實驗室自動化正在改變實驗室進行研究和測試的方式，帶來更快、更可靠的結果。自動化系統建立了精簡的工作流程，顯著提高了生產力。但這些系統究竟包含哪些組件？實驗室自動化系統的關鍵零件有哪些？它們是如何設計的？將這些組件轉化為最終的、功能完善的產品需要哪些步驟？
從實際角度來看，實驗室自動化零件的製造方法至關重要。 2023年，全球實驗室自動化系統市場規模達6.97億美元，預計2023年至2030年年平均成長率將達7.84%。這一增長推動了對精密工程自動化組件的更大需求。 CNC銑削、注塑成型和3D列印等技術常用於生產實驗室自動化零件，每種技術根據應用場景各有優勢。每個組件都需經過嚴格的品質控制，以驗證其性能和可靠性。與合適的製造合作夥伴攜手合作，可確保您選擇最合適的生產方法，生產符合您特定要求的高品質實驗室自動化零件。
共同 實驗室自動化部件
現代實驗室系統依賴幾個主要部件組。每個部件組都有其特定的功能，例如移動樣品、測量液體或運行整個流程。了解這些部件組有助於您在設計或購買設備時做出更明智的選擇。
機械手臂、機械爪和運輸系統
機械手臂是許多自動化機器的主要運動部件。它們每次都能以完全相同的方式抓取試管、移動托盤和放置樣品。
機械手臂類型和夾爪設計
實驗室中常見的機械手臂有兩種類型。 SCARA機械手臂非常適合快速、平整的取放作業。協作機械手臂（也稱為cobot）無需安全防護罩即可與人並肩工作。兩種類型的機械手臂都需要末端夾爪來抓取物品。
選擇合適的機械手比大多數買家想像的更重要。氣動機械手在工廠應用多年，抓取力強，操作簡單。但它們噪音較大，而且需要氣管，而氣管可能會洩漏油霧到潔淨區。電動機械手則解決了這些問題。它們運行清潔、噪音低，並且可以透過程式設定抓取力。您可以以極小的步長進行數位調節，而無需使用氣壓。這種精確性有助於避免損壞易碎的實驗室物品，例如玻璃小瓶或薄的PCR板。電動機械手還節省能源，因為它們不需要持續的氣壓。由於活動部件更少，它們所需的維修也更少。對於採用工業4.0技術的實驗室而言，電動零件能夠提供更好的連接和數據追蹤。
傳送帶、旋轉工作台和線性執行器
運輸系統負責在各個工位之間輸送物料。傳送帶沿直線路徑運送多個樣品管或樣品板。旋轉台使樣品繞圓週旋轉，以進行多步驟操作。線性致動器提供精確的往復運動，用於放置探針或取下蓋子等作業。這些部件協同工作，形成流暢的自動化流程。每個部件都必須與所連接的機械手臂的速度和精度相匹配。
液體處理和分配模組
液體處理是大多數實驗室自動化的核心環節。分裝錯誤會導致測試失敗並浪費昂貴的試劑。現代系統透過不同類型的泵浦來解決這個問題。
移液管、注射器和蠕動幫浦系統
自動化液體處理系統使用氣動移液器快速填充多個培養板。這些系統會在不同樣本之間更換吸頭，以防止污染。注射幫浦可提供精確的液體量，適用於添加試劑或稀釋等操作。蠕動幫浦透過軟管內的旋轉滾輪輸送液體。由於液體不會接觸到泵體部件，因此蠕動泵能夠處理更大的液體量，並且非常適合無菌液體。許多液體處理設備會結合使用這些方法。它們使用注射幫浦來輸送微量、精確的液體，而使用蠕動幫浦來輸送較大的液體量。
化學相容性材料選擇
耐化學性決定了流體路徑中使用的材料。實驗室自動化零件需要反覆接觸強試劑、酸和清潔劑。耐化學性差的材料容易分解、生鏽或洩漏化學物質。這些污染會毀壞樣品並損壞設備。耐化學性強的材料即使經過多次使用也能保持強度和光滑的表面。光滑無孔的表面也使清潔更加容易。這有助於防止積聚和運行間交叉污染。
