Étude de cas: la vision de la machine accélère la production de vaccins automatisés

La production de vaccins a dû être rapidement augmentée pour une entreprise mondiale. Goldfuß Engineering GmbH et Simon IBV GmbH ont développé une solution basée sur un robot pour l’étape de processus impliquant des chariots de chargement et de déchargement avec des flacons contenant le vaccin. Le processus est entièrement automatisé grâce à la capacité des robots à travailler de manière autonome grâce à l’utilisation de la vision machine.

Production de vaccins accélérés grâce à l’automatisation

La production de vaccins a dû être rapidement augmentée pour une entreprise mondiale. Goldfuß Engineering GmbH et Simon IBV GmbH ont développé une solution basée sur un robot pour l’étape de processus impliquant des chariots de chargement et de déchargement avec des flacons contenant le vaccin. Le processus est entièrement automatisé grâce à la capacité des robots à travailler de manière autonome grâce à l’utilisation de la vision machine.

Bien qu’il soit moins dans les yeux du public, la création d’une production et d’une logistique efficaces est très importante dans la production de vaccins. De très grandes capacités de production ont dû être installées en très peu de temps pour pouvoir produire rapidement de grands volumes de vaccin contre un virus en circulation mondiale. Cela signifiait que l’automatisation était essentielle.

Une étape du processus implique l’utilisation d’un robot pour placer des flacons remplis de vaccin, également appelés ampoules injectables, d’un tapis roulant dans des tiroirs et pour les retirer à nouveau plus tard. Goldfuß Engineering GmbH a développé le concept global, qui se compose de plusieurs chariots avec des tiroirs, des cellules de robot et des systèmes de convoyeur. Simon IBV GmbH était responsable du développement du système 3D optique, ce qui permet au robot de saisir les flacons indépendamment et sans dommage. Le logiciel MVTEC HALCON Machine Vision est utilisé à cet effet.

Les chariots, qui contiennent environ 10 000 flacons, servent de tampon et de système de transfert entre le remplissage, le contrôle de la qualité et l’emballage. Goldfuß Engineering GmbH, basé à Balingen, Bade-Wurtemberg, est spécialisé dans le développement et la production de systèmes de chargement robotiques pour les machines d’emballage et les solutions personnalisées pour l’automatisation de laboratoire. Siegfried Hameln, un fabricant mondial de contrats et de développement d’ingrédients pharmaceutiques actifs et de produits finis, a chargé l’entreprise de développer un processus automatisé pour tamponner les flacons. La société Siegfried Hameln, à son tour, a été commandée par le développeur de vaccins pour produire l’ingrédient actif. Simon IBV GmbH a été mis à bord pour fournir la composante visuelle de la cellule du robot. Basé à Bayreuth dans le nord de la Bavière, la société possède une expertise inter-industrie dans les systèmes de tests et de mesures optiques 2D et 3D.

Robot charge et décharge les chariots avec vaccin
Goldfuß Engineering a développé une nouvelle cellule de robot pour le pas de chargement et de déchargement des chariots. Stephan Trunk from Goldfuß engineering explains: « This kind of automation solution has never been available on the market before. In comparable applications, the vials are manually loaded into trays or boxes after filling, manually stacked on pallets or in Kanban trolleys, and subsequently depalletized again. This means that several employees are usually tied up with non-value-added activities. The new, automated process speeds things up, in part because Les employés peuvent se concentrer sur des tâches plus exigeantes. « 

Les chariots utilisés présentent neuf tiroirs, chaque tiroir capable de contenir 24 rangées de 46 flacons chacun. Au total, un chariot peut donc contenir près de 10 000 flacons. En tampon une quantité aussi importante, il est possible de contrôler de manière flexible l’utilisation de la capacité du système d’emballage. Les chariots offrent l’avantage supplémentaire que les échantillons aléatoires peuvent être facilement retirés et renvoyés dans le processus d’emballage après approbation de l’assurance qualité. Étant donné que les chariots sont mobiles, ils peuvent être garés dans des chambres de refroidissement afin que la chaîne froide ne soit pas interrompue. Pendant la mise en œuvre, un défi particulier impliquait les écarts et les différentes positions dans lesquelles les chariots sont positionnés, par exemple, tandis que les robots doivent encore travailler de manière autonome. Les employés positionnent manuellement les chariots sur le système, ce qui signifie que la position exacte varie toujours. De plus, le poids des chariots et donc la position des tiroirs change constamment pendant le chargement et le déchargement. Afin de maintenir la précision de position requise afin que les flacons soient toujours correctement saisis, il est nécessaire de recalculer constamment la position exacte pour chaque ligne.

