实验室自动化正在改变实验室开展研究和测试的方式，带来更快、更可靠的结果。自动化系统建立了精简的工作流程，显著提高了生产力。但这些系统究竟包含哪些组件？实验室自动化系统的关键部件有哪些？它们是如何设计的？将这些组件转化为最终的、功能完善的产品需要哪些步骤？
从实际角度来看，实验室自动化部件的制造方法至关重要。2023年，全球实验室自动化系统市场规模达到6.97亿美元，预计2023年至2030年年均增长率将达到7.84%。这一增长推动了对精密工程自动化组件的更大需求。CNC铣削、注塑成型和3D打印等技术常用于生产实验室自动化部件，每种技术根据应用场景各有优势。每个组件都需经过严格的质量控制，以验证其性能和可靠性。与合适的制造合作伙伴携手合作，可确保您选择最合适的生产方法，生产出符合您具体要求的高质量实验室自动化部件。
相当常见 实验室自动化部件
现代实验室系统依赖于几个主要部件组。每个部件组都有其特定的功能，例如移动样品、测量液体或运行整个流程。了解这些部件组有助于您在设计或购买设备时做出更明智的选择。
机械臂、机械爪和运输系统
机械臂是许多自动化机器的主要运动部件。它们每次都能以完全相同的方式抓取试管、移动托盘和放置样品。
机械臂类型和夹爪设计
实验室中常见的机械臂有两种类型。SCARA机械臂非常适合快速、平整的取放作业。协作机械臂（也称为cobot）无需安全防护罩即可与人并肩工作。两种类型的机械臂都需要末端夹爪来抓取物品。
选择合适的机械手比大多数买家想象的更重要。气动机械手在工厂中已应用多年，抓取力强，操作简便。但它们噪音较大，而且需要气管，而气管可能会泄漏油雾到洁净区。电动机械手则解决了这些问题。它们运行清洁、噪音低，并且可以通过程序设置抓取力。您可以以极小的步长进行数字化调节，而无需使用气压。这种精确性有助于避免损坏易碎的实验室物品，例如玻璃小瓶或薄的PCR板。电动机械手还节省能源，因为它们不需要持续的气压。由于活动部件更少，它们所需的维修也更少。对于采用工业4.0技术的实验室而言，电动部件能够提供更好的连接和数据跟踪。
传送带、旋转工作台和线性执行器
运输系统负责在各个工位之间输送物料。传送带沿直线路径运送多个样品管或样品板。旋转台使样品绕圆周旋转，以进行多步骤操作。线性致动器提供精确的往复运动，用于放置探针或取下盖子等作业。这些部件协同工作，形成流畅的自动化流程。每个部件都必须与所连接的机械臂的速度和精度相匹配。
液体处理和分配模块
液体处理是大多数实验室自动化的核心环节。分装错误会导致测试失败并浪费昂贵的试剂。现代系统通过不同类型的泵来解决这个问题。
移液器、注射器和蠕动泵系统
自动化液体处理系统使用气动移液器快速填充多个培养板。这些系统会在不同样品间更换吸头，以防止污染。注射泵可提供精确的液体量，适用于添加试剂或稀释等操作。蠕动泵通过软管内的旋转滚轮输送液体。由于液体不会接触泵体部件，因此蠕动泵能够处理更大的液体量，并且非常适合无菌液体。许多液体处理设备会结合使用这些方法。它们使用注射泵来输送微量、精确的液体，而使用蠕动泵来输送较大的液体量。
化学相容性材料选择
耐化学性决定了流体路径中使用的材料。实验室自动化部件需要反复接触强试剂、酸和清洁剂。耐化学性差的材料容易分解、生锈或泄漏化学物质。这些污染会毁坏样品并损坏设备。耐化学性强的材料即使经过多次使用也能保持强度和光滑的表面。光滑无孔的表面也使清洁更加容易。这有助于防止积聚和运行间交叉污染。
| 材料 | 关键化学相容性和耐久性属性 |
| 不锈钢 | 耐多种酸、碱和溶剂；强度高，适用于结构部件 |
| PEEK | 高性能塑料；具有良好的耐化学性和热稳定性。 |
| PTFE | 具有极强的耐大多数化学品腐蚀性；摩擦系数低；用于密封件和管道。 |
| POM（乙缩醛） | 耐有机溶剂和碱性能良好；强度高且尺寸稳定性好。 |
| 玻璃/硼硅酸盐 | 具有良好的耐热性和耐化学性；用于分析设备 |
聚四氟乙烯（PTFE）最适合强溶剂和腐蚀性液体。哈氏合金（Hastelloy）适用于普通合金失效的严苛腐蚀环境。聚氯乙烯（PVC）在控制温度和浓度的情况下，适用于某些化学品。316L不锈钢常用于对强度、易清洁性和耐腐蚀性要求较高的场合。当液体侵蚀普通橡胶部件时，需要特殊的涂层和密封件。
