An die Handhabung hauchdünner Glassubstrate in der Elektronik-Industrie richtet sich nicht nur die Forderung nach hoher Positioniergenauigkeit, die über Kompensationen erzielt werden kann. Vielmehr punktet in einer Lasertrimmzelle für Messumformer die gesamte Bahngenauigkeit des eingesetzten Knickarmroboters Stäubli TX40 dank dessen hochgenauer Getriebe made in Faverges.
Aus der Solar- und weitaus mehr noch aus der Elektronikindustrie ist die Dünnschichttechnologie nicht mehr weg zu denken. Hauchdünne Glassubstrate durchlaufen Beschichtungsprozesse, werden belichtet und vermessen. Leiterbahnen werden geätzt und letztlich per Laser getrimmt. All dies unter Reinraumbedingungen, versteht sich. Das Ergebnis sind hochgenaue, weniger als fingernagelgroße Sensoren und Messumformer, ohne die heute keine Steuerung mehr auskommen könnte. Diese Bauteile gehören zur Kernkompetenz der österreichische E+E Elektronik, einer Tochter der deutschen Dr. Johannes-Heidenhain-Gruppe. Die hochgradige Spezialisierung des Unternehmens in Engerwitzdorf bei Linz spiegelt sich in der Tatsache, dass E+E Elektronik ein staatlich akkreditiertes Kalibrierlabor betreibt und mit der Bereithaltung des Nationalen Standards für Feuchte in Österreich beauftragt ist.
Immer wieder forderte die Großserienproduktion von Messumformern, die unter anderem von der Automobilzulieferindustrie für Luftmassenmesser oder Steuerungen der Klimaautomatik benötigt werden, in den vergangenen Jahren die Steigerung der Produktionskapazitäten. Ein moderner Reinraum bietet die Basis dafür. Zu den jüngst vom firmeninternen Sonderanlagenbau projektierten Anlagen zählt eine voll automatisierte Lasertrimmzelle, in der erstmals ein Knickarmroboter von Stäubli Robotics die Handhabung der hauchdünnen Substrate übernimmt. Vor Allem in punkto Bahngenauigkeit sollte der Wunschroboter den in der Vorgänger-Lasertrimmzelle eingesetzten Roboter deutlich übertreffen. Dies bei möglichst hoher Standdynamik.
Handhabung hauchdünner Glassubstrate Ein Kontakt zum Roboter-Hersteller Stäubli Robotics auf der Automatica 2006 führte letztendlich zum Ziel und zur Investitionsentscheidung. Mit Bravour erfüllt der kleine Standardroboter TX40 mit gekapseltem Armaufbau nach IP67 die hohen Ansprüche der Anlagenbauer. Seit rund sechs Monaten manipuliert der Roboter mit 400 mm Reichweite die nur wenige Zehntel Millimeter dicken Glassubstrate zwischen den Werkstückträgern und der Laserstation.
Der Roboter übertrifft unsere Erwartungen sogar noch", berichtet Werner Aichhorn, Mitglied des Automatisierungsteams bei E+E Elektronik. "Im Vergleich zum japanischen Knickarmroboter der Vorgängeranlage mit sehr viel Spiel in den Getrieben eröffnet uns der Stäubli durch seine sehr hohe Bahngenauigkeit eine neue Dimension. Zum Beispiel die Handhabung der 550 µm starken Substrate. Diese sind wegen der extrem geringen Toleranzen eine Herausforderung für die Handhabung. Der Stäubli meistert diese mit Bravour."
Bei der neuen automatisierten Anlage handelt es sich um die dritte im Eigenbau erstellte Lasertrimmanlage, in der die 2 x 2 Zoll großen, unterschiedlich beschichteten Glassubstrate per Laser vermessen, getrimmt und beschriftet werden. Während die erste, lineare Anlagen-Generation manuell durch jeweils eine Kassette, sprich ein Los mit 25 Subtraten bestückt werden kann, arbeitet in der drei Jahre alten Anlage der zweiten Generation ein Knickarmroboter mehrere linear angeordnete Kassetten ab. Da die aktive Fläche des Substrats keinesfalls berührt werden darf, kommt ein eigenentwickelter Dreifachgreifer zum Einsatz. Die Manipulation von unten erfolgt über Vakuumtechnologie und von oben berührungslos durch einen gemeinsam mit einem österreichischen Kompetenzzentrum entwickelten Spezialgreifer.
