Nowy sposób interakcji człowiek-maszyna w czystym pomieszczeniu

Cobots wkraczają do czystych pokoi przemysłu elektronicznego. W produkcji półprzewodników wyróżniają się niezawodnością oraz najwyższymi standardami jakości.

Die empfindlichen Siliziumwafer können zusammen pro Kassette den Wert eines Mittelklassewagens haben. / Każda pełna kaseta z wrażliwymi waflami krzemowymi może mieć wartość samochodu klasy średniej.

Roboter im Reinraum transportieren schwarze Kassetten voller Silizium-Wafer zu den einzelnen Bearbeitungsschritten.

KUKA robot umieszcza wafle krzemowe w komorze obróbki z precyzją milimetrową.

W Infineon w Villach w Austrii używanych jest 17 robotów do czystych pomieszczeń typu LBR iiwa CR.

Aby produkcja była opłacalna, Infineon musi zawsze znaleźć odpowiednią równowagę między tym, co możliwe, a tym, co rozsądne.

L'osobowy LBR iiwa CR nie wymaga ogrodzenia bezpieczeństwa podczas obsługi wafli.

Lisa Ebner hat die Integration der Reinraum-Roboter in den automatisierten Produktionsprozess von Anfang an mitbetreut. / Lisa Ebner była od samego początku zaangażowana w integrację robotów do czystego pomieszczenia w zautomatyzowany proces produkcyjny

Koboty podnoszą automatyzację w czystym pomieszczeniu na nowy poziom. W produkcji mikrogrubościowych chipów, w Infineon w Villach, 17 czułych lekkich robotów KUKA zapewnia bezpieczną współpracę człowieka i maszyny, zwiększając wydajność i bezpieczeństwo przy produkcji równie cennych, co bardzo kruchych wafli.

Nie, te krzemowe płyty nie są naprawdę produktami kolaboracyjnymi: z grubością do 40 mikrometrów, wiele wafli jest cieńszych niż włos, a jednocześnie mają średnicę od 150 do 300 milimetrów, co zbliża się do wielkości pizzy. To bardzo krucha sprawa, której nie można i nie chce się trzymać w rękach, nawet w ochronnej kasetce. Aby z tych delikatnych krążków, które razem w jednej kasetce mogą mieć wartość równą samochodowi klasy średniej, powstały chipy, muszą przejść do 1200 etapów procesu. I za każdym razem być transportowane do innej zautomatyzowanej stacji obróbki. To wyraźny przypadek na zastosowanie robota.

W lokalizacji Infineon w Villach produkuje się takie półprzewodniki, które na przykład w samochodach, smartfonach, lodówkach czy farmach serwerowych i jednostkach napędowych lokomotyw są wykorzystywane. W minionym roku obrotowym 2020 Infineon Austria, spółka zależna niemieckiego Infineon Technologies AG, dostarczyła 8,45 miliarda chipów i osiągnęła przychód w wysokości 3,1 miliarda euro. To czysta technologia przyszłości, co odzwierciedla nakład badań w wysokości 498 milionów euro, czyniąc firmę jednym z najbardziej innowacyjnych przedsiębiorstw w Austrii.

Czystsze niż w sali operacyjnej

W hali 17 fabryki w Villach Infineon produkuje chipy na delikatnych waflach cienkowarstwowych w czystym pomieszczeniu kategorii 1. Oznacza to, że w 28 litrach powietrza nie może znajdować się więcej niż jeden pyłek. To znacznie mniej niż w sali operacyjnej. Dla porównania: w tak zwanym szczególnie czystym powietrzu górskim w tym samym objętości znajduje się około 100 000 cząstek. Dla pracowników oznacza to: dostęp tylko w specjalnych, białych kombinezonach ochronnych, przez specjalną bramę powietrzną. Skóra i włosy muszą być całkowicie zakryte, aby żadna łuska nie mogła się przedostać na zewnątrz. Pozostaje tylko mała szczelina na widok. Laptopy i inne urządzenia techniczne muszą przejść wcześniejszą dokładną dezynfekcję. Nawet długopisy i papier do notatek to specjalnie wykonane, wolne od cząstek produkty.

„Musimy bardzo dokładnie rozważyć, jaką technikę transportu zastosować w tych wyjątkowo wrażliwych warunkach produkcyjnych dla naszych wafli cienkowarstwowych,” wyjaśnia Martin Moser, kierownik zespołu ds. automatyzacji w dziale AMHS (Automated Material Handling System) w Infineon Technologies Austria w Villach. „Ponieważ w produkcji wafli poruszają się różne mobilne jednostki i zawsze także ludzie, do zastosowania robotów nadają się tylko systemy, które są ekstremalnie czułe na bezpieczną współpracę człowieka i maszyn. I to bez osłon ochronnych.”

Ręka w rękę z partnerami systemowymi

„Podczas poszukiwań tego rozwiązania zwróciliśmy uwagę na lekkie roboty KUKA na targach Automatica,” relacjonuje inżynier rozwojowy. „Dostosowanie ich do bardzo specjalnych wymagań w czystym pomieszczeniu zgodnie z ISO3 było niezwykle intensywnym procesem nauki, podczas którego eksperci od automatyzacji z Infineon pracowali ramię w ramię ze swoimi partnerami systemowymi. Oprócz KUKA byli to głównie eksperci z Mechatronic Systemtechnik GmbH od montażu, okablowania i budowy w produkcji oraz programiści z Micado Automation GmbH od sterowania urządzeniami.”