核心系统组件
除了运动部件和流体路径之外，每个自动化平台都需要一个控制系统。传感器收集数据，控制器做出决策，软件将所有部件连接起来。
传感器、控制器和执行器
传感器监测系统内部发生的情况。它们确认液体是否到达、温度是否保持稳定，或者某个部件是否放置在正确的位置。常见的传感器类型包括：
| 传感器类型 | 在过程监控中的应用 |
| 电导率 | 监测和控制介质的混合比例 |
| pH | 测量介质的酸碱度 |
| 氯 | 验证水消毒是否正确 |
| 氧化还原电位 | 监测水中消毒质量 |
| ISE | 测量特定离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+） |
| 自动化流程 | 调节生物反应器中的营养供应或移液器的试剂供应 |
| 压力 | 测量特定过程中的介质压力 |
控制器（通常称为PLC）接收传感器数据并向执行器发送指令。执行器将这些指令转化为实际动作，例如打开阀门、升降平台或开始分配物料。该控制回路在运行期间持续运转。
用户界面和软件平台
操作人员使用屏幕来控制自动化系统。这些显示屏显示运行状态、警告和维护警报。在后台，实验室信息系统跟踪样本和结果。它们存储每次运行的数据，并链接到更大型的数据工具。现代软件还支持远程监控。您可以从另一个房间或建筑物查看机器。这种连接将独立的机器人整合为一个相互关联的自动化工作流程。软件层将原始测量数据转换为对研究人员有用的结果。
每个部件组都为整个系统做出贡献。机械臂提供物理操作范围，液体处理设备提供精确度，传感器和软件提供智能信息。它们共同构成了驱动现代科研的实验室自动化系统。
制造实验室自动化部件
将设计转化为可用的零件需要周密的计划。您必须考虑材料、零件的精度要求以及所需数量。每种零件制造方法都有其自身在实验室自动化方面的优势。最佳选择取决于零件的功能、所需数量以及所需的精度。
数控加工 和 钣金加工
数控加工从实心块材上切削材料，制造出非常精密的零件。它非常适用于需要强度高且尺寸精确的金属零件。
精密铣削 谈到以及钻井
铣削加工平面、槽口和复杂形状。车削加工则是在切削刀具带动金属工件旋转的同时进行成形。这种方法非常适合加工轴和接头等圆形零件。钻孔加工则能精确地制造螺钉孔或流体通道孔。这些加工方法都能提供可重复的加工结果，误差极小。当零件需要在自动化系统中完美对齐时，这一点至关重要。
定制零件和标准零件的选择会影响成本和性能。定制执行器外壳可以提高关节的运动精度和刚度，但由于需要控制公差，因此制造成本更高。如果标准外壳已经满足精度要求，则成本更低。同样的道理也适用于框架。定制框架可以分散载荷并减轻重量，从而提高精度。而模块化铝型材则可以更快地尝试新设计，成本更低，同时还能保证足够的刚度。运动驱动装置也遵循同样的规律。定制布线可以处理特殊的封装，从而提高精度，但成本更高。标准皮带、链条和滑轮由于采用成熟的设计，因此成本更低。
弯曲、切割和焊接外壳
外壳用于保护电子元件、流体部件和运动部件。钣金加工通过多个步骤制造这些外壳。该过程通常从一块平板开始。激光切割机或冲床将平板切割成所需的形状，并加工出安装孔、通风槽和电缆开口。之后，零件被送至折弯机。操作员沿着预先设定的曲线折弯平板，形成外壳的壁。
硬件可以通过PEM嵌件压入板材中。有些面板采用焊接工艺连接。部分部件会进行粉末涂层、阳极氧化或喷砂处理，以延长使用寿命并提升外观。医疗设备也使用这些外壳。诊断仪、监护设备和实验室仪器需要坚固的外壳来保护敏感电子元件的安全并使其正确安装。
卡笼是一种特殊的封装形式。研发实验室、航空航天测试设施和电子产品制造企业都使用卡笼来固定和测试电路板。精密卡笼能够严格控制电路板的对准精度，并配备背板安装系统用于连接各个电路板。此外，卡笼还设有检修口，方便技术人员在故障排除过程中检查测试点。
注射成型 以及增材制造
塑料部件广泛应用于实验室自动化任务中。塑料部件主要有两种制造方法，每种方法都适用于产品生命周期的不同阶段。
大批量塑料零件生产