Hohe Prozesssicherheit trotz minimaler Toleranzen Ein baugleicher Greifer, auf den Werner Aichhorn und sein Kolllege zurecht stolz sind, kommt auch an der Hand des Stäubli TX40 in der neuen Lasertrimmzelle zum Einsatz. Der kugelförmige Arbeitsbereich des Roboters ermöglicht die optimale Ausnutzung der Roboterzelle. Das Be- und Entladen des Laser-Arbeitsraumes erfolgt aus 18 halbkreisförmig angeordneten Werkstück-Kassetten, die manuell in pneumatische Haltevorrichtungen eingelegt werden. Zur Handhabung der Substrate aus den Kunststoffkassetten werden diese von der Anlage nach dem Prozessstart automatisch in die Senkrechte geschwenkt. Nach einander entnimmt der Roboter auf diese Weise bis zu 450 Substrate und legt diese nach ihrer Vermessung, den Trimmschnitten und gegebenenfalls Beschriftung in die Kassetten zurück. Rund eine Stunde läuft die Anlage bei einer Taktzeit von rund 20 Sekunden somit autark. Eine integrierte optische Vermessung und die automatische Ausschleusung fehlerhafter Teile sichert die Qualität.
Ein optischer Lasersensor an der Roboterhand und eine Justiereinheit im Greifer sichern die Positioniergenauigkeit beim kritischen Einlegen der dünnen Glassubstrate in die Kassettenslots. Je nach Substratstärke von 150 µm, 330 µm oder 550 µm bleiben lediglich wenige Zehntel Millimeter Toleranz. Die besondere Herausforderung bei der Entnahme und beim Einlegen der Substrate liegt in der variablen Geometrie sowohl der Kunststoffkassetten als auch der Substrate. Diese wird durch Vorprozesse verursacht und erfordert vom Roboter eine selbstständige Anpassung an variierende Positionen bei höchster Präzision. Doch gilt es, die zerbrechlichen Substrate auf ihrer Gesamtlänge von zwei Zoll in die engen Slots einzuführen. Die Krux: Bei wenigen Zehntel Millimetern verbleibender Toleranz reicht schon eine winzige Korrektur der Bewegungsbahn, und das Glassubstrat geht zu Bruch.
Ein Muss: Ruhige Hand statt kompensierte Zitterpartie Allein die hohe Positioniergenauigkeit von +/- 0,02 mm reicht also für diese Applikation nicht aus. Dazu Aichhorn: "Auch der Roboter in unserer 2004 gebauten Lasertrimmanlage erzielt am Ende seiner Bahn eine hohe Positioniergenauigkeit. Doch seine Getriebe weisen viel Spiel auf, das von der Steuerung permanent kompensiert wird. Für eine derart zittrige Handhabung reichen die Toleranzen beim Einführen in der Kassetten schlichtweg nicht aus. So konnte der Lasertrimmer der 550 µm-Substrate bisher nicht automatisiert durchgeführt werden. Deshalb stand bei der Wahl des Roboters für die neue Anlage die Bahntreue ganz oben auf unserem Pflichtenheft. Der Stäubli TX40 mit unvergleichlich präzisen Getrieben erfüllt diese Forderung ganz hervorragend."
Jede Substratbewegung beziehungsweise der Status jedes einzelnen Substrats wird zu jedem Zeitpunkt in einer Datenbank gespeichert und im Fehlerfall automatisch als NiO-Teil mit einem vollständigen Fehlerbericht dokumentiert. Über Profibus kommuniziert die Stäubli-Steuerung CS 8C mit der SPS der Serie Q von Mitsubishi und diese via Ethernet über einen Leitrechner mit dem hausinternen Server.
Die Programmierung der Gesamtanlage erfolgte durch Konstrukteur und Programmierer Werner Aichhorn. Dabei gehörte die Integration der Stäubli-Steuerung und das Teachen der Roboterpositionen aus seiner Sicht zur einfachen Kür. Das Basis Know-how hat er in einer einwöchigen Schulung im Haus Stäubli Robotics in Bayreuth erworben und einige Male den telefonischen Support genutzt. Für den Fall der Fälle stünde darüber hinaus das Team von Stäubli im nahen Linz zur Verfügung.
Jede einzelne der 18 Kassetten, die einem Los entspricht, war in der Roboter-Steuerung anzulernen, doch pro Los lediglich die erste und 25. Position. E-EPROMS statt herkömmlicher Pufferbatterien erlauben die intelligente Fortführung der Abläufe etwa nach einer Stromunterbrechnung. "Die Software bietet Features, die das Programmieren angenehm machen", findet Werner Aichhorn. "Nachdem wir zunächst mit dem scheinbar hohen Investitionspreis des TX40 gehadert hatten, sehen wir jetzt, dass das Verhältnis Preis zu Performance bei Stäubli sehr gut ist; zumal die Teachbox inbegriffen ist. Jetzt wissen wir auch, dass die Angaben über Positioniergenauigkeiten die Roboter verschiedener Hersteller noch lange nicht vergleichbar macht. Nach den ersten sechs Monaten Erfahrung steht fest, dass wir für unsere Automatisierungen jetzt den richtigen Roboter-Partner gefunden haben."
