und die Steigerung des Tuben-Durchsatzes waren dem Kunden sehr wichtig. Diese Anforderungen konnten wir nur mit Hilfe eines geeigneten Bildverarbeitungs-Systems erfüllen.“ Diese Aussage lässt sich nach Hilds Worten auch generalisieren: „Die Pharmazie besteht über alle Bereiche hinweg, vom Pflaster bis zur Kapsel, auf eine 100-Prozent-Kontrolle ihrer Produkte. Aus diesem Grund gibt es in dieser Industrie praktisch keine Maschine mehr ohne komplexe Bildverarbeitung.“

Diese Situation sei auch ein Grund dafür, dass Harro Höfliger im Gegensatz zu anderen Playern der Branche Spezialisten für das Thema Bildverarbeitung im eigenen Hause habe. "Wir betrachten diese Technologie als zentrales Thema unserer Arbeit und können unseren Kunden einen umfassenderen und deutlich schnelleren Service bieten, wenn wir selbst über das entsprechende Know-how verfügen", erläutert Hild. Bei den vielen Maschinen, die sein Unternehmen pro Jahr realisiere, sei das der deutlich effizientere Weg, ist er überzeugt.

Trotz - oder gerade wegen der vorhandenen Bildverarbeitungs-Kompetenz im eigenen Unternehmen verlässt sich das Team von Manfred Hild auf einen starken Lieferanten für die benötigten Bildverarbeitungs-Komponenten. Hild hat dabei aus seiner Sicht schon seit einiger Zeit den geeigneten Partner gefunden: „STEMMER IMAGING ist in Sachen Bildverarbeitungs-Technologie bereits seit vielen Jahren Lieferant für Harro Höfliger. Ich schätze dabei vor allem die Consulting-Leistungen des Unternehmens bei der Auswahl der optimalen Komponenten für die jeweilige Anwendung. Das hat uns schon oft viel Zeit gespart“, betont Hild.

Hella Gillig ist bei STEMMER IMAGING die vertriebliche Ansprechpartnerin für viele der bereits realisierten Projekte. Sie ermittelt mit ihren auf bestimmte Fachgebiete spezialisierten Kollegen die geeigneten Komponenten und führt auch die nötigen Tests im hauseigenen Labor durch. „So können wir stets die breiten Möglichkeiten unseres Bestandes einsetzen und dabei auf die neuesten Entwicklungen unserer Lieferanten zurückgreifen“, so Gillig. Ein eigenes Bildverarbeitungs-Labor mit einer vergleichbar umfangreichen und aktuellen Ausstattung könne sich kaum ein Kunde leisten, und auch Manfred Hild weiß dieses Angebot zu schätzen: „Dass ich mit meinen Kunden einfach zu STEMMER IMAGING gehen und dort schon im Vorfeld Ideen austesten kann, ist ein toller Service!“

Er nennt einen weiteren Grund für die Zusammenarbeit mit den Puchheimer Technologie-Lieferanten: „Es zählt zur Strategie von Harro Höfliger, Bildverarbeitungs-Komponenten aus einer Hand zu beziehen und dabei auf Produkte zu vertrauen, die weltweit verfügbar sind. Die Anlagen, die wir für unsere Kunden bauen, sind rund um den Globus im Einsatz. Für uns ist es daher sehr wichtig, dass alle eingesetzten Komponenten im Notfall auch international schnell ersetzt werden können.“

Da man sowohl bei Harro Höfliger als auch bei STEMMER IMAGING soweit möglich mit Standardkomponenten arbeitet, kann der neue Eigentümer der Funktionstuben-Abfüllanlage sicher sein, dass ihm die Instandhaltung der Anlage keine Probleme bereiten wird.

Die eingesetzten Bildverarbeitungs-Komponenten im Detail

In jeder der beiden Funktionstuben-Abfüllanlagen von Harro Höfliger kommen fünf Kameras vom Typ DALSA Genie HM1024 von Teledyne DALSA zum Einsatz, die jeweils mit einer HF35HA Optik von Fujinon sowie zwei balkenförmigen, blauen LDL2-146x30 Beleuchtung von CCS kombiniert sind. Die Datenübertragung zu den beiden Quad-Core-Auswerterechnern mit Cognex Vision Pro-Software erfolgt über GigE-Kabel. Die eingesetzten Beleuchtungen, Optiken, Kameras und Kabel bezog Harro Höfliger nach internen Tests allesamt über STEMMER IMAGING.