| 材料 | 關鍵化學相容性和耐久性屬性 |
| 不銹鋼 | 耐多種酸、鹼和溶劑；強度高，適用於結構部件 |
| 窺視 | 高性能塑膠；具有良好的耐化學性和熱穩定性。 |
| PTFE | 具有極強的耐大多數化學品腐蝕性；摩擦係數低；用於密封件和管道。 |
| POM（乙縮醛） | 耐有機溶劑和鹼性能良好；強度高且尺寸穩定性好。 |
| 玻璃/硼矽酸鹽 | 具有良好的耐熱性和耐化學性；用於分析設備 |
聚四氟乙烯（PTFE）最適合強溶劑和腐蝕性液體。哈氏合金（Hastelloy）適用於普通合金失效的嚴苛腐蝕環境。聚氯乙烯（PVC）在控制溫度和濃度的情況下，適用於某些化學物質。 316L不銹鋼常用於對強度、易清潔性和耐腐蝕性要求較高的場合。當液體侵蝕普通橡膠部件時，需要特殊的塗層和密封件。
核心系統組件
除了運動部件和流體路徑之外，每個自動化平台都需要一個控制系統。感測器收集數據，控制器做出決策，軟體將所有部件連接起來。
感測器、控制器和執行器
感測器監測系統內部發生的情況。它們確認液體是否到達、溫度是否保持穩定，或某個部件是否放置在正確的位置。常見的感測器類型包括：
| 傳感器類型 | 在過程監控中的應用 |
| 電導率 | 監控和控制介質的混合比例 |
| pH | 測量介質的酸鹼度 |
| 氯 | 驗證水消毒是否正確 |
| 氧化還原電位 | 監測水中消毒質量 |
| ISE | 測量特定離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+） |
| 流 | 調節生物反應器中的營養供應或移液器的試劑供應 |
| 壓力 | 測量特定過程中的介質壓力 |
控制器（通常稱為PLC）接收感測器資料並向執行器發送指令。執行器將這些指令轉換為實際動作，例如打開閥門、升降平台或開始分配物料。此控制迴路在運作期間持續運轉。
使用者介面和軟體平台
操作人員使用螢幕來控制自動化系統。這些顯示器顯示運作狀態、警告和維護警報。在後台，實驗室資訊系統追蹤樣本和結果。它們儲存每次運行的數據，並連結到更大型的數據工具。現代軟體還支援遠端監控。您可以從另一個房間或建築物查看機器。這種連結將獨立的機器人整合為一個相互關聯的自動化工作流程。軟體層將原始測量數據轉換為對研究人員有用的結果。
每個部件組都為整個系統做出貢獻。機械手臂提供物理操作範圍，液體處理設備提供精確度，感測器和軟體提供智慧資訊。它們共同構成了驅動現代科研的實驗室自動化系統。
製造實驗室自動化部件
將設計轉化為可用的零件需要周密的計劃。您必須考慮材料、零件的精度要求以及所需數量。每種零件製造方法都有其自身在實驗室自動化方面的優勢。最佳選擇取決於零件的功能、所需數量以及所需的精度。
數控加工 以及 鈑金加工
數控加工從實心塊材上切削材料，製造出非常精密的零件。它非常適合需要強度高且尺寸精確的金屬零件。
精密銑削 開啟以及鑽井
銑削加工平面、槽口和複雜形狀。車削加工則是在切削刀具帶動金屬工件旋轉的同時進行成形。這種方法非常適合加工軸和接頭等圓形零件。鑽孔加工則能精確地製造螺絲孔或流體通道孔。這些加工方法都能提供可重複的加工結果，誤差極小。當零件需要在自動化系統中完美對齊時，這一點至關重要。