Dans un processus de production presque entièrement automatisé, cette tâche ne peut être accomplie que par un système de vision 3D basé sur la vision machine. D’autres technologies n’auraient pas été en mesure de répondre aux exigences. L’utilisation de capteurs nécessite plusieurs positions de balayage, ce qui étendrait considérablement le cycle du robot, ce qui rend impossible d’atteindre le nombre de cycles souhaité. L’utilisation d’une caméra 2D sur la pince serait également problématique car en plus du poids supplémentaire, il serait également nécessaire de poser des câbles sensibles de manière à pouvoir résister aux mouvements du robot à long terme.

« Les caméras 3D avec une distance de travail d’environ 120 cm par rapport au tiroir supérieur et 180 cm au tiroir inférieur sont extrêmement précises et offrent toujours au robot une plage de travail suffisante pour la manipulation sans collision. En combinaison avec un logiciel de vision machine puissant, cependant, il a été possible de répondre à toutes les exigences pour cette application », explique Daniel Simon, représentatif et responsable des ventes techniques à Simon IBV.

Le système de vision 3D facilite un processus entièrement automatisé
En plus du robot, les composants matériels de la cellule du robot comprennent des caméras 3D haute résolution en utilisant la méthode stéréométrique avec une projection de modèle et une technologie informatique industrielle avec des processeurs rapides pour une évaluation basée sur PC. MVTEC HALCON a été sélectionné pour le système de vision machine. HALCON est le logiciel complet de vision machine standard. D’une part, le logiciel offre une large gamme de méthodes de vision machine puissantes. D’un autre côté, parce que le logiciel est indépendant du matériel, il peut être utilisé de manière flexible avec différentes caméras, par exemple. Simavis® de Simon IBV est utilisé comme interface utilisateur pour la visualisation et pour le fonctionnement simple du système. Voici comment fonctionne le processus: Premièrement, un employé pousse un chariot avec les flacons dans l’un des deux postes possibles. Une caméra 3D dans la cellule du robot identifie le chariot et vérifie l’état des tiroirs, c’est-à-dire qu’ils soient ouverts ou fermés. Le contrôleur logique programmable (PLC) contient des informations sur le fait que le chariot actuellement traité doit être chargé ou déchargé, quel tiroir doit être ouvert, et combien de flacons y sont déjà et où.

Pour commencer, la caméra 3D prend toujours une photo du tiroir à ouvrir. Le logiciel MVTEC HALCON Machine Vision utilise cette image pour créer un système de coordonnées et le partage avec le robot. Cela permet au robot d’ouvrir le tiroir. À l’étape suivante, la caméra 3D prend une photo du contenu du tiroir. Ceci est utilisé pour déterminer combien de flacons y sont stockés et où ils se trouvent exactement. En plus du nombre, le système vérifie également les erreurs, telles que la question de savoir si les ampoules individuelles sont verticaux ou ont donc fait un tour et ne peuvent donc pas être ramassés par le robot. La pince du robot est équipée pour gérer 46 flacons à la fois. Une fois qu’un tiroir a été complètement déchargé, la caméra 3D détermine la position de la poignée du tiroir afin que le robot puisse le fermer à nouveau. Ce processus est ensuite répété avec les huit tiroirs restants jusqu’à ce que le chariot soit complètement déchargé.

Le logiciel de vision machine gère différentes tâches
La mise en œuvre de ce type de solution, dans laquelle le robot est largement autonome, présente un certain nombre de défis. Stephan Trunk de Goldfuß Engineering le décrit de cette façon: « Le développement de la cellule robot a eu lieu sous une pression temporelle énorme. La demande de vaccin a dû être satisfaite le plus rapidement possible, ce qui a également servi de motivation intrinsèque pour nos employés. »

