Teil 1: Vollautomatisiert Fertigteile ernten

Autor: Ing. Robert Fraunberger / x-technik

Der erste Weltmarktführer den wir besucht haben, ist die EV Group. Sie ist führend in der Herstellung von Präzisionsanlagen für die Mikro- und Nanostrukturierung sowie Verbindungstechniken von Halbleitermaterialien und bietet damit komplette Prozesslösungen für die Bereiche Mikrosystemtechnik, Luft- und Raumfahrt, Bio- und Nanotechnologie sowie Kommunikations- und Informationstechnologie.

Rund 480 Mitarbeiter (global: 580) am Hauptsitz St. Florian am Inn (OÖ) stellen Anlagen für so namhafte Unternehmen wie Infineon, Bosch, Toshiba, Lexmark, Motorala, IBM, General Motors oder zahlreiche Smartphonehersteller her, auf denen verschiedene Prozesse zur Herstellung von intelligenten, miniaturisierten Systemen und Bauteilen ausgeführt werden. „Die Basis unseres Erfolgs sind unsere Produkte: Lithographie, Wafer-Bonding-, Imprint- und Metrologie-Systeme. Wir dominieren den Markt für alle Arten von Waferbond-Anlagen und sind Markt- und Technologieführer im Bereich Lithographie und Nanoimprint -Lithographie“, erklärt Herbert Tiefenböck, Fertigungsleiter bei der EV Group.

Um diese Marktstellung erreichen zu können, bedarf es eines ausgereiften Prozesswissens. „Bei der Herstellung von Bauteilen bzw. Mikrochips beispielsweise im Druck-Bond-Verfahren (Anm.: damit werden mehrere Siliziumwafer miteinander verbunden) werden die einzelnen Lagen zuerst mit 10 Tonnen Presskraft zusammengedrückt und dann mit bis zu 550 Grad behandelt. Die bereits in den Lagen vorhandenen Leiterbahnen verlaufen aber mit Abständen im µ-Bereich bzw. zum Teil auch darunter. (Anm.: Als Vergleich kann man das Straßennetz der Stadt Wien heranziehen, dass auf einem zirka 1 x 1 cm großen Wafer Platz hätte). Trotz des hohen Drucks und der hohen Temperatur müssen die Leiterbahnen und andere mikroskopisch kleine Strukturen in den einzelnen Lagen unverändert bleiben und genau aufeinander liegen“, gewährt Herbert Tiefenböck einen Einblick in die enormen Herausforderungen, die bei der Herstellung von intelligenten, miniaturisierten Systemen und Bauteilen zum Tragen kommen.

Automatisierung von wiederkehrenden Teilen ab Los 1

Prozesswissen alleine reicht aber nicht aus, auch die Herstellung der Anlagen muss wirtschaftlich gestaltet werden. So fertigt man rund 60 Prozent der mechanischen Komponenten (zumeist Know-how-Teile) im Haus – 40 Prozent werden über Zulieferer abgedeckt. Dabei hat man es mit den unterschiedlichsten Materialien zu tun: Hochfestes Aluminium (mit 60 Prozent der größte Anteil), rostfreier Stahl, verschiedene Kunststoffe, Titan oder glasfaserverstärkte Materialien. Die Anforderungen an Genauigkeiten sind mit Ebenheitstoleranzen bis 1 µ und Passungen bis H5 entsprechend ausgeprägt.

Da die Anlagen der EV Group alle samt kundenspezifisch sind, hat man es in der Zerspanung entweder mit Einzelteilen oder Prototypen bzw. wiederkehrenden Teilen ab Losgröße 1 zu tun – Kleinstserien sind da schon die Ausnahme. Diese Tatsache macht ein wirtschaftliches Automatisierungskonzept nicht gerade einfach wie der Fertigungsleiter berichtet: „Unsere Ausgangssituation für eine intelligente Automatisierungslösung erforderte vollstes Engagement der eigenen Mitarbeiter und letztendlich die richtigen Partner.“ Daher, so Tiefenböck, setzt man seit 2006 als Maschinen- und Automatisierungspartner voll und ganz auf die Berthold Hermle AG.

Zerspanungskonzept auf neue Beine gestellt

Aufgrund des ausgezeichneten Firmenwachstums hat man sich 2006 zum Neubau der kompletten mechanischen Fertigung entschlossen und Herbert Tiefenböck nützte das, um seine Vision der Automatisierung von wiederkehrenden Teilen ab Losgröße 1 umzusetzen. „Bereits 1998 interessierte ich mich für Maschinen von Hermle, schließlich haben wir 2006 in eine C 20 und eine C 1200 investiert. Bei dem Umzug in die neue Fertigungshalle im Jahr 2007 nahmen wir dann nicht nur die beiden Bearbeitungszentren sondern auch die Erfahrung von einem Jahr „Hermle“ mit. Auf die Frage, was ihm besonders an Hermle gefällt, kamen zwei wichtige Punkte zum Vorschein: „Zum einen ist das Hermle-Produktprogramm passend für unser Teilespektrum und die Lauf- und Lagegenauigkeit der Bearbeitungszentren besser als bei vielen anderen im Markt. Zum anderen macht Hermle in puncto Genauigkeit bei individuellen Lösungen keine Kompromisse“, und er ergänzt: „Da sich neben den Maschinen auch der Service als sehr zufriedenstellend darstellte, war für mich der eingeschlagene Weg, mein Automatisierungskonzept mit Hermle umzusetzen, der richtige.“

Heute fertigt man bei der EV Group unter anderem auf 10 Bearbeitungszentren von Hermle. Einzelteile und Prototypen werden auf einer C 1200, zwei C 30, zwei C 40 und einer C 42 UMT (mit Drehfunktionalität) hergestellt. Ebenfalls Einzelteile und Kleinserien werden auf drei C 20 jedoch automatisiert mit jeweils einem Palettenlader IH 100 zerspant. Die im Vorspann versprochene außergewöhnliche Lösung wird mit einer C 30, ausgerüstet mit einem großen Werkzeugmagazin von 119 Werkzeugen, angedockt an das Robotersystem RS 2 realisiert, auf der vollautomatisch Tag und Nacht wiederkehrende Einzelteile bis zu einem Kubus von 200 mm gefertigt werden. (Anm.: Eine zweite C 30 wird in Kürze in die Anlage integriert, da das Robotersystem RS 2 bis zu drei Maschinen bei einem Transfergewicht von 180 kg bedienen kann.)