客製化零件和標準零件的選擇會影響成本和性能。客製化執行器外殼可以提高關節的運動精度和剛度，但由於需要控制公差，因此製造成本更高。如果標準外殼已經滿足精度要求，則成本更低。同樣的道理也適用於框架。定制框架可以分散載荷並減輕重量，從而提高精度。而模組化鋁型材則可以更快嘗試新設計，成本更低，同時也能確保足夠的剛性。運動驅動裝置也遵循同樣的規律。客製化佈線可以處理特殊的封裝，從而提高精度，但成本更高。標準皮帶、鏈條和滑輪由於採用成熟的設計，因此成本更低。
彎曲、切割和焊接外殼
外殼用於保護電子元件、流體部件和運動部件。鈑金加工透過多個步驟製造這些外殼。過程通常從一塊平板開始。雷射切割機或沖床將平板切割成所需的形狀，並加工出安裝孔、通風槽和電纜開口。之後，零件送至折彎機。操作員沿著預先設定的曲線折彎平板，形成外殼的壁。
硬體可以透過PEM嵌件壓入板材中。有些面板採用焊接工藝連接。部分零件會進行粉末塗層、陽極處理或噴砂處理，以延長使用壽命並提升外觀。醫療設備也使用這些外殼。診斷儀、監護設備和實驗室儀器需要堅固的外殼來保護敏感電子元件的安全並使其正確安裝。
卡籠是一種特殊的封裝形式。研發實驗室、航空航太測試設施和電子產品製造企業都使用卡籠來固定和測試電路板。精密卡籠能夠嚴格控制電路板的對準精度，並配備背板安裝系統用於連接各個電路板。此外，卡籠還設有檢修口，方便技術人員在故障排除過程中檢查測試點。
注射成型 以及積層製造
塑膠部件廣泛應用於實驗室自動化任務。塑膠零件主要有兩種製造方法，每種方法都適用於產品生命週期的不同階段。
大批量塑膠零件生產
射出成型是將熔融塑膠在高壓下注入鋼模。塑膠冷卻後，模具打開，零件脫模。這種方法最適合一次生產多個零件。模具的前期成本較高，但隨著產量的增加，每個零件的成本會大幅下降。客製化模具會增加模具成本，但可以實現更好的密封性和熱精度。如果只需要一個基本外殼，那麼使用現成的外殼成本會更低。
標準尺寸的實驗室器皿使得剛性、非自適應的機械手能夠更精確、更快速地放置物品。這直接提高了精度，且無需增加成本。如果實驗室器皿的尺寸有差異，即使差異很小，也可能導致自動化系統故障或需要昂貴的自適應解決方案。臨床實驗室透過使用標準塑膠零件來避免這種成本。這使他們能夠以更簡單的工程設計運行可靠的自動化流程。
快速原型 利用3D列印
增材製造逐層建造零件。 FDM印表機擠出熔化的塑膠絲。 SLA使用雷射固化液態樹脂。 SLS則以雷射熔化粉末。這些方法使工程師能夠在支付昂貴的模具費用之前快速測試設計。
廉價的3D列印機、現成的執行器和可程式微控制器使實驗室能夠自行製造零件。這種方法既能降低成本，又能保持足夠的精度以滿足許多實驗室任務的需求。低成本的臨時自動化並未廣泛應用，因為它既不符合科學研究論文的要求，也無法為企業帶來利潤。這就造成了人工操作和昂貴系統之間的空白。對於研究人員而言，3D列印技術填補了這一空白，只需幾天而非幾個月即可製造出客製化零件。
潔淨室組裝與功能測試
組裝與製造零件同樣重要。灰塵、濕氣或靜電都可能損壞精密元件。
流體和光學領域的污染控制
潔淨室利用過濾空氣和嚴格的規章制度來控制空氣中的顆粒物。流體部件需要這種環境，因為微小的顆粒會堵塞通道或污染試劑。光學元件也需要潔淨的組裝環境。鏡頭或反射鏡上的灰塵會降低測量精度。裝配人員穿著專用服裝，並遵循嚴格的操作規程，以保持零件的清潔。
生產線末端驗證和洩漏測試
所有組裝好的系統在出貨前都必須經過檢查。洩漏測試旨在查找流體路徑中的洩漏，這些洩漏會導致試劑浪費或影響實驗結果。功能測試則使系統按預期運行，以確保所有部件協同工作。這些檢查可以及早發現問題，從而減少現場故障和保固成本。
