präsentiert von
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
1.1 Hintergrund der Diplomarbeit
1.2 Durchführung
1.3 Aufgabenstellung
1.4 Ziele und Nutzen eines Pipettierautomaten
2 ERSTE WICHTIGE VORÜBERLEGUNGEN
2.1 Abstraktion der Aufgabenstellung
2.1.1 Black Box
2.1.2 Ableitung der Aufgabenstellung in eine Funktionsstruktur
2.2 Stand der Technik / Marktanalyse
3 QUALITÄTSANFORDERUNGEN AN EINEN PIPETTIERAUTOMATEN
3.1 Allgemeine Anforderungen
3.2 Anforderungen an die einzelnen Baugruppen
3.2.1 Mobile Trägerbox
3.2.2 Linearantrieb
3.2.3 Antriebstechnik / Wegmesssystem
3.2.4 Pipettenarm
3.2.5 Pipettenaufnehmer
3.2.6 Herunterfallschutz
3.2.7 Pipettenauslöser
3.2.8 Gestell
3.2.9 Steuerung
4 BETRACHTUNG DER ALLGEMEINEN HERANGEHENSWEISE
4.1 Herangehen an die Problemstellung
4.2 Grundlage des manuellen Pipettierens
4.3 Nutzung der Grundlagen des manuellen Pipettierens
4.4 Ideenfindung
5 VARIANTEN
5.1 Morphologischer Kasten
5.2 Variantenbildung und Bewertung der einzelnen Baugruppen
5.2.1 Pipette
5.2.2 Mobile Trägerbox (MTB)
5.2.3 Linearantrieb
5.2.4 Antriebstechnik und Wegmesssystem
5.2.5 Pipettenarm
5.2.6 Pipettenauslöser
5.2.7 Gestell
6 REALISIERUNG DER OPTIMALEN VARIANTE
6.1 Konstruktiver Prozess
6.2 Konstruktionszeichnung und Stückliste
6.3 Fertigungsunterlagen und Fertigungsbedingungen
6.4 Elektronik und speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)
6.5 Kostenrechnung / -analyse
7 FERTIGUNG UND INBETRIEBNAHME
7.1 Fertigung der Einzelbaugruppen
7.1.1 Mobile Trägerbox
7.1.2 Gestell
7.1.3 Pipettenarm
7.1.4 Pipettenaufnehmer und –auslöser
7.2 Inbetriebnahme
8 GERÄTE– UND BEDIENINFORMATIONEN
8.1 Betriebsanweisung
8.2 Kurzbedienungsanleitung „Piomat 04“
8.3 Wartungsplan
9 ANGEFERTIGTER VERSUCH
9.1 Ziel des Versuches
9.2 Grundlagen
9.3 Versuch
9.3.1 Verwendete Geräte und Versuchsaufbau
9.3.2 Versuchsdurchführung
9.3.3 Versuchsergebnisse
9.3.4 Versuchsauswertung
10 AUSBLICK
11 ANHANG
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Die Diplomarbeit dokumentiert die Entwicklung und Konstruktion des Pipettierautomaten „Piomat 04“, der den manuellen Applikationsprozess von Zellsuspensionen auf Trägermaterialien automatisieren soll. Ziel ist es, ein semiautomatisches System zu schaffen, das die Präzision, Reproduzierbarkeit und Effizienz bei der Probenbearbeitung in der medizinischen Diagnostik signifikant erhöht.
- Automatisierung der manuellen Pipettierung
- Konstruktive Entwicklung des Pipettiermoduls und des Inkubationsmoduls
- Methodische Anwendung der VDI-Richtlinie 2221
- Integration einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS)
- Qualitätssicherung durch Versuchsreihen zur Toleranzbestimmung
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Jedes Jahr registriert die Deutsche Gesellschaft für Autoimmun-Erkrankungen e.V. (DGfAE) einen stetigen Anstieg von etwa zwei Prozent an Autoimmun-Neuerkrankungen allein in der Bundesrepublik Deutschland [1]. Aus diesem Grund gewinnt die Forschung im Bereich der Autoimmun-Diagnostik gerade heute in diesem Zusammenhang immer mehr an gesellschaftlicher Bedeutung. Der Fachbereich Biotechnologie an der Fachhochschule Lausitz in Senftenberg leistet hierbei im Rahmen eines regionalen Förderprojektes einen maßgeblichen Beitrag als Grundlage zur Autoimmun-Diagnostik. Hierbei werden Zellen des menschlichen Körpers in ihrer Struktur näher untersucht. Um diese Untersuchungen jedoch durchführen zu können, muss die jeweilige Zellsuspension im Vorfeld auf ein so genanntes Trägermaterial appliziert werden, um anschließend für die Forschungsarbeit kultiviert zu werden. Die Applikation der Zellen wird derzeitig von Hand mittels einer Pipette realisiert. Um diesen Arbeitsprozess zu automatisieren, bildeten die beiden Fachbereiche Biotechnologie und Maschinenbau der Fachhochschule Lausitz ein fachübergreifendes Gesamtprojekt – die Entwicklung und Fertigung eines Pipettierautomaten, den "Piomat 04". Gegenstand der vorliegenden Diplomarbeit soll die Dokumentation der Entwicklung und Konstruktion dieses Automaten darstellen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Dieses Kapitel erläutert den Hintergrund und die Motivation für das Projekt, die Zielsetzung der Automatisierung sowie die konkreten Anforderungen an die zu entwickelnden Module.