Robotersystem RS 2: Die Lösung liegt im Detail

Zumeist werden ja mit Robotern fertige Paletten in Bearbeitungszentren geladen. Nicht jedoch bei der EV Group. Dort belädt ein Roboter Rohteile direkt in die Maschine. Diese befinden sich auf einer Matrize, von wo der Roboter – ausgerüstet mit einem speziellen Greifer – die Rohteile direkt in eine spezielle Spannvorrichtung legt. Dieses Sonderspannmittel (Anm.: eine von der EV Group patentierte Lösung, welche gemeinsam mit Röhm entwickelt wurde) nimmt über einen im Maschinentisch integrierten Antrieb das Bauteil automatisch auf und bestimmt den nötigen Schließdruck. Gesteuert wird das System über einen Leitrechner, der auch das jeweilige Programm in die Maschine lädt.

Jetzt mag man kurzfristig denken, dass aufgrund so vieler unterschiedlicher Teile auch ebenso viele verschiedene Spannvorrichtungen nötig sind. Nein ¬– bei der EV Group hat man lediglich sieben dieser speziellen Spannsysteme in Einsatz. Ermöglicht wird dies durch einen standardisierten Zuschnitt der Rohteile. „Dadurch haben wir nur wenige Rohteilvarianten und kommen mit wenigen Matrizen aus. Darin liegen oft 50 gleiche Rohteile aus denen oft 50 verschiedene Fertigteile hergestellt werden“, ergänzt Wolfgang Tiefenböck, Prozessverantwortlicher und CAM-Programmierer bei der EV Group. Als positiver Nebeneffekt wird auch der Verschnitt reduziert. Die damit zum Teil anfallenden Mehrspäne werden ebenfalls in der Anlage, je nach Material getrennt gefördert.

Abgestimmt mit der Rohteilfamilie setzt der Roboter gesteuert durch den Leitrechner eines der sieben Sonderspannmittel in die C 30 und die passenden Teile werden zerspant. Bei den Fertigteilen bleibt lediglich ein kleiner Steg auf der sechsten Seite übrig, an dem der Greifer (Anm.: ein optimiertes Standardprodukt von Schunk) die Teile be- und entlädt. „Bei unserer Zelle ist es nahezu egal, wer die Rohteile in die Matrizen belädt und die Fertigteile entnimmt, denn am Leitrechner ist genau zu erkennen was in der nächsten Zeit beladen werden muss“, ist Wolfgang Tiefenböck sichtlich stolz.

Ein Vergleich macht sicher

Im Jahr 2007 stellte die EV Group mit 42 Mitarbeitern rund 55.000 Teile bei zirka 9.000 Fertigungsaufträgen her. Im Jahr 2011 waren das bei gleicher Maschinenanzahl und 50 Mitarbeitern bereits 125.000 Teile bei 15.200 Aufträgen – eine Steigerung von rund 130 Prozent und das bei einem Einzelteilanteil von Losgröße 1 bzw. 2 von 45 Prozent. „Solche Steigerungen kann man nur durch die vollständige Integration der 5-Achs-Technologie, die Anpassung der Fertigungsroutinen, einer Werkzeugoptimierung und den Einzug der automatisierten Zerspanung und somit Erhöhung der Maschinenstunden durch mannlose Schichten erreichen“, fasst Herbert Tiefenböck zusammen. Für 2012 – das erste Jahr wo die RS 2 Anlage zum Tragen kommt – erwartet die EV Group eine Steigerung um weitere 68 Prozent auf 210.000 Teile. Wobei die neue Hermle C 30 nicht ein zusätzliches Bearbeitungszentrum darstellt, sondern lediglich ein älteres Modell ersetzt hat.

Sehr professionell empfand man seitens der EV Group auch die Betreuung durch den deutschen Maschinenbauer, der in Österreich mit Rudolf Fluch über einen auch in Automatisierungsfragen sehr erfahrenen Vertriebstechniker verfügt. „Bei Hermle bekommt man alles aus einer Hand – vom hochpräzisen und –dynamischen 5-Achs-Bearbeitungszentrum über die verschiedensten Automatisierungslösungen bis hin zu individuellen Software- und Steuerungsprogrammen. Der Kunde hat somit nur einen Ansprechpartner und bekommt eine perfekt auf ihn abgestimmte Fertigungsanlage und kann letztendlich die Früchte seiner Arbeit – nämlich Fertigteile ¬– vollautomatisiert ernten.“

Nicht vergessen will Herbert Tiefenböck jedoch den Faktor Mensch: „Ohne unsere Mitarbeiter hätten wir das niemals erreicht. Die Maschinen können zwar automatisiert fertigen, doch die Teileoptimierung ist nur durch das Know-how von Facharbeitern möglich. Diese Qualität sollte eigentlich die Voraussetzung für jedes neue Automatisierungsprojekt sein.“