中國一家領先的製造業提供優質的服務和專業的加工技術。他們提供全方位服務，幫助客戶有效完成實驗室自動化零件的原型製作和大量生產。從數控加工到注塑成型，他們在一個工廠內即可完成整個製造流程。
您選擇的製造流程會影響產品的品質、成本和交貨時間。了解每種方法有助於您做出明智的決策，從而確保自動化工作流程順暢運作。
實驗室自動化部件的品質保證
品質檢查是保護每個自動化系統的基石。一個故障部件就可能導致整個實驗室運作中斷，造成時間和金錢的損失。嚴格的品質保證能夠在零件出貨前發現問題。對於實驗室自動化系統而言，這些檢查尤其重要，因為系統需要長時間無人運作。
檢驗方法與計量
製造商會根據精確的規格對零件進行測量。他們使用多種工具來驗證尺寸和表面品質。
三坐標測量機、光學比較儀和表面測量
座標測量機（簡稱CMM）可從多個角度偵測零件。它們可以確認孔的位置是否正確，以及表面是否對齊。這些機器能夠對複雜的幾何形狀進行精確測量。光學比較儀將放大的零件輪廓投射到螢幕上。操作人員將形狀與參考圖紙進行比較。這種方法可以快速檢查輪廓和形貌。表面測量工具用於檢查粗糙度。光滑的表面對於密封表面和運動接頭至關重要。粗糙點會導致洩漏或過早磨損。每種工具都有其用途。 CMM 可以處理三維複雜形狀。光學比較儀擅長二維輪廓測量。表面測量工具用於驗證表面品質。
首件和過程統計過程控制
首件檢驗是對生產批次中的第一個零件進行的。技術人員測量每個關鍵尺寸，並將結果與工程圖面進行比對。這一步驟可以在大量生產開始前發現設定錯誤。生產過程中的統計製程管制（SPC）用於監控零件。工作人員依設定的時間間隔抽取樣本，並將測量結果繪製在控製圖上。當讀數接近限值時，操作員會調整生產流程。這種方法可以防止不合格零件的堆積，並記錄一段時間內的品質趨勢。這些數據有助於在現場出現問題時進行後續分析。
標準與認證
認證表明製造商遵循公認的品質系統。買家應核實供應商持有哪些標準。正確的認證往往決定了供應商能否服務醫療或診斷市場。
ISO 9001 和 ISO 13485 的要求
ISO 9001 規定了品質管理的一般要求，重點在於客戶滿意度和持續改善。 ISO 13485 則針對醫療器材提出了更高的要求。該標準要求更嚴格的文件記錄和可追溯性。製造商必須為每個批次保存設備主記錄 (MDR) 和設備歷史記錄 (HDR)。他們需要製定培訓、清潔和風險管理的書面程序。在 2016 版 ISO 13485 中，「風險」一詞出現了約 40 次。這種強調體現了對病人安全的關注。 ISO 9001 對風險的處理則較為籠統。 ISO 13485 也要求每個品質系統要素都配備一名管理代表。公司必須記錄投訴未觸發糾正措施的原因。他們需要製定向監管機構通報不良事件的程序。這些要求使得 ISO 13485 比 ISO 9001 更為嚴格。
業界特定認證（CE、UL）
CE標誌顯示產品符合歐洲安全法規。產品必須帶有此標誌才能在歐盟市場銷售。 UL認證涵蓋北美地區的電氣安全。實驗室自動化設備通常需要同時獲得這兩種標誌。每項認證都涉及測試和文件編制。製造商必須從一開始就按照這些標準設計產品。後期進行合規性改造成本較高。
測試和驗證協議
測試證明各部件在實際條件下能夠正常運作。驗證則確認整個系統如預期運作。這兩個步驟都能防止現場故障幹擾研究。
加速壽命和環境試驗