注塑成型是将熔融塑料在高压下注入钢模。塑料冷却后，模具打开，零件脱模。这种方法最适合一次性生产多个零件。模具的前期成本较高，但随着产量的增加，每个零件的成本会大幅下降。定制模具会增加模具成本，但可以实现更好的密封性和热精度。如果只需要一个基本外壳，那么使用现成的外壳成本更低。
标准尺寸的实验室器皿使得刚性、非自适应的机械手能够更精确、更快速地放置物品。这直接提高了精度，且无需增加成本。如果实验室器皿的尺寸存在差异，即使差异很小，也可能导致自动化系统故障或需要昂贵的自适应解决方案。临床实验室通过使用标准塑料部件来避免这种成本。这使他们能够以更简单的工程设计运行可靠的自动化流程。
快速成型 利用3D打印
增材制造逐层构建零件。FDM打印机挤出熔化的塑料丝。SLA使用激光固化液态树脂。SLS则用激光熔化粉末。这些方法使工程师能够在支付昂贵的模具费用之前快速测试设计。
廉价的3D打印机、现成的执行器和可编程微控制器使实验室能够自行制造零件。这种方法既能降低成本，又能保持足够的精度以满足许多实验室任务的需求。低成本的临时自动化并未得到广泛应用，因为它既不符合科研论文的要求，也无法为企业带来利润。这就造成了人工操作和昂贵系统之间的空白。对于研究人员而言，3D打印技术填补了这一空白，只需几天而非几个月即可制造出定制零件。
洁净室组装和功能测试
组装与制造零件同样重要。灰尘、湿气或静电都可能损坏精密元件。
流体和光学领域的污染控制
洁净室利用过滤空气和严格的规章制度来控制空气中的颗粒物。流体部件需要这种环境，因为微小的颗粒会堵塞通道或污染试剂。光学元件也需要洁净的装配环境。镜头或反射镜上的灰尘会降低测量精度。装配人员穿着专用服装，并遵循严格的操作规程，以保持部件的清洁。
生产线末端验证和泄漏测试
所有组装好的系统在发货前都必须经过检查。泄漏测试旨在查找流体路径中的泄漏，这些泄漏会导致试剂浪费或影响实验结果。功能测试则使系统按预期运行，以确保所有部件协同工作。这些检查可以及早发现问题，从而减少现场故障和保修成本。
中国一家领先的制造企业提供优质的服务和专业的加工技术。他们提供全方位服务，帮助客户高效完成实验室自动化零件的原型制作和批量生产。从数控加工到注塑成型，他们在一个工厂内即可完成整个制造流程。
您选择的制造工艺会影响产品的质量、成本和交货时间。了解每种方法有助于您做出明智的决策，从而确保自动化工作流程顺畅运行。
实验室自动化部件的质量保证
质量检查是保护每个自动化系统的基石。一个故障部件就可能导致整个实验室运行中断，造成时间和金钱的损失。严格的质量保证能够在部件发货前发现问题。对于实验室自动化系统而言，这些检查尤为重要，因为系统需要长时间无人值守运行。
检验方法与计量
制造商会根据精确的规格对零件进行测量。他们使用多种工具来验证尺寸和表面质量。
三坐标测量机、光学比较仪和表面测量
坐标测量机（简称CMM）可从多个角度探测零件。它们可以确认孔的位置是否正确，以及表面是否对齐。这些机器能够对复杂的几何形状进行精确测量。光学比较仪将放大的零件轮廓投射到屏幕上。操作人员将形状与参考图纸进行比较。这种方法可以快速检查轮廓和形貌。表面测量工具用于检查粗糙度。光滑的表面对于密封表面和运动接头至关重要。粗糙点会导致泄漏或过早磨损。每种工具都有其用途。CMM 可以处理三维复杂形状。光学比较仪擅长二维轮廓测量。表面测量工具用于验证表面质量。
首件和过程统计过程控制
首件检验是对生产批次中的第一个零件进行的。技术人员测量每个关键尺寸，并将结果与工程图纸进行比对。这一步骤可以在批量生产开始前发现设置错误。生产过程中的统计过程控制（SPC）用于监控零件。工作人员按设定的时间间隔抽取样本，并将测量结果绘制在控制图上。当读数接近限值时，操作员会调整生产流程。这种方法可以防止不合格零件的堆积，并记录一段时间内的质量趋势。这些数据有助于在现场出现问题时进行后续分析。
标准与认证
认证表明制造商遵循公认的质量体系。买家应核实供应商持有哪些标准。正确的认证往往决定了供应商能否服务于医疗或诊断市场。
ISO 9001 和 ISO 13485 的要求