Der nächste Stäubli-Roboter des Typs TX60 für eine neue Applikation steht schon im Anlagenbau der E+E Elektronik bereit. Dabei profitieren die Österreicher von den vielfältigen Montagemöglichkeiten an Wand, Boden und Decke. Der Stäubli TX 60 wird kopfüber hängend im Reinraum arbeiten.
Bilder:
<1_Staubli_Laser_xx.jpg> In der neuen Lasertrimmzelle bei E+E Elektronik handhabt ein reinraumfähiger Stäubli TX 40 die 2 x 2 Zoll großen Glassubtrate in die Laserstation und zurück in die Werkstückträger in Form von Kassetten.
<2_Lasertrimmer_Aichhorn.jpg> Werner Aichhorn, zuständig für Automatisierung bei E+E Elektronik, während eines Probelaufes der neuen Lasertrimmzelle im Vor-Reinraum.
<3_TX40_xx.jpg> Mit Bravour erfüllt der kleine Stäubli TX 40 in Standardausführung mit gekapseltem Armaufbau nach IP 67 die hohen Ansprüche der Anlagenbauer.
<4_Substrat_Einfuehr_xx.jpg> Beim Einführen der geometrisch variablen Glassubstrate in die nur einen Millimeter hohen Slots der Kassetten ist keine Korrektur der Roboterbahn mehr erlaubt, ansonsten droht Bruch.
<5_Lasertrimmzelle_ganz.jpg> In der neuen Lasertrimmzelle kommt erstmals bei E+E Elektronik ein Stäubli-Roboter zum Einsatz. Seine ausserordentlich hohe Bahngenauigkeit durch spielfreie Getriebe erschließt jetzt das automatisierte Lasertrimming einer weiteren Substratvariante.
<6_Lasertrimm_Kassetten.jpg> Nach dem Anlagenstart werden bis zu 18 Kassetten mit jeweils 25 Substraten hydraulisch in die Senkrechte geschwenkt - mittendrin der kleine Handhabungsroboter Stäubli TX 40.
Aus der Solar- und weitaus mehr noch aus der Elektronikindustrie ist die Dünnschichttechnologie nicht mehr weg zu denken. Hauchdünne Glassubstrate durchlaufen Beschichtungsprozesse, werden belichtet und vermessen. Leiterbahnen werden geätzt und letztlich per Laser getrimmt. All dies unter Reinraumbedingungen, versteht sich. Das Ergebnis sind hochgenaue, weniger als fingernagelgroße Sensoren und Messumformer, ohne die heute keine Steuerung mehr auskommen könnte. Diese Bauteile gehören zur Kernkompetenz der österreichische E+E Elektronik, einer Tochter der deutschen Dr. Johannes-Heidenhain-Gruppe. Die hochgradige Spezialisierung des Unternehmens in Engerwitzdorf bei Linz spiegelt sich in der Tatsache, dass E+E Elektronik ein staatlich akkreditiertes Kalibrierlabor betreibt und mit der Bereithaltung des Nationalen Standards für Feuchte in Österreich beauftragt ist.
Immer wieder forderte die Großserienproduktion von Messumformern, die unter anderem von der Automobilzulieferindustrie für Luftmassenmesser oder Steuerungen der Klimaautomatik benötigt werden, in den vergangenen Jahren die Steigerung der Produktionskapazitäten. Ein moderner Reinraum bietet die Basis dafür. Zu den jüngst vom firmeninternen Sonderanlagenbau projektierten Anlagen zählt eine voll automatisierte Lasertrimmzelle, in der erstmals ein Knickarmroboter von Stäubli Robotics die Handhabung der hauchdünnen Substrate übernimmt. Vor Allem in punkto Bahngenauigkeit sollte der Wunschroboter den in der Vorgänger-Lasertrimmzelle eingesetzten Roboter deutlich übertreffen. Dies bei möglichst hoher Standdynamik.
