Mit den Ethercat-Steckmodulen der EJ-Serie lässt  sich in Kombination mit dem passenden   Signal-Distribution-Board eine anwendungs- spezifische I/O-Ebene realisieren. Beckhoff Automation

Mit den Ethercat-Steckmodulen der EJ-Serie lässt sich in Kombination mit dem passenden Signal-Distribution-Board eine anwendungsspezifische I/O-Ebene realisieren. Beckhoff Automation

Zum Einsatz kommen die kompakten I/O-Module der EJ-Serie in der aktuellen Generation des Die-Sorting-Systems DS Merlin des Sondermaschinenbauers. Die Maschine für das vollautomatische Handling von ungehäusten Mikrochips (Dies) verarbeitet nun bis zu 30.000 Dies pro Stunde – inklusive einer vollständigen optischen Inspektion auf eventuelle Beschädigungen. Zum Vergleich: Die Vorgänger-Generation schaffte einen Durchsatz von 20000 Chips/Stunde. Neben der Durchsatzsteigerung von 50 %, einer vereinfachten Maschineneinrichtung und -bedienung sowie dem verbesserten Wafer-Handling konnten die Entwickler des Maschinenbauers zudem die Kosten um 20 % senken. „Hierzu hat auch die Standardisierung der I/O-Ebene mit den Ethercat-Steckmodulen beigetragen“, erläutert Martin Dimpfl, Leiter Electronic Engineering im Unternehmensbereich Automation. Die Module sorgen beispielsweise für eine zeit- und fehlerminimierte Produktion der Anlagen, mithin für reduzierte Herstellungskosten und verkürzte Lieferzeiten. Das verschafft dem Sondermaschinenbauer mit Sitz in Roding, der auch Maschinen für die Halbleiter-Endfertigung, zur RFID- und Tag-Herstellung, zur ID-Karten- und Pass-Produktion sowie komplexen Inspektionsanlagen herstellt, nicht nur einen hohen Standardisierungsgrad, sondern einen deutlichen Wettbewerbsvorteil.

Die DS Merlin kann Mikrochips bis zu einer Größe von 0,2 x 0,4 mm und einer Dicke von 80 µm mit höchster Präzision und Geschwindigkeit verarbeiten. Dazu wird der jeweilige Wafer vermessen und die Platzierung beziehungsweise Größe der einzelnen Chips erfasst. Anschließend korrigiert die Maschine automatisch die Übergabe der Halbleiter-Bausteine an die einzelnen Pick-and-Place-Einheiten. Dazu Martin Dimpfl: „Bislang musste all das vom Maschinenbediener selbst per Teach-in umgesetzt werden. Dieser Aufwand entfällt nun komplett.“

Modul-Konzept unterstützt modularen und kompakten Aufbau

Die zahlreichen und komplexen Prozessabläufe konnten bei der DS Merlin in einem minimalen Bauvolumen umgesetzt werden.

Die zahlreichen und komplexen Prozessabläufe konnten bei der DS Merlin in einem minimalen Bauvolumen umgesetzt werden. Beckhoff Automation

Der Die-Sortierer besteht aus verschiedenen Funktionsmodulen: Ein automatischer Wafer-Wechsler transportiert zunächst den Wafer auf den Wafer-Tisch und die abgearbeiteten Halbleiterscheiben zurück in die Wafer-Kassette. Der Wafer-Tisch expandiert, rotiert und positioniert den Wafer so, dass die folgende Chip-Entnahmeeinheit (Die-Ejector) die einzelnen Mikrochips auf das obere von zwei Inspektionsrädern übergeben kann. Dort wird die Wafer-Folie mittels Vakuum rund um die Die-Ejector-Nadel in Position gehalten. An den beiden Inspektions­rädern werden alle sechs Seiten der Mikrochips zu 100 Prozent geprüft. Anschließend positioniert, transportiert und verschließt ein Zählmodul das Gurtband mit den darin abgelegten Chips mit einem  Abdeckband und führt abschließende Inspektionen durch. Nach Erreichen der gewünschten Stückzahl wird das Gurtband abgeschnitten.

„Diesen komplexen Maschinenablauf haben wir hoch modular und kompakt aufgebaut“, so Martin Dimpfl. Beispielsweise sind in der DS Merlin vier unterschiedliche Signal-Distribution-Boards mit den Ethercat-Steckmodulen im Einsatz. Der Grund für die Einführung dieses I/O-Konzepts war in erster Linie der deutlich reduzierte Verdrahtungsaufwand. „Dies wirkt sich sehr positiv auf die Fehlerreduzierung und vor allem auf die Herstellungskosten und -zeit aus“, betont Dimpfl.