ISO 9001 规定了质量管理的一般要求，侧重于客户满意度和持续改进。ISO 13485 则针对医疗器械提出了更高的要求。该标准要求更严格的文档记录和可追溯性。制造商必须为每个批次保存设备主记录 (MDR) 和设备历史记录 (HDR)。他们需要制定培训、清洁和风险管理方面的书面程序。在 2016 版 ISO 13485 中，“风险”一词出现了约 40 次。这种强调体现了对患者安全的关注。ISO 9001 对风险的处理则更为笼统。ISO 13485 还要求每个质量体系要素都配备一名管理代表。公司必须记录投诉未触发纠正措施的原因。他们需要制定向监管机构通报不良事件的程序。这些要求使得 ISO 13485 比 ISO 9001 更为严格。
行业特定认证（CE、UL）
CE标志表明产品符合欧洲安全法规。产品必须带有此标志才能在欧盟市场销售。UL认证涵盖北美地区的电气安全。实验室自动化设备通常需要同时获得这两种标志。每项认证都涉及测试和文件编制。制造商必须从一开始就按照这些标准设计产品。后期进行合规性改造成本更高。
测试和验证协议
测试证明各部件在实际条件下能够正常工作。验证则确认整个系统按预期运行。这两个步骤都能防止现场故障干扰研究。
加速寿命和环境试验
加速寿命测试将部件的使用条件推向超出正常使用范围。工程师会在更高的转速或温度下运行部件，从而快速发现其薄弱环节。环境测试则将部件暴露于湿度、振动和温度波动等恶劣环境中。实验室设备在运输或运行过程中也可能面临严苛的条件。这些测试旨在验证部件是否能够达到预期的使用寿命。测试结果将指导材料选择和设计改进。
软件和硬件在环验证
现代实验室自动化依赖于软件控制。硬件在环测试将实际组件与模拟输入连接起来。工程师验证传感器、控制器和执行器是否响应正确。软件验证检查程序是否能正确处理错误。这些测试共同确认自动化工作流程运行顺畅，并在部署前发现集成问题。此外，该测试还将数据反馈到实验室信息管理系统，以实现完全可追溯性。自动化工作流程依赖于此验证步骤来防止代价高昂的停机。
质量保证将优秀的设计转化为可靠的产品。每一次检验、标准制定和测试都增强了信心。对于每天都依赖自动化的实验室而言，这种信心至关重要。
选择NOBLE作为您的实验室自动化部件。
选择合适的制造合作伙伴对您的产品成败至关重要。您需要一支既精通精密加工又了解实验室严格标准的团队。优秀的制造合作伙伴能够将这两项技能完美结合。这样的合作伙伴不仅擅长金属和塑料加工，还能提供超越基础生产的全方位服务。
能力和工艺范围
全方位服务型制造商负责整个生产流程。您无需费心对接不同的供应商，也无需担心零部件质量参差不齐。所有工序都在同一栋楼内完成，进度安排也完全一致。
机械加工、模塑、增材制造和制造
这类公司使用数控铣床和车床加工需要精确尺寸的金属零件。注塑成型可以批量生产尺寸一致的塑料零件。增材制造可以帮助您在购买生产模具之前快速测试设计。钣金加工可以制造保护精密电子元件和流体系统的外壳和框架。有了这些选择，您可以根据零件的功能和数量，为每个零件选择最佳的加工方法。
内务 组装 和测试
组装工作在受控的洁净室中进行。洁净室环境可防止灰尘和污垢进入流体部件和镜头，确保工人在组装过程中不受污染。技术人员会检查流体回路是否存在泄漏，并对整套系统进行全面测试。这些步骤可在产品发货前发现并解决所有问题。您收到的将是即刻可用的设备，而不是需要现场维修的原型机。
质量体系 和认证
当您的实验室设备需要通过监管机构的检查时，高质量的文件资料至关重要。信誉良好的制造商持有相关认证，这将使您的审核和审查工作更加轻松。
符合 ISO 9001:2015 和 ISO 13485:2016 标准
ISO 9001:2015认证意味着每个部件都遵循清晰明确的步骤规则。每个部件都符合严格的标准，并得到适当的校准和验证支持。ISO 13485:2016针对医疗用途增加了更多规则。它为设计和生产制定了指导方针，同时确保清洁表面不受污染。每个部件都可以从生产到完成全程追溯到每个批次。
质量管理体系追踪从最初设计到最终交付的每一个环节。现代化的质量管理软件实时监控供应商的绩效，并检查其是否符合法规要求。所有文件均符合FDA和欧洲MDR标准。每个部件在出厂前都经过严格的质量检验。