加速壽命測試將零件的使用條件推向超出正常使用範圍。工程師會在更高的轉速或溫度下運作零件，快速發現其弱點。環境測試則將部件暴露於濕度、振動和溫度波動等惡劣環境。實驗室設備在運輸或運作過程中也可能面臨嚴苛的條件。這些測試旨在驗證零件是否能夠達到預期的使用壽命。測試結果將指導材料選擇和設計改進。
軟體和硬體在環驗證
現代實驗室自動化依賴軟體控制。硬體在環測試將實際組件與類比輸入連接。工程師驗證感測器、控制器和執行器是否響應正確。軟體驗證檢查程式是否能正確處理錯誤。這些測試共同確認自動化工作流程運作順暢，並在部署前發現整合問題。此外，該測試還將數據反饋到實驗室資訊管理系統，以實現完全可追溯性。自動化工作流程依賴此驗證步驟來防止代價高昂的停機。
品質保證將優秀的設計轉化為可靠的產品。每一次檢驗、標準制定和測試都增強了信心。對於每天都依賴自動化的實驗室而言，這種信心至關重要。
選擇NOBLE作為您的實驗室自動化部件。
選擇合適的製造合作夥伴對您的產品成敗至關重要。您需要一支既精通精密加工又了解實驗室嚴格標準的團隊。優秀的製造合作夥伴能夠將這兩項技能完美結合。這樣的合作夥伴不僅擅長金屬和塑膠加工，還能提供超越基礎生產的全方位服務。
能力和工藝範圍
全方位服務型製造商負責整個生產流程。您無需費心對接不同的供應商，也無需擔心零件品質參差不齊。所有工序都在同一棟建築物內完成，進度安排也完全一致。
機械加工、模塑、增材製造及製造
這類公司使用CNC銑床和車床加工需要精確尺寸的金屬零件。注塑成型可以批量生產尺寸一致的塑膠零件。積層製造可以幫助您在購買生產模具之前快速測試設計。鈑金加工可以製造保護精密電子元件和流體系統的外殼和框架。有了這些選擇，您可以根據零件的功能和數量，為每個零件選擇最佳的加工方法。
內務 裝配 和測試
組裝工作在受控的無塵室中進行。無塵室環境可防止灰塵和污垢進入流體部件和鏡頭，確保工人在組裝過程中不受污染。技術人員會檢查流體迴路是否有洩漏，並對整套系統進行全面測試。這些步驟可在產品出貨前發現並解決所有問題。您收到的將是即時可用的設備，而不是需要現場維修的原型機。
質量體系 和認證
當您的實驗室設備需要通過監管機構的檢查時，高品質的文件資料至關重要。信譽良好的製造商持有相關認證，這將使您的審核和審查工作更加輕鬆。
符合 ISO 9001:2015 和 ISO 13485:2016 標準
ISO 9001:2015認證意味著每個部件都遵循清晰明確的步驟規則。每個部件都符合嚴格的標準，並得到適當的校準和驗證支援。 ISO 13485:2016針對醫療用途增加了更多規則。它為設計和生產制定了指導方針，同時確保清潔表面不受污染。每個部件都可以從生產到完成全程追溯到每個批次。
品質管理系統追蹤從最初設計到最終交付的每一個環節。現代化的品質管理軟體即時監控供應商的績效，並檢查是否符合法規要求。所有文件均符合FDA和歐洲MDR標準。每個零件在出廠前都經過嚴格的品質檢驗。
從設計到生產的支持
從一開始，您就能獲得工程上的支援。團隊會仔細檢視您的設計，評估其可行性，並提出改進建議。他們會幫助您選擇耐化學腐蝕且能長期保持形狀的材料。及早合作可以避免日後代價高昂的設計變更。
應用和客製化解決方案
這樣的合作夥伴服務於那些對精度和可靠性要求極高的領域。他們的經驗涵蓋了多種不同的實驗室應用。
生命科學、診斷和製藥
診斷設備需要精確的液體處理和流暢的運動控制。藥物研發依賴於每次都以相同的方式處理樣本。這樣的製造商專門生產滿足這些嚴格要求的零件。他們的組件支援自動化工作流程，可以無人操作數小時。每個部件都必須在數千次循環中保持相同的性能。