I/O-Module verteilt auf vier Signal-Boards verteilt

Ethercat-Steck- module der EJ-Serie sind abgeleitet aus den diversen Funk- tionsmodulen der klassischen Hutschinen module, bauen aber wesent- lich kompakter. Beckhoff Automation

Ethercat-Steckmodule der EJ-Serie sind abgeleitet aus den diversen Funktionsmodulen der klassischen Hutschinen module, bauen aber wesentlich kompakter. Beckhoff Automation

Die vier Signal-Distribution-Boards sind genau auf die Anforderungen der Maschine abgestimmt und gehen über die reine I/O-Signalverteilung deutlich hinaus. Denn neben den EJ-Modulen wurden auch die Servoverstärker für Keramik- und Piezomotoren, Blitzlicht-Controller und die Logik für die Vision-Anwendungen sowie die komplette 24/48-V-Spannungsverteilung beim Design der Boards berücksichtigt. Insgesamt kommen 26 Steckmodule zum Einsatz, mit digitalen und analogen Ein-/Ausgängen sowie als Inkremental-Encoder-Interface, Schrittmotormodul und Netzteil der Busversorgung. „Unser Ziel war, eine minimale Verdrahtung innerhalb der Maschine zu realisieren und das Signal-Distribution-Board so nah wie möglich an den jeweiligen Baugruppen zu platzieren“, stellt Dimpfl heraus. Zudem entsteht eine kompakte Bauweise und es lassen sich schon in der Baugruppenvormontage die komplette Verdrahtung und die Prüfung der Einheit vornehmen. Das Ergebnis sind optimierte Zeiten für Test, Fertigung und Inbetriebnahme.

Einen großen Vorteil sieht Martin Dimpfl auch in der Breite und Durchgängigkeit der PC-basierten Steuerungstechnik: „Für jeden Maschinenprozess steht praktisch die geeignete Steuerungslösung zur Verfügung.“ Die Ethercat-Steckmodule bieten in diesem Zusammenhang neben dem Zeitgewinn und der Fehlerreduzierung einen weiteren Vorteil: Da Dimpfl für die Kommunikation durchgängig Ethercat nutzt, lassen sich problemlos auch alle anderen Ethercat-Klemmen und andere Komponenten nutzen. Das erhöht die Flexibilität immens, da sich auf diese Weise ausgehend von der Basis-Maschine zusätzliche Kundenanforderungen – zum Beispiel spezielle Sensorik oder besondere Testsysteme – schnell und ohne großen Aufwand umsetzen lassen.

Flexibilität bietet das EJ-System auch hinsichtlich der anwendungsspezifischen Entwicklung. So kann das Signal-Distribution-Board entweder selbst oder als Dienstleistung von Beckhoff oder einem Drittunternehmen konzipiert und gefertigt werden. Da der Maschinenbauer über eine eigene Elektronikentwicklung verfügt, hat sich Mühlbauer für die erste Variante entschieden. „Zumal wir eine optimale Unterstützung durch Beckhoff hatten, beispielsweise mit dem umfassenden Design-Guide für die Steckmodulen“, erklärt Dimpfl.

Konzept-Vorteile greifen bereits bei Kleinserien

Martin Dimpfl, Leiter  Electronic Enginee- ring im Mühlbauer- Unternehmensbe- reich Automation,  (rechts) zeigt Martin  Bauer (Beckhoff Re- gensburg) eines der  vier Signal-Distributi- on-Boards mit den  Steckmodulen: „Wir  werden sukzessive   alle Maschinen ab  Stückzahl 10 pro Jahr  auf die EJ-Klemmen  umrüsten. Beckhoff Automation

Martin Dimpfl, Leiter Electronic Engineering im Mühlbauer-Unternehmensbereich Automation, (rechts) zeigt Martin Bauer (Beckhoff Regensburg) eines der vier Signal-Distribution-Boards mit den Steckmodulen: „Wir werden sukzessive alle Maschinen ab Stückzahl 10 pro Jahr auf die EJ-Klemmen umrüsten. Beckhoff Automation

Für Dimpfl steht im Bereich des Sondermaschinenbaus ein modulares System außer Frage. Denn nur so ist die notwendige Standardisierung möglich, um Grundbaugruppen effizient in verschiedenen Maschinentypen einsetzen und auf eine komplette Neukonstruktion bei jeder Maschine verzichten zu können. Dazu Dimpfl: „Nach unserer Kalkulation rechnet sich der Einsatz der Ethercat-Steckmodule, inklusive der Entwicklung des Signal-Distribution-Boards, bereits für eine Kleinserie von etwa zehn Maschinen pro Jahr.“ Da die Boards vorab vollständig auf ihre Funktion hin getestet wurden, erreichen wir eine enorme Fehlerreduzierung in der Montage sowie eine reibungslose Inbetriebnahme. Dies führt zu der hohen Zeitersparnis von rund 100 Stunden Montagezeit bei der DS Merlin plus der bislang angefallenen Zeiten für Fehlersuche und –beseitigung. „Dementsprechend werden wir künftig sukzessive alle geeigneten Maschinentypen unseres über 200 Anlagen umfassenden Portfolios ab zehn Maschinen jährlich auf das EJ-System von Beckhoff umstellen“, so Dimpfl.

Hannover Messe 2018: Halle 9, Stand F06