Auf dem Weg zum Labor 4.0

Digitalisierung und Automatisierung im Labor

  • Automatisierte Drohne  im betrieblichen EinsatzAutomatisierte Drohne im betrieblichen Einsatz
  • Automatisierte Drohne  im betrieblichen Einsatz
  • Abb. 2: Ansicht der Workstation mit Röntgenfluoreszenz-Spektrometer
Industrie 4.0 ist das Synonym für den durch Digitalisierung und Automatisierung getriebenen Wandel unserer industriellen Prozesse. Aber auch die Welt in den Laboratorien steht vor fundamentalen Veränderungen. Die Schlagworte Labor 4.0 und Smart Lab umschreiben den Wandel der klassischen Laboratorien zu vernetzten und automatisierten Strukturen, wobei die Prozesskette vom Kundenkontakt bis zur Datenauswertung reicht.
 
Grundlage für diesen Prozess ist eine funktionierende IT-Struktur, die die Erfassung und Steuerung aller Labordaten, wie z. B. Auftragsinformationen, Messwerte, Berichte und Abrechnungen, ermöglicht. Den meisten kommen dabei Visionen von menschenleeren Laboratorien in den Sinn, in denen Roboter die Arbeiten ausführen und Menschen überflüssig sind. Dieses Extrem sieht den Menschen nur als Kostenfaktor und potenzielle Fehlerquelle. Dabei sind für Laboratorien jedweder Art gerade die Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen aufgrund des Wissens, der Kompetenzen und vor allen Dingen der Kreativität eine unschätzbare, knappe Ressource, die möglichst zielorientiert eingesetzt werden sollte. Dienstleistungslaboratorien müssen sich dabei der Herausforderung stellen, den Kunden die Analysendaten nicht nur kostengünstig mit der gewünschten Präzision zu erstellen, sondern mit Hilfe der Daten auch einen zusätzlichen Mehrwert zu liefern. In diesem Sinne muss die gesamte Prozesskette vom Kunden über die Analytik bis zur Datenauswertung transparent gestaltet und digitalisiert werden, um die Datenbasis für zukünftige, wertschöpfende Auswertungen zu erweitern. Betrachtet man den gesamten Prozess, so beginnt die kundenorientierte Digitalisierung bei der Auftragserteilung, umfasst die Bereiche Probenlogistik und Analytik und endet bei der Auswertung und der Berichterstattung (Abb. 1). In diesem Kontext gibt es für Laboratorien heute verschiedenste Herausforderungen: steigende Qualitätsanforderungen und Komplexität der Laborprozesse, stärkere Kundenorientierung, Individualisierung der Analytik, Zunahme gesetzlicher und normativer Regelungen, Kostenoptimierung und die Ressource Mitarbeiter ist knapp und teuer. Die Antwort auf diese Herausforderungen ist die Digitalisierung und Automatisierung der Prozesse, wobei die Interaktion mit dem Kunden im Fokus stehen muss.
 
Basics (LIMS)
Grundlegende Voraussetzung für die digitale Transformation eines Laboratoriums ist die Verfügbarkeit eines zukunftsfähigen Labor Informations- und Management-Systems (LIMS).

Die heute klassischen Funktionen eines LIMS zur Unterstützung des Labormanagements hinsichtlich Planung und Durchführung aller auftragsrelevanter Arbeitsabläufe sind unter dem Gesichtspunkt Labor 4.0 zwingend erforderlich, aber nicht mehr ausreichend. Das System für ein Labor 4.0 muss sich darüber hinaus flexibel den neuen Herausforderungen anpassen. Hierzu gehören die Bereitstellung von Webportalen und Apps für die Kundenkommunikation sowie mobile data Tools für die Unterstützung der Mitarbeiter im Feldeinsatz, bei der Probenahme oder bei der internen Datenerfassung. Ferner muss sich das System in vorhandene Unternehmensstrukturen mit Enterprise Resource Planing (ERP), Manufacturing Execution System (MES) und Prozessleitsystem (PLS) einbinden.

Größte Herausforderung ist im Hinblick auf die erforderliche Automatisierung der Laboratorien die Verfügbarkeit von transparenten Schnittstellen für den Datenaustausch mit den Analysensystemen. Herstellerneutrale Datenformate, wie z.B. AnIML und SiLA, sind hier die zukunftsfähige Antwort [1-2]. Hierfür ist es jedoch erforderlich, dass diese Formate in Form von normativen Dokumenten standardisiert werden, um eine längerfristige Nutzung zu gewährleisten. Solange diese Datenformate noch nicht von allen Geräteherstellern unterstützt werden, sind flexible, einfach anpassbare Universalschnittstellen für die herstellerspezifischen Datenformate die Lösung der Wahl.
 