„Wówczas nie mieliśmy gotowego schematu dla mobilnego zastosowania robotów w produkcji półprzewodników. Razem dopracowaliśmy systemy dokładnie do naszych potrzeb. To była prawdziwa pionierska praca, zarówno dla nas, jak i dla KUKA,” relacjonuje Moser. „Do tego należało uczynić roboty lekkie i czystościowe. To było także dla robotów KUKA „nowe terytorium”. „Konstrukcyjna, rozwiązaniowa współpraca wszystkich zaangażowanych znacząco przyczyniła się do tego, że mamy teraz idealne rozwiązanie transportowe dla naszej zautomatyzowanej produkcji chipów,” dodaje Moser.

Obecnie w kilku czystych pomieszczeniach pracuje 17 robotów LBR iiwa – przez całą dobę, 365 dni w roku. „Są niezwykle ruchliwe, mogą unieść do 14 kilogramów, pracują bez drgań i z użyciem chwytaka wykonują precyzyjne prace nawet w najbardziej ograniczonych przestrzeniach,” wyjaśnia Moser, podkreślając zalety „robisów”. Szczególnie ich dodatkowa, siódma oś pozwala na wykonywanie precyzyjnych i zakręconych ruchów, które „konwencjonalnym” robotom 6-osiowym są nieosiągalne.

Perfekcja w pracy na milimetr

W ten sposób cicho szumiące czarne kasety pełne cennych krzemowych płytek są transportowane do kolejnych etapów obróbki, precyzyjnie wprowadzane do odpowiednich komór i następnie odbierane. Mobilne roboty do obsługi materiałów współpracują ściśle z systemem overhead hoist transport, krótko OHT. Zawieszone na szynach pod niemal pięciometrowym sufitem, unoszą się jak prowadzone przez duchy do poszczególnych stacji, gdzie są opuszczane za pomocą mechanizmu pasowego. Tam są przejmowane przez jednego z robotów LBR iiwa i transportowane do kolejnego etapu obróbki.

„Od początku chcieliśmy mieć dopasowane rozwiązanie dla naszej produkcji w Villach. Innego nie braliśmy pod uwagę,” wyjaśnia Moser. „Integrację systemów przejęliśmy sami. Bardzo ważny był dla nas bezpośredni kontakt z inżynierami KUKA – zwłaszcza w kwestii, jak zorganizować cały system i jak będzie się on dalej „uczył”.”

W odpowiedniej równowadze między tym, co możliwe, a tym, co konieczne

W zespole Martina Mosera od początku współpracuje Lisa Ebner, która nadzoruje integrację robotów w zautomatyzowanym procesie produkcji wafli. Od siedmiu lat jest częścią firmy i jako ekspertka zajmuje się systemami obsługi. Lisa Ebner jest prawdziwą fanką mobilnych robotów: „Kiedy pierwszy raz zobaczyłam LBR iiwa, jeszcze jako operator, od razu byłam zafascynowana: mogłabym godzinami patrzeć na te miękkie, harmonijne ruchy – to czysta przyjemność techniczna.”

Godziny oglądania? Trudno uwierzyć. Bo ta ekspertka od automatyzacji, która przy okazji studiuje mechatronikę, inżynierię systemową i zarządzanie, jest niemal zbyt energiczna. Ciągle jest w liniach produkcyjnych, sprawdza systemy na stanowiskach i szuka kolejnych możliwości udoskonalenia produkcji. „Podczas optymalizacji musimy znaleźć właściwą równowagę między tym, co jest technicznie i fizycznie możliwe, a tym, co ma sens dla naszych celów produkcyjnych. Im bliżej osiągnięcia 100 procent perfekcji, tym wyższa złożoność i liczba punktów styku. Musimy zawsze znaleźć odpowiedni poziom dla efektywnej produkcji.”

Postęp w nauce na rzecz przyszłości półprzewodników

Zespół automatyzacji w Villach wyraźnie zmierza w dobrym kierunku. „Wszystko, czego się teraz uczymy, przybliża nas do kolejnego poziomu automatyzacji w produkcji półprzewodników,” mówi Bernd Steiner, kierownik produkcji w Infineon Austria w Villach.

A czas w Karyntii goni. Obok istniejących hal produkcyjnych powstaje już nowa, w pełni zautomatyzowana fabryka chipów. Infineon ma ambitne plany: firma zainwestowała 1,6 miliarda euro w swoją lokalizację w Villach, realizując największą prywatną inwestycję w Austrii. Do końca 2021 roku w tym miejscu mają być produkowane w pełni zautomatyzowane półprzewodniki. „Naszym celem jest, aby w Smart Factory moc produkcyjną precyzyjnie kierować tam, gdzie jest potrzebna,” wyjaśnia Steiner. „Dla energooszczędnych chipów przyszłości, które będą wykorzystywane w wielu codziennych urządzeniach, takich jak smartfony, sprzęt AGD, samochody, a także w serwerach danych, urządzeniach medycznych, instalacjach solarnych i przemysłowych. Aby uczynić nasze życie prostszym, bezpieczniejszym i bardziej przyjaznym dla środowiska.”