从设计到生产的支持
从一开始，您就能获得工程方面的支持。团队会仔细审查您的设计，评估其可行性，并提出改进建议。他们会帮助您选择耐化学腐蚀且能长期保持形状的材料。及早合作可以避免日后代价高昂的设计变更。
应用程序和定制解决方案
这样的合作伙伴服务于那些对精度和可靠性要求极高的领域。他们的经验涵盖了多种不同的实验室应用。
生命科学、诊断和制药
诊断设备需要精确的液体处理和流畅的运动控制。药物研发依赖于每次都以相同的方式处理样本。这样的制造商专门生产满足这些严格要求的零部件。他们的组件支持自动化工作流程，可以无人值守运行数小时。每个部件都必须在数千次循环中保持相同的性能。
从原型制作到大批量生产
首先制作原型来测试您的设计。然后进行小批量生产，用于临床试验或现场测试。随着需求增长，逐步扩大生产规模。全方位服务的制造商会在每个环节提供支持，无需您更换供应商。自动化工程师可以从最初的想法到最终的生产制造全程与同一团队合作。这种稳定的合作关系可以降低风险，并加快产品上市速度。
选择合适的合作伙伴，就能将您的自动化难题转化为切实可行的解决方案。这样的合作伙伴拥有必要的认证、技能和专业知识，能够提供在关键应用中可靠运行的实验室自动化部件。
您现在已经了解了实验室自动化部件的完整流程。从机械臂和液体处理设备到数控加工和质量检测，每个步骤都至关重要。了解这些部件有助于您做出更明智的决策。您可以找到优秀的设计方案，提出更有针对性的问题，并避免代价高昂的错误。
实验室自动化技术日新月异。每年都有新技术涌现，使系统速度更快、可靠性更高。您的自动化工作流程依赖于各个部件的顺畅协作。因此，选择合适的合作伙伴至关重要。
想想您在自动化方面遇到的问题。哪些方面可以做得更好？一家提供全方位服务的制造商能够提供从原型制作到批量生产的全套自动化解决方案。他们的技能涵盖设计、制造和测试。与他们合作，随着实验室自动化的发展，您将拥有竞争优势。准备好打造更佳方案了吗？
实验室自动化部件常见问题解答
用于流体通道的材料中，哪些最耐化学腐蚀？
PEEK 和 PTFE 能很好地耐受大多数强效化学品。不锈钢材质坚固耐用且防锈。您的选择取决于部件日常接触的溶剂种类。光滑、无孔的表面更易于清洁，并能防止不同批次产品之间的交叉污染。
我该如何在CNC加工和3D打印之间做出选择？
CNC加工适用于需要高精度公差和高强度结构的金属零件。3D打印适用于快速制作原型和复杂的塑料形状。批量生产应选择机械加工。如果需要快速测试设计或需要定制形状但又不想使用昂贵的模具，则应选择3D打印。
医疗实验室设备需要哪些认证？
ISO 13485:2016 涵盖医疗器械制造，并制定了严格的追溯规则。ISO 9001:2015 适用于通用质量管理体系。CE 标志可帮助您进入欧洲市场。UL 认证涵盖北美电气安全标准。在开始生产之前，请向您的制造商询问他们遵循哪些标准。
一个合作伙伴能否同时负责原型制作和全面生产？
是的。全方位服务的制造商会支持每个阶段。您可以先用 3D 打印原型测试设计，然后根据需求扩大生产规模，采用注塑成型或 CNC 加工。与单一合作伙伴保持合作，可以确保产品质量稳定，并免去在不同供应商之间传输文件的麻烦。
为什么洁净室组装对我的零件很重要？
灰尘颗粒会堵塞流体通道并沉积在光学表面。这种污染会破坏测量结果并浪费试剂。洁净室通过过滤空气和严格的规章制度来控制空气中的颗粒物。工作人员穿着专用服装并遵循严格的操作步骤。这可以保护敏感元件在到达您的实验室之前免受污染。
我应该向潜在的制造合作伙伴询问哪些问题？
询问他们的质量认证和检验方法。索取首件检验报告。询问他们常用的材料。了解他们在诊断或制药应用方面的经验。自动化工程师应尽早审核您的设计，以便在模具制造开始前发现生产问题。
实验室自动化如何减少人为错误？
自动化系统能够重复相同的动作数千次而不会疲劳，并始终如一地分配精确的液体量。传感器能够立即检测到任何偏差。这种可靠性对于科研至关重要，因为微小的错误都可能浪费昂贵的试剂或毁掉实验。自动化系统负责处理日常任务，使研究人员能够专注于分析。