從原型製作到大量生產
首先製作原型來測試您的設計。然後進行小批量生產，用於臨床試驗或現場測試。隨著需求成長，逐步擴大生產規模。全方位服務的製造商會在每個環節提供支持，無需您更換供應商。自動化工程師可以從最初的想法到最終的生產製造全程與同一團隊合作。這種穩定的合作關係可以降低風險，並加快產品上市速度。
選擇合適的合作夥伴，就能將您的自動化難題轉化為實際的解決方案。這樣的合作夥伴擁有必要的認證、技能和專業知識，能夠提供在關鍵應用中可靠運作的實驗室自動化零件。
您現在已經了解了實驗室自動化部件的完整流程。從機械手臂和液體處理設備到數控加工和品質檢測，每個步驟都至關重要。了解這些部件有助於您做出更明智的決策。您可以找到優秀的設計方案，提出更有針對性的問題，並避免代價高昂的錯誤。
實驗室自動化技術日新月異。每年都有新技術湧現，使系統速度更快、可靠性更高。您的自動化工作流程仰賴各個部件的順暢協作。因此，選擇合適的合作夥伴至關重要。
想想您在自動化方面遇到的問題。哪些方面可以做得更好？一家提供全方位服務的製造商能夠提供從原型製作到大量生產的全套自動化解決方案。他們的技能涵蓋設計、製造和測試。與他們合作，隨著實驗室自動化的發展，您將擁有競爭優勢。準備好打造更佳方案了嗎？
實驗室自動化部件常見問題解答
用於流體通道的材料中，哪些最耐化學腐蝕？
PEEK 和 PTFE 能很好地耐受大多數強效化學品。不銹鋼材質堅固耐用且防鏽。您的選擇取決於零件日常接觸的溶劑種類。光滑、無孔的表面更易於清潔，並能防止不同批次產品之間的交叉污染。
我該如何在CNC加工和3D列印之間做出選擇？
CNC加工適用於需要高精度公差和高強度結構的金屬零件。 3D列印適用於快速製作原型和複雜的塑膠形狀。批量生產應選擇機械加工。如果需要快速測試設計或需要客製化形狀但又不想使用昂貴的模具，則應選擇3D列印。
醫療實驗室設備需要哪些認證？
ISO 13485:2016 涵蓋醫療器材製造，並制定了嚴格的追溯規則。 ISO 9001:2015 適用於通用品質管理系統。 CE 標誌可協助您進入歐洲市場。 UL 認證涵蓋北美電氣安全標準。在開始生產之前，請向您的製造商詢問他們遵循哪些標準。
一個合作夥伴能否同時負責原型製作和全面生產？
是的。全方位服務的製造商會支援每個階段。您可以先用 3D 列印原型測試設計，然後根據需求擴大生產規模，採用注塑成型或 CNC 加工。與單一合作夥伴保持合作，可以確保產品品質穩定，並免去在不同供應商之間傳輸文件的麻煩。
為什麼無塵室組裝對我的零件很重要？
灰塵顆粒會堵塞流體通道並沉積在光學表面。這種污染會破壞測量結果並浪費試劑。潔淨室透過過濾空氣和嚴格的規章制度來控制空氣中的顆粒物。工作人員穿著專用服裝並遵循嚴格的操作步驟。這可以保護敏感元件在到達您的實驗室之前免受污染。
我應該向潛在的製造合作夥伴詢問哪些問題？
詢問他們的品質認證和檢驗方法。索取首件檢驗報告。詢問他們常用的材料。了解他們在診斷或製藥應用方面的經驗。自動化工程師應儘早審核您的設計，以便在模具製造開始前發現生產問題。
實驗室自動化如何減少人為錯誤？
自動化系統能夠重複相同的動作數千次而不會疲勞，並一致地分配精確的液體量。感測器能夠立即檢測到任何偏差。這種可靠性對於科學研究至關重要，因為微小的錯誤都可能浪費昂貴的試劑或毀掉實驗。自動化系統負責處理日常任務，使研究人員能夠專注於分析。