2 ERSTE WICHTIGE VORÜBERLEGUNGEN: Hier erfolgt eine abstrakte Aufgabenanalyse mittels Funktionsstrukturen und eine Marktanalyse bestehender Labortechnik, um eine fundierte Basis für das weitere Design zu legen.
3 QUALITÄTSANFORDERUNGEN AN EINEN PIPETTIERAUTOMATEN: In diesem Teil werden sowohl allgemeine Anforderungen als auch spezifische technische Vorgaben für jede einzelne Baugruppe des Automaten detailliert zusammengetragen.
4 BETRACHTUNG DER ALLGEMEINEN HERANGEHENSWEISE: Dieses Kapitel widmet sich der methodischen Herangehensweise an die Konstruktion und nutzt Erkenntnisse aus dem manuellen Pipettierprozess für die automatisierte Umsetzung.
5 VARIANTEN: Hier werden mittels morphologischer Kästen verschiedene Lösungsansätze für die einzelnen Baugruppen entwickelt, bewertet und jeweils eine optimale Variante ausgewählt.
6 REALISIERUNG DER OPTIMALEN VARIANTE: Der Fokus liegt hier auf dem konstruktiven Prozess mit CAD-Systemen, der Erstellung von Fertigungsunterlagen und der Auslegung der Steuerungstechnik.
7 FERTIGUNG UND INBETRIEBNAHME: Dieses Kapitel beschreibt die praktische Fertigung der Komponenten, die Materialwahl, die Montage sowie die Inbetriebnahme und Optimierung des Systems.
8 GERÄTE– UND BEDIENINFORMATIONEN: Hier werden die notwendigen Begleitdokumente wie Betriebsanweisungen und Wartungspläne definiert, um den sicheren Betrieb des Automaten zu gewährleisten.
9 ANGEFERTIGTER VERSUCH: Das Kapitel dokumentiert die Versuchsreihen zur Bestimmung der optimalen Toleranzabweichungen für eine präzise Applikation der Zellsuspension.
10 AUSBLICK: Hier werden Erkenntnisse aus dem Projekt zusammengefasst und Potenziale für zukünftige Optimierungen sowie Erweiterungen zu einem vollautomatischen System aufgezeigt.
Schlüsselwörter
Pipettierautomat, Zellsuspension, Trägermaterial, Konstruktion, Biotechnologie, Prototypenbau, Automatisierung, VDI-Richtlinie 2221, SPS, Mechanik, Fertigung, Laborausstattung, Präzision, Adhäsion, Semiautomatik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Bau eines speziellen Automaten zur Applikation von Zellsuspensionen auf Objektträger, um den manuellen Laborprozess zu automatisieren.
Welche zentralen Themenfelder behandelt das Dokument?
Zentrale Themen sind die Anforderungsanalyse, die konstruktive Methodenlehre, die Variantenbildung und Bewertung, die Elektronik/Steuerung sowie die praktische Fertigung im Maschinenbau.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist der Entwurf und die Dokumentation eines funktionsfähigen Prototyps (Piomat 04), der ergonomisches und effizientes Arbeiten im biotechnologischen Labor ermöglicht.
Welche wissenschaftliche Methode wurde angewendet?
Es wurde das methodische Konstruieren gemäß der VDI-Richtlinie 2221 angewendet, ergänzt durch morphologische Analysen und experimentelle Versuchsreihen zur Qualitätssicherung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte konstruktive Auslegung der Baugruppen (mobile Trägerbox, Antrieb, Pipettenarm), deren Bewertung und die Dokumentation der Fertigung sowie der Steuerung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren das Projekt?
Die wichtigsten Schlüsselwörter sind Pipettierautomat, Biotechnologie, Konstruktion, Prototypenbau, Automatisierung und Semiautomatik.
Warum wurde die "mobile Trägerbox" als Kernstück identifiziert?
Die mobile Trägerbox ist entscheidend, da sie die sterile Handhabung der Objektträger in verschiedenen Stadien (Befüllung, Inkubation, Mikroskopie) sicherstellen muss und mit strikten konstruktiven Randbedingungen verknüpft ist.
Welche Rolle spielt der "Piomat 04" in der Hochschulpolitik?
Über den rein konstruktiven Zweck hinaus soll der Automat als Brücke zwischen den Fachbereichen Biotechnologie und Maschinenbau an der Fachhochschule Lausitz dienen und eine engere Zusammenarbeit fördern.
Wie wurde die Qualität der Pipettierung wissenschaftlich untersucht?
Es wurde ein Versuchsaufbau mit Millimeterpapier und verschiedenen Höhen eingestellt, um in 0,5mm-Schritten das Auftragsverhalten der Flüssigkeit zu bewerten und Toleranzgrenzen festzulegen.
Warum wurde bei der Steuerung auf eine SPS gesetzt?
Die SPS wurde gewählt, um flexibel auf Anforderungen zu reagieren und eine spätere Erweiterung zu einem vollautomatischen System durch die offene Programmierung zu ermöglichen.