Flott installiert

Die Roth & Rau AG fertigt Beschichtungsanlagen für verschiedene Anforderungen − von der Pilotfertigung bis zur vollautomatischen Massenproduktion. Sie setzt dabei auf dezentrale Servotechnik von Lenze. Schneller Aufbau, geringerer Installationsaufwand und exakter Gleichlauf sind Merkmale, die der High Tech-Anlagenbauer aus dem sächsischen Hohenstein-Ernstthal daran schätzt.

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Sechs Punkte führt der Anlagenbauer Roth & Rau auf, warum er sich beim Bau seiner Beschichtungsanlagen für dezentrale Installationstechnik entscheidet: weiter Drehzahlstellbereich, hohe Gleichlaufgüte, leichte Vernetzung, integrierte Positioniersteuerung, kompakte Bauform und einfache Installation. Die Anlagen arbeiten in einem kontinuierlichen Durchlaufverfahren, wobei die Siliziumwafer auf flachen Trägern (Carriern) liegen. Den Antrieb der Förderstrecke innerhalb des Prozesses übernimmt die dezentrale Servotechnik, durchgängig sind es die Servo Drives 930 fluxxtorque von Lenze. Diese mechatronische Einheit besteht aus einem Synchron-Servomotor der Baureihe SDS mit integriertem Servo-Umrichter und Positioniersteuerung.

Der Beschichtungsprozess lässt sich mit drei Verfahrensschritten klassifizieren, die sich direkt auf die Antriebstechnik auswirken. Zu Beginn werden die mit Siliziumwafern fertig bestückten Träger schnell in die Einschleuskammer gefahren. Sie wird anschließend von drehzahlgesteuerten Vakuumpumpen evakuiert und dabei gleichzeitig auf 400 Grad Celsius aufgeheizt. „Um die Prozessnebenzeiten zu senken, fahren wir mit Geschwindigkeiten bis zu 2000 Zentimeter in der Minute“, erläutert Fertigungsleiter Lutz Eismann. Mit deutlich geringerer Geschwindigkeit (80 bis 180 Zentimetern in der Minute) geht es durch die Prozesskammern. Höchstgeschwindigkeit ist schließlich wieder beim Ausschleusen der fertigen Wafer gefragt. Produktivität zählt auch hier. Der Vorteil der Servo Drives 930 fluxxtorque liegt im hohen Drehzahlstellbereich von größer 1:3000. Insofern lassen sich Bestückung und Prozess durchgängig mit einem Antriebssystem realisieren. Dieses wirkt sich vorteilhaft auf die Standardisierung im Maschinen- und Anlagenbau aus – unter anderem durch geringere Komponentenvarianz und schnellere Inbetriebnahme.

Exakter Gleichlauf, durchgängig vernetzt

Die exakte Schichtdicke des Siliziumnitrits auf der Siliziumscheibe steht im direkten Zusammenhang mit der Verweildauer des Werkstoffs im Plasma. Angesichts des hohen Qualitätsanspruchs von Roth & Rau leitet sich daraus der exzellente Gleichlauf der Antriebstechnik ab. Die kompakt konstruierten Synchron-Servomotoren SDS bewältigen diese Aufgabe durch hervorragende Rundlaufeigenschaften. Die Reihe deckt den Leistungsbereich von 75 bis 440 W ab und erreicht dabei Drehmomente zwischen 0,27 und 1,4 Nm. Die Motoren arbeiten selbstkühlend in den Schutzarten IP54 und IP55. Maximale Produktivität reduziert sich bei den SiNA-Anlagen nicht nur auf die Be- und Entladung. Auch der Beschichtungsprozess selbst ist mit Blick auf die Produktivität bis ins letzte Detail optimiert.

Die Förderantriebe für