Handhabung hauchdünner Glassubstrate Ein Kontakt zum Roboter-Hersteller Stäubli Robotics auf der Automatica 2006 führte letztendlich zum Ziel und zur Investitionsentscheidung. Mit Bravour erfüllt der kleine Standardroboter TX40 mit gekapseltem Armaufbau nach IP67 die hohen Ansprüche der Anlagenbauer. Seit rund sechs Monaten manipuliert der Roboter mit 400 mm Reichweite die nur wenige Zehntel Millimeter dicken Glassubstrate zwischen den Werkstückträgern und der Laserstation.
Der Roboter übertrifft unsere Erwartungen sogar noch", berichtet Werner Aichhorn, Mitglied des Automatisierungsteams bei E+E Elektronik. "Im Vergleich zum japanischen Knickarmroboter der Vorgängeranlage mit sehr viel Spiel in den Getrieben eröffnet uns der Stäubli durch seine sehr hohe Bahngenauigkeit eine neue Dimension. Zum Beispiel die Handhabung der 550 µm starken Substrate. Diese sind wegen der extrem geringen Toleranzen eine Herausforderung für die Handhabung. Der Stäubli meistert diese mit Bravour."
Bei der neuen automatisierten Anlage handelt es sich um die dritte im Eigenbau erstellte Lasertrimmanlage, in der die 2 x 2 Zoll großen, unterschiedlich beschichteten Glassubstrate per Laser vermessen, getrimmt und beschriftet werden. Während die erste, lineare Anlagen-Generation manuell durch jeweils eine Kassette, sprich ein Los mit 25 Subtraten bestückt werden kann, arbeitet in der drei Jahre alten Anlage der zweiten Generation ein Knickarmroboter mehrere linear angeordnete Kassetten ab. Da die aktive Fläche des Substrats keinesfalls berührt werden darf, kommt ein eigenentwickelter Dreifachgreifer zum Einsatz. Die Manipulation von unten erfolgt über Vakuumtechnologie und von oben berührungslos durch einen gemeinsam mit einem österreichischen Kompetenzzentrum entwickelten Spezialgreifer.
Hohe Prozesssicherheit trotz minimaler Toleranzen Ein baugleicher Greifer, auf den Werner Aichhorn und sein Kolllege zurecht stolz sind, kommt auch an der Hand des Stäubli TX40 in der neuen Lasertrimmzelle zum Einsatz. Der kugelförmige Arbeitsbereich des Roboters ermöglicht die optimale Ausnutzung der Roboterzelle. Das Be- und Entladen des Laser-Arbeitsraumes erfolgt aus 18 halbkreisförmig angeordneten Werkstück-Kassetten, die manuell in pneumatische Haltevorrichtungen eingelegt werden. Zur Handhabung der Substrate aus den Kunststoffkassetten werden diese von der Anlage nach dem Prozessstart automatisch in die Senkrechte geschwenkt. Nach einander entnimmt der Roboter auf diese Weise bis zu 450 Substrate und legt diese nach ihrer Vermessung, den Trimmschnitten und gegebenenfalls Beschriftung in die Kassetten zurück. Rund eine Stunde läuft die Anlage bei einer Taktzeit von rund 20 Sekunden somit autark. Eine integrierte optische Vermessung und die automatische Ausschleusung fehlerhafter Teile sichert die Qualität.
Ein optischer Lasersensor an der Roboterhand und eine Justiereinheit im Greifer sichern die Positioniergenauigkeit beim kritischen Einlegen der dünnen Glassubstrate in die Kassettenslots. Je nach Substratstärke von 150 µm, 330 µm oder 550 µm bleiben lediglich wenige Zehntel Millimeter Toleranz. Die besondere Herausforderung bei der Entnahme und beim Einlegen der Substrate liegt in der variablen Geometrie sowohl der Kunststoffkassetten als auch der Substrate. Diese wird durch Vorprozesse verursacht und erfordert vom Roboter eine selbstständige Anpassung an variierende Positionen bei höchster Präzision. Doch gilt es, die zerbrechlichen Substrate auf ihrer Gesamtlänge von zwei Zoll in die engen Slots einzuführen. Die Krux: Bei wenigen Zehntel Millimetern verbleibender Toleranz reicht schon eine winzige Korrektur der Bewegungsbahn, und das Glassubstrat geht zu Bruch.
