Egal, ob in der Lebensmittelverarbeitung, der pharmazeutischen und medizintechnischen Industrie oder in der Elektronikbranche: Hochreine und keimfreie Prozesse sind eine zentrale Herausforderung der industriellen Produktion von morgen. Um die Fertigung möglichst kontaminationsfrei zu halten, sollten Arbeitsmittel und Arbeitsraum voneinander getrennt sein.
Supraleiterbasierte Technologie soll helfen, dies umzusetzen. Auf der Hannover Messe 2018 stellt Festo ein solches Konzept für das berührungslose Wiegen und Messen vor.
Herausforderung: Arbeitsmittel
Insbesondere in Reinräumen müssen Oberflächen geschlossen, gut zu reinigen und effektiv zu desinfizieren sein. Die größte Herausforderung sind hier die Arbeitsmittel: Vom Reagenzglas bis zur Destillationskolonne werden sie von außen eingebracht und können Keime einschleppen. Zudem bilden sie aufgrund ihrer Stellfläche unzugängliche Kriechspalte, die man nur schwer sauber halten kann. Durch den Einsatz von magnetfeldbasierter Schwebetechnik – zum Beispiel mit Supraleiter-Technologie – lassen sich solche Einschränkungen in Zukunft umgehen.
Mit dem Suprasensor von Festo ist es beispielsweise möglich, berührungslos zu wiegen. Der Sensor wäre damit beispielsweise in Sicherheitswerkbänken der biologischen oder chemischen Analytik nutzbar. Mit dem Konzept können verschiedene physikalische Größen über ein kraftbasiertes Messsystem erfasst werden, etwa Gewicht, Dichte, Viskosität oder Temperatur.
Leicht zu reinigende Laborumgebung
„In eine Laborumgebung übertragen bleibt die Oberfläche des Arbeitsplatzes so ohne störende Aufbauten und kann effektiv und einfach gereinigt werden, da alles außer einem Träger für das Wägegut hinter Abdeckungen untergebracht werden kann“, erklärt Georg Berner, Leiter Strategische Unternehmensentwicklung Konzern-Holding bei Festo und Projektkoordinator für die Supramotion-Konzepte.
„Lediglich die Wägeschale mit dem Wägegut schwebt über der Tischplatte – ohne die Gefahr einer Querkontamination durch die Arbeitsoberfläche oder Werkzeuge.“ Beide lassen sich mit Hilfe eines Gestells von der Umgebung komplett vibrationsfrei entkoppeln. Wird die Schale nicht benötigt, kann sie entfernt werden und der gesamte Arbeitsraum der Sicherheitswerkbank steht zur freien Verfügung.
Trennung von Arbeitsraum und Arbeitsmittel
Der Suprasensor besteht aus einer mit Flüssigkeit gefüllten, hermetisch dichten Röhre, die über einer Präzisionswaage angebracht ist. Auf der Waage ist ein Kryostat mit einem Supraleiter fest montiert. In der Röhre befindet sich ein Auftriebskörper mit einem Permanentmagneten an der Unterseite, der berührungslos mit dem außerhalb liegenden Supraleiter und damit auch mit der Waage gekoppelt ist. Ermöglicht wird dies durch die besondere Eigenschaft von Supraleitern, die Magnete schwebend in einem bestimmten Abstand fixieren können, wenn sie auf eine bestimmte Temperatur gekühlt werden.
Der Suprasensor arbeitet mit dem Auftriebsprinzip: Je mehr Auftrieb der Körper mit dem Magneten erhält, desto geringer wird sein spezifisches Gewicht. Sammeln sich zum Beispiel Luftbläschen am Auftriebskörper und drücken ihn nach oben, zeigt die Waage dies an, da sie über den Supraleiter berührungslos mit dem Körper verbunden ist.
Weil sich die Dichte und somit auch der Auftrieb in einer Flüssigkeit je nach ihrer Zusammensetzung ändert, kann man mit diesem Prinzip auch feststellen, in welcher Konzentration andere lösliche Stoffe hinzugegeben werden. Vergleichbar ist dies mit dem Auftrieb in Meerwasser: Je mehr Salz enthalten ist, desto größer der Auftrieb und desto weniger sinkt ein Körper nach unten. Der Suprasensor zeigt damit, wie sich voneinander getrennte Arbeitsräume und Arbeitsmittel inklusive Sensorik berührungslos miteinander koppeln lassen.
Anwendung in der Medizintechnik
Über das reine Messen und Wiegen hinaus bietet die Technologie vielfältige Möglichkeiten wie die analytische Dichte- oder Viskositätsbestimmung, das präzise Dosieren oder die Überwachung reaktiver oder biologischer Prozesse. „Die Möglichkeit, Objekte berührungslos und somit komplett kontaminationsfrei zu handhaben, ist gerade für die Medizintechnik sehr interessant. Da keine Reibung entsteht, wird das Messergebnis nicht verfälscht und ist absolut genau“, sagt Dr. Frank Jacob, Leiter der Project Unit MedLab bei Festo.
„Das Konzept der supraleitenden Waage wird jetzt in enger Zusammenarbeit mit einem unserer Kunden in einem Prototyp umgesetzt. Es zeigt, wie wir zukünftig einfach zu reinigende Wiegevorrichtungen bauen und in Kombination mit unserer Antriebstechnik in automatisierte Anlagen integrieren können.“
Die Technologie ist robust und sowohl räumlich als auch zeitlich stabil: Die materialintrinsische Schwebefunktion benötigt keinerlei Regelungstechnik und bleibt auch bei einer Unterbrechung der Stromversorgung über längere Zeit bestehen.
Was macht Supraleiter aus?
Supraleiter sind Materialien, die unterhalb einer bestimmten Temperatur das Feld eines Permanentmagneten in einem definierten Abstand speichern können. Mit diesem Effekt lassen sich Objekte berührungslos lagern und bewegen. Der Schwebespalt bleibt dabei selbst durch Wände hindurch stabil.
Dank ihrer Rückstellkräfte nehmen die supraleitenden Magnetlagerkomponenten ihre gespeicherte Position sogar dann wieder selbstständig ein, wenn eine davon temporär entfernt wurde – ganz ohne externe Regelungstechnik.
Festo auf der Hannover Messe 2018 (23. bis 27. April 2018 in Hannover): Halle 15, Stand D11