Vom Kunden zum Labor
Was liegt näher, als in Zeiten in denen das Smartphone zum festen Bestandteil der privaten und beruflichen Kommunikation gehört, diese Technik auch für die Interaktion mit dem Auftraggeber zu nutzen. Der Einsatz entsprechender Apps in Verbindungen mit einem LIMS ermöglicht es, dass Laboratorien als kundenorientierte Dienstleister ihre Prüfmethoden unmittelbar an den Anforderungen ihrer Auftraggeber ausrichten können. Auch im Sinne des Qualitätsmanagements bietet dies Vorteile, da die Validierung eines Prüfverfahrens nichts anderes als eine Vertragsprüfung ist, bei der die Präzisionsanforderungen des Kunden mit den verfügbaren Prüfmethoden abgeglichen werden, um so die optimale Prüfmethode hinsichtlich Kosten und Kenndaten auszuwählen. Die bei thyssenkrupp Steel Europe etablierte Lab-App bietet dem Kunden die Möglichkeit am Smartphone für seine Probe den gewünschten Prüfplan auszuwählen, einzelne Parameter aus- bzw. abzuwählen und abschließend einen Auftrag zu erteilen. Unmittelbar werden ihm für die Probenkennzeichnung ein QR-Code und alle Informationen für die Probenabholung zur Verfügung gestellt. Über das gleiche Medium oder über ein Webportal erhält er Statusinformationen zu seinem Auftrag bzw. die Ergebnisse.
Hinsichtlich der Transportlogistik wird normalerweise auf eigenes Personal, im Regelfall Probenehmer, oder auf externe Kurierdienste zurückgegriffen. Bei Kunden mit größerem Probenaufkommen im näheren Umfeld des Laboratoriums (bis 5 km) bietet sich auch der Einsatz einer autonomen Transportdrohne an (siehe Aufmacher). Seit wenigen Wochen verfügt thyssenkrupp Steel Europe über die Betriebsgenehmigung für den Einsatz einer autonomen Flugdrohne des Typs „delivAIRy“ der Firma doks.innovation [3-4]. Diese LTE/GPS-gesteuerte Drohne ist besonders für den automatischen Punkt-zu-Punkt Betrieb geeignet. Bei einer Reichweite von 5 km, einer maximalen Einsatzflughöhe von 100 m und einer Nutzlast von bis zu 4,5 kg ermöglicht dieses System den Transport von fast allen anfallenden festen und flüssigen Proben. Die Steuerung erfolgt anhand vorgegebener GPS-Daten ohne Sichtkontakt mit den Operatoren. Alle Bauteile der Drohne sind redundant ausgelegt und für den Fall eines Totalausfalls verfügt die Drohne über einen Fallschirm für die Notlandung. Die Mitarbeiter im Laboratorium können über eine App die Position der Drohne in Echtzeit verfolgen.
 
Probenlogistik im Labor
Bei Eingang im Labor liegen für die zu untersuchenden Proben alle Informationen über die zu nutzenden Prüfmethoden vor. An Hand der im LIMS vorliegenden Belegungslisten für die verschiedenen Prüfsysteme werden die Laufpläne für die Proben festgelegt. Das Labor von thyssenkrupp Steel Europe ist auf mehrere Gebäude verteilt. Ein automatisiertes Probensortiersystem sortiert die Proben bzw. Teilproben in Transportboxen für die jeweiligen Fachabteilungen. Zurzeit erfolgt der Transport dann manuell durch die LabormitarbeiterInnen. Aktuell laufen jedoch erste Versuche diese Transportaufgabe durch autonome Transportroboter erledigen zu lassen. Diese Tests befinden sich jedoch in einem sehr frühen Stadium.
 