Ein Muss: Ruhige Hand statt kompensierte Zitterpartie Allein die hohe Positioniergenauigkeit von +/- 0,02 mm reicht also für diese Applikation nicht aus. Dazu Aichhorn: "Auch der Roboter in unserer 2004 gebauten Lasertrimmanlage erzielt am Ende seiner Bahn eine hohe Positioniergenauigkeit. Doch seine Getriebe weisen viel Spiel auf, das von der Steuerung permanent kompensiert wird. Für eine derart zittrige Handhabung reichen die Toleranzen beim Einführen in der Kassetten schlichtweg nicht aus. So konnte der Lasertrimmer der 550 µm-Substrate bisher nicht automatisiert durchgeführt werden. Deshalb stand bei der Wahl des Roboters für die neue Anlage die Bahntreue ganz oben auf unserem Pflichtenheft. Der Stäubli TX40 mit unvergleichlich präzisen Getrieben erfüllt diese Forderung ganz hervorragend."
Jede Substratbewegung beziehungsweise der Status jedes einzelnen Substrats wird zu jedem Zeitpunkt in einer Datenbank gespeichert und im Fehlerfall automatisch als NiO-Teil mit einem vollständigen Fehlerbericht dokumentiert. Über Profibus kommuniziert die Stäubli-Steuerung CS 8C mit der SPS der Serie Q von Mitsubishi und diese via Ethernet über einen Leitrechner mit dem hausinternen Server.
Die Programmierung der Gesamtanlage erfolgte durch Konstrukteur und Programmierer Werner Aichhorn. Dabei gehörte die Integration der Stäubli-Steuerung und das Teachen der Roboterpositionen aus seiner Sicht zur einfachen Kür. Das Basis Know-how hat er in einer einwöchigen Schulung im Haus Stäubli Robotics in Bayreuth erworben und einige Male den telefonischen Support genutzt. Für den Fall der Fälle stünde darüber hinaus das Team von Stäubli im nahen Linz zur Verfügung.
Jede einzelne der 18 Kassetten, die einem Los entspricht, war in der Roboter-Steuerung anzulernen, doch pro Los lediglich die erste und 25. Position. E-EPROMS statt herkömmlicher Pufferbatterien erlauben die intelligente Fortführung der Abläufe etwa nach einer Stromunterbrechnung. "Die Software bietet Features, die das Programmieren angenehm machen", findet Werner Aichhorn. "Nachdem wir zunächst mit dem scheinbar hohen Investitionspreis des TX40 gehadert hatten, sehen wir jetzt, dass das Verhältnis Preis zu Performance bei Stäubli sehr gut ist; zumal die Teachbox inbegriffen ist. Jetzt wissen wir auch, dass die Angaben über Positioniergenauigkeiten die Roboter verschiedener Hersteller noch lange nicht vergleichbar macht. Nach den ersten sechs Monaten Erfahrung steht fest, dass wir für unsere Automatisierungen jetzt den richtigen Roboter-Partner gefunden haben."
Der nächste Stäubli-Roboter des Typs TX60 für eine neue Applikation steht schon im Anlagenbau der E+E Elektronik bereit. Dabei profitieren die Österreicher von den vielfältigen Montagemöglichkeiten an Wand, Boden und Decke. Der Stäubli TX 60 wird kopfüber hängend im Reinraum arbeiten.
Bilder:
<1_Staubli_Laser_xx.jpg> In der neuen Lasertrimmzelle bei E+E Elektronik handhabt ein reinraumfähiger Stäubli TX 40 die 2 x 2 Zoll großen Glassubtrate in die Laserstation und zurück in die Werkstückträger in Form von Kassetten.
<2_Lasertrimmer_Aichhorn.jpg> Werner Aichhorn, zuständig für Automatisierung bei E+E Elektronik, während eines Probelaufes der neuen Lasertrimmzelle im Vor-Reinraum.
<3_TX40_xx.jpg> Mit Bravour erfüllt der kleine Stäubli TX 40 in Standardausführung mit gekapseltem Armaufbau nach IP 67 die hohen Ansprüche der Anlagenbauer.
<4_Substrat_Einfuehr_xx.jpg> Beim Einführen der geometrisch variablen Glassubstrate in die nur einen Millimeter hohen Slots der Kassetten ist keine Korrektur der Roboterbahn mehr erlaubt, ansonsten droht Bruch.
<5_Lasertrimmzelle_ganz.jpg> In der neuen Lasertrimmzelle kommt erstmals bei E+E Elektronik ein Stäubli-Roboter zum Einsatz. Seine ausserordentlich hohe Bahngenauigkeit durch spielfreie Getriebe erschließt jetzt das automatisierte Lasertrimming einer weiteren Substratvariante.
<6_Lasertrimm_Kassetten.jpg> Nach dem Anlagenstart werden bis zu 18 Kassetten mit jeweils 25 Substraten hydraulisch in die Senkrechte geschwenkt - mittendrin der kleine Handhabungsroboter Stäubli TX 40.
