Harmonizacja systemów sterowania w produkcji mikroelektroniki metodą druku 3D

Druk 3D w mikroelektronice – harmonizacja oprogramowania na platformie Beckhoff

W Holst Centre w Eindhoven, wspólnym przedsięwzięciu organizacji TNO i imec, powstaje obiekt badawczy dedykowany rozwojowi procesów druku 3D dla mikroelektroniki. Firma In Time Tec Europe otrzymała zlecenie optymalizacji technologii sterowania i ujednolicenia oprogramowania na platformie Beckhoff, co zaowocowało wieloletnią współpracą łączącą kompetencje z obszarów OT i IT.

Od rozproszonych interfejsów do jednego systemu sterowania

Punkt wyjścia do szerszej współpracy stanowił projekt proof of concept dla narzędzia laserowego transferu (LDT). Celem było przeniesienie algorytmów z oprogramowania MATLAB® na sterownik PLC na potrzeby sterowania maszyną. Platforma Beckhoff została wybrana ze względu na otwartą architekturę, kontroler oparty na komputerze PC oraz możliwość programowania w językach C++ i Structured Text, co jest zbliżone do standardów stosowanych w branży IT. Oprogramowanie zostało zaadaptowane do pracy w konfiguracji z kontrolerem nadrzędnym i kontrolerami podrzędnymi.

Równolegle w Holst Centre eksploatowano drugie narzędzie deweloperskie, które opierało się na infrastrukturze Beckhoff, lecz jego poszczególne komponenty – w tym wysokorozdzielczy projektor UV oraz narzędzie do wyrównywania – działały w oparciu o odrębne oprogramowanie. Badacze zmuszeni byli do obsługi nawet pięciu różnych okien systemowych jednocześnie, co stanowiło poważne utrudnienie pracy. Na podstawie pozytywnych doświadczeń z projektem LDT zlecono In Time Tec harmonizację wszystkich kontrolerów na platformie Beckhoff, tak aby całym systemem można było zarządzać z poziomu jednego interfejsu.

Prace realizowane przez ostatnie dwa lata obejmowały wspólne zdefiniowanie procesu produkcyjnego i doświadczeń użytkownika. Zespół TNO odpowiadał za oprogramowanie głównego procesu drukowania, natomiast In Time Tec zajęła się automatyzacją wyższego poziomu, w tym komunikacją między komponentami. Użytkownicy mogą obecnie zlecać drukowanie bez konieczności każdorazowego modyfikowania oprogramowania, co pozwala im skupić się na doskonaleniu samego procesu.

Integracja kompetencji OT i IT

Model współpracy zakładał oddelegowanie przedstawiciela In Time Tec bezpośrednio do Holst Centre, gdzie pełniła ona funkcję łącznika między badaczami TNO a zespołem programistów. Właściwe prace programistyczne prowadzone były przez zespół In Time Tec w Indiach, a testy i walidacja odbywały się na miejscu w Eindhoven – w trybie iteracyjnym.

Efektem tej współpracy było uzyskanie przez In Time Tec statusu certyfikowanego dostawcy rozwiązań Beckhoff. Firma specjalizuje się w automatyce przemysłowej, projektowaniu interfejsów HMI, sterowaniu opartym na przetwarzaniu obrazu, inżynierii chmurowej, łączności IoT oraz cyberbezpieczeństwie. Jak wskazuje Stijn de Bruin, kierownik oddziału Beckhoff w Eindhoven, maszyny przestają działać w izolacji i coraz częściej są integrowane z chmurą, co tworzy zapotrzebowanie na dostawców łączących kompetencje operacyjne z wiedzą technologii informatycznych. In Time Tec, wywodząca się ze środowiska IT, uzupełnia tym samym ofertę typowych dostawców OT zakorzenionych w tradycyjnej automatyce.

Obaj partnerzy przygotowują wspólnie moduł demonstracyjny dla koncepcji Fabryki Przyszłości na terenie kampusu Brainport Industries Campus (BIC). Projekt ten ma obrazować synergię sprzętu Beckhoff i oprogramowania In Time Tec v kontekście wymagań Przemysłu 4.0 i 5.0, gdzie sterowanie procesami oparte na danych i wspierane przez sztuczną inteligencję staje się standardem w środowiskach mobilnych, internetowych i chmurowych.

Automatyzacja jako źródło innowacji technicznych

Wdrożone rozwiązania przyniosły wymierne efekty techniczne. W przypadku narzędzia LDT opracowano funkcję automatycznego wykrywania znaczników referencyjnych (fiducial detection). Wcześniej operator był w stanie uzyskać dokładność wyrównywania płytek drukowanych na poziomie 60–80 µm w żmudnym procesie ręcznym. Po zautomatyzowaniu tego procesu z wykorzystaniem kamery dokładność wzrosła do poziomu 30–50 µm przy jednym naciśnięciu przycisku.

W przypadku drukarki 3D priorytety obejmowały zwiększenie szybkości przepustowości, poprawę powtarzalności oraz eliminację błędów ludzkich. Wyzwaniem okazała się niekompatybilność oprogramowania do obsługi kamery – kamera Beckhoff Vision nie była wówczas jeszcze dostępna rynkowo. Problem ten został rozwiązany z zastosowaniem rozproszonego zegara opartego na protokole EtherCAT, co było niezbędne ze względu na krytyczny czasowo charakter operacji przetwarzania obrazu.