Automatisierung
Kernstücke eines Laboratoriums 4.0 sind natürlich die automatisierten Analysensysteme. In den vergangenen Jahrzehnten wurden in fast allen analytischen Bereichen, insbesondere in der Prozessanalytik, Automationssysteme entwickelt und in den Routinebetrieb überführt. Getrieben wurde diese Entwicklung durch den Drang zur Kostenoptimierung, den stetig steigenden Anforderungen an die Qualität der Produkte. Allen gemeinsam ist jedoch die Tatsache, dass diese Systeme weitestgehend mit standardisierten Probenformen arbeiten und mit begrenzter analytischer Bandbreite hinsichtlich der Prüfparameter und deren Arbeitsbereiche arbeiten. Damit einher ging in der Vergangenheit der Verlust der analytischen Flexibilität.
Moderne Automationssysteme in einem Labor 4.0-Konzept müssen sich ebenfalls den oben genannten Herausforderungen stellen und dennoch möglichst flexibel auf wechselnde Anforderungen reagieren.
Bespielhaft wird im Folgenden eine mit der Fa. Panalytical realisierte analytische Workstation mit einem Röntgenfluoreszenz-Spektrometer vorgestellt, die alle Komponenten für die Analyse beliebiger Feststoffe, von oxidischen bis zu metallischen Materialien, beinhaltet. Basis dieses Systems sind neben einem sequentiellen Röntgenfluoreszenz-Spektrometer, ein Industrieroboter und vier Aufschlussgeräte mit jeweils zwei unabhängig bestückbaren Ofeneinheiten (Abb. 2) [5]. Die zu analysierenden Proben werden dem System volumetrisch dosiert zugeführt. Vom LIMS erhält die Workstation alle Informationen über das einzusetzende Analysenprogramm. Das vorgesehene Mischungsverhältnis zwischen der ermittelten Probenmasse und der dafür erforderlichen Masse des Aufschlussmittels Lithiumtetraborat wird mit einem Feststoff-Dosiersystem und einer Analysenwaage direkt im Platintiegel eingestellt. Dabei liegt die Dosierpräzision im Bereich von +/- 0,1 mg. In Abhängigkeit von der Matrix können in nachfolgenden Schritten Oxidationsmittel zugesetzt und der Inhalt des Tiegels homogenisiert werden. Für den Aufschluss sind in Abhängigkeit vom matrixspezifischen Programm Temperaturprofile hinterlegt, so dass für jede Stoffart eine optimale, reproduzierbare Schmelze gelingt. Durch Zugabe von Flussmitteln, wie z.B. LiI, wird die Viskosität der Schmelze eingestellt und beim Abgießen der Schmelze in eine Platinschale ein rückstandsfreies Auslaufen gewährleistet. Nach dem temperaturgesteuerten Erstarren der Schmelze in der Platinschale gelangt die kalte Glastablette direkt zum Röntgenfluoreszenz-Spektrometer, das die Analysendaten anschließend direkt an das LIMS überträgt. Die Workstation kann unter Berücksichtigung der Rüst- und Leerlaufzeiten bei einem 24-Stundenbetrieb ca. 200 Proben analysieren.
Vergleichbare Systeme unter Verwendung anderer Prüfmethoden, wie z.B. ICP-OES und ICP-MS, befinden sich in der Entwicklung.
 
Resumee
Die bisher vorgestellten Module stellen noch kein geschlossenes System dar. Insbesondere die Schnittstellen zwischen den Systemen erfordern den manuellen Eingriff der Labormitarbeiter. Gerade diese Arbeiten stellen aber bei der Automation die größte Herausforderung dar. Aber die konfuzianische Weisheit „Der Weg ist das Ziel“ gilt auch hier und viele Teilschritte auf diesem Weg werden zum Ziel Labor 4.0 führen. Dabei gilt aber auch, dass nicht alles was machbar auch wirtschaftlich sinnvoll ist. Die in den letzten Jahren in den Laboratorien der thyssenkrupp Steel Europe umgesetzten Projekte zum Labor 4.0 haben bei den Mitarbeitern zu einem Kreativitätsschub geführt, der viele Ideen für weitergehende Schritte auf diesem Weg liefert.
 
 
Autoren
Jörg Flock1, Thomas Lostak1, Eckhard Pappert
 
Zugehörigkeit
1thyssenkrupp Steel Europe,
Duisburg, Deutschland

 

Kontakt 
Dr. Thomas Lostak

thyssenkrupp Steel Europe AG
Duisburg, Deutschland
thomas.lostak@thyssenkrupp.com

 

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Literatur:

[1]        https://sila-standard.com/ [zuletzt aufgerufen am: 22.10.19]

[2]        https://animl.org/ [zuletzt aufgerufen am: 22.10.19]

[3]        https://www.thyssenkrupp-steel.com/de/newsroom/pressemitteilungen/pressemitteilung-110848.html [zuletzt aufgerufen am: 22.10.19]

[5]        https://www.drones-magazin.de/news/express-lieferung/ [zuletzt aufgerufen am: 22.10.19]

[4]        M. Haschke, Jörg Flock, Röntgenfluoreszenzanalyse in der Laborpraxis, Wiley-VCH, Weinheim, 2017 [zuletzt aufgerufen am: 22.10.19]

Kontaktieren

thyssenkrupp Steel Europe AG


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