Le principal défi était de parvenir à une haute précision. La position des flacons doit être détectée avec une précision de 0,1 millimètre. Et avec une zone de travail de 800 x 600 mm et une profondeur de 600 mm, ce n’est pas une tâche facile. Le contenu extrêmement précieux des flacons rend cette exigence encore plus critique. Les flacons ne doivent en aucun cas être endommagés. Cependant, le chargement et le déchargement doivent être effectués rapidement, en partie pour faciliter la livraison rapide du vaccin. « Le système de vision a également été confronté à deux défis particuliers. D’une part, il fallait travailler avec différents matériaux. Le verre des flacons et le métal, comme celui des chariots, ont des surfaces transparentes ou réfléchissantes et sont donc difficiles à détecter. D’autre part, le système ne fonctionnera que si les robots peuvent exploiter autonome des techniques de vision à trois dimensions. Vision Software Products qui réalisent les performances et la robustesse nécessaires à cet égard « , explique Daniel Simon. Les sociétés ont décidé de suivre le logiciel MVTEC HALCON MAXE VISION. « Sur la base de nos nombreuses années d’expérience avec Halcon, nous savions que le logiciel a une vaste bibliothèque avec de nombreuses méthodes extrêmement puissantes », explique Daniel Simon.

Diverses technologies de vision de la machine sont utilisées dans la cellule robot qui a été développée. L’une des exigences technologiques du système est le soi-disant étalonnage œil-main. Cette technologie est essentielle pour toute application dans laquelle les caméras fonctionnent en conjonction avec des robots. Au cours de ce processus, le système de coordonnées du robot et le système de coordonnées de la caméra sont synchronisés. Cela permet de faire correspondre les mouvements du robot aux images de la caméra avec la plus grande précision. L’étalonnage à la main de Halcon offre une précision extrêmement élevée pour déterminer la position relative entre la caméra et le robot. Cela permet de déterminer les positions et orientations exactes des flacons par rapport au robot. Cet étalonnage est la base de toutes les autres applications de vision industrielle avec HALCON qui sont nécessaires à cette application. Dans le même temps, le système utilise en outre la technologie stéréo Vision 3D Vision, qui est également incluse dans HALCON. Cette technologie est conçue pour la reconstruction 3D et est particulièrement utile pour les objets structurés de grande ou moyenne taille. De plus, cette technologie facilite le contrôle de la qualité ou la détection de position d’objets tridimensionnels. La technologie calcule également les coordonnées 3D sur les surfaces des objets. Cela peut être fait avec un ou avec plusieurs caméras. La vision stéréo est particulièrement bien adaptée à la mesure précise des élévations. Une caractéristique au sein de la technologie est la stéréo multigride, une méthode avancée d’interpolation des données 3D dans des parties homogènes de l’image. Cette méthode donne une plus grande précision pour les petits objets.

Nouvelle cellule de robot en fonctionnement depuis juillet 2021
« Nous avons réussi à développer une toute nouvelle cellule robot et à la mettre en service avec la stabilité des processus en seulement six mois. Nous sommes fiers d’avoir contribué à accélérer la production d’un vaccin contre un virus dangereux », explique Stephan Trunk de Goldfuß Engineering. Le système a été mis en service en juillet 2021. Les exigences strictes – en termes de vitesse et de précision, par exemple – ont également été satisfaites. « Ce projet illustre tous les potentiels et les possibilités offerts par la vision machine. Grâce à la mise en œuvre réussie, nous sommes très motivés à automatiser d’autres tâches difficiles. Il existe un certain nombre de projets prometteurs déjà en cours avec Goldfuß Engineering », explique Daniel Simon.

À propos du logiciel MVTEC GmbH
MVTEC est l’un des principaux fabricants de logiciels standard pour la vision machine. Les produits MVTEC sont utilisés dans un large éventail d’industries, telles que la fabrication de semi-conducteurs et d’électronique, la production de batteries, l’agriculture et les aliments, ainsi que la logistique. Ils permettent des applications telles que l’inspection de surface, le contrôle de la qualité optique, les conseils du robot, l’identification, la mesure, la classification, etc. En fournissant des technologies modernes telles que la vision 3D, l’apprentissage en profondeur et la vision intégrée, les logiciels de MVTEC permet également de nouvelles solutions d’automatisation pour l’Internet industriel des objets AKA Industrie 4.0. Avec des emplacements en Allemagne, aux États-Unis, en France, à Benelux, en Chine et à Taïwan, ainsi qu’un réseau établi de distributeurs internationaux, le MVTEC est représenté dans plus de 35 pays dans le monde. www.mvtec.com