Harro Höfliger: Maschinenbauer über dem Standard

Die Realisierung von Maschinen mit anspruchsvollen Randbedingungen hat das Unternehmen Harro Höfliger (www.hoefliger.com) mit Hauptsitz in Allmersbach im Tal bereits vor vielen Jahren zu seinem Haupttätigkeitsfeld auserkoren. Das Unternehmen mit weltweit über 600 Mitarbeitern sieht sich deutlich oberhalb von Standard-Maschinenbauern angesiedelt, denn es entwickelt hauptsächlich spezifische Maschinen für seine international tätigen Kunden mir Schwerpunkt in der Medizin- und Pharma-Industrie. In vielen weiteren Industriebranchen genießt Harro Höfliger einen hervorragenden Ruf als Schlüssellieferant für Produktionsanlagen und Systemlösungen, unter anderem im Bereich der aseptischen Technologie, der Blister- und Tablettentechnik, der Spritzen- und Injektor-Technologie sowie bei Kapsel- und Pulverfüllmaschinen und in weiteren Bereichen.

Um der internationalen Kundschaft das Leben zu erleichtern, ist das Unternehmen Teil eines Kompetenznetzes global agierender Maschinenbauer, welche die pharmazeutische Industrie beliefern. „Durch die sich ergänzenden Kompetenzen dieser Firmen profitieren Kunden des Verbunds von kurzen Wegen und der schnellen Lösung von Problemen", erläutert Manfred Hild. „In diesem Firmenverbund lassen sich Synergien nutzen, denn das 'Teilen' von Technologien halbiert die Entwicklungskosten. Die Firmen des Verbunds können so nicht nur ein großes Feld abdecken, sondern auch Leistungen zu günstigeren Preisen anbieten und z.B. einen 24-Stunden-Service ermöglichen.

CCS

Kyoto, Japan

CCS wurde 1993 in Kyoto gegründet und hat bereits 1994 die erste LED- Beleuchtung für die industrielle Bildverarbeitung auf den Markt gebracht. Das Unternehmen hat sich seither kontinuierlich vergrößert und ist inzwischen einer der weltweit größten Anbieter von LED-Beleuchtungen mit Niederlassungen in Japan, China, Singapur, Belgien und den USA.

Fujinon

Tilburg, Niederlande

Die Fujifilm Corporation ist ein führendes Unternehmen der Fujifilm Holdings. Seit seiner Gründung im Jahr 1934 hat das Unternehmen umfangreiches technologisches Know-how in Fotografie und Imaging erworben und stetig ausgebaut. Sein großes und kontinuierlich erweitertes Produktsortiment im Bereich der Fujinon CCTV- und Machine-Vision-Objektive bietet für fast jede Anwendung eine geeignete Lösung.

STEMMER IMAGING

Puchheim, Germany

STEMMER IMAGING ist seit 1987 in der industriellen Bildverarbeitung tätig und mittlerweile Europas größter Technologie-Anbieter in diesem Bereich. 1997 stellte STEMMER IMAGING mit Common Vision Blox (CVB) eine leistungsstarke Programmierbibliothek vor, die eine schnelle und zuverlässige Entwicklung und Implementierung von Bildverarbeitungslösungen ermöglicht und inzwischen weltweit über 40.000 mal in verschiedensten Branchen erfolgreich im Einsatz ist.

Teledyne DALSA

Waterloo, Canada

Die kanadische Teledyne DALSA Inc., ein Unternehmen der amerikanischen Teledyne Technologies Inc., liefert für den Bereich der digitalen Bildverarbeitung ein enormes Produktspektrum. Neben universellen Zeilenkameras umfasst es technologische Highlights wie TDI-Zeilen- (Time Delay Integration), Multi Tap-, High Speed-, Flächen- und hochauflösende Kameras. Daneben zählen PCI-Bilderfassungsboards, Embedded Processing-Systeme bis hin zu intelligenten IPD-Kompakt-Systemen zu den Komponenten für alle Aufgaben in der industriellen Qualitäts-, Vollständigkeits- und Fehlerkontrolle.

Teledyne DALSA Genie HM - Kompakte Gigabit-Ethernet CMOS-Kameras
  • Kompakte Gigabit-Ethernet-Kameras mit CMOS-Sensor
  • Auflösungen 1.400 x 1.024 Bildpunkte
  • Kompatibel mit GenICam und GigE Vision
Fujinon Universalobjektive - Hochwertige Standard C-Mount-Festbrennweitenobjektive
  • Objektive mit fester Brennweite
  • Auflösung bis zu 12 MP
  • Lieferbar in Brennweiten ab 6 mm
CCS LDL2 - LED-Auflicht-Beleuchtungen in Balkenform
  • Kompakte LED-Auflichtfelder in schmaler, balkenförmiger Bauform
  • Für direkte Ausleuchtung aus beliebigem Winkel
  • Lieferbar in Weiß, Rot oder weiteren Farben
Netzwerk-Kabel für GigE Vision-Kameras
  • Kabel für schnellen Bilddatentransfer gemäß GigE Vision-Standard
  • Kostengünstige Standardkabel und benutzerdefinierte Spezialkabel
  • Ausführungen für Schleppketten- und Roboteranwendungen
  • Robotertaugliche CAT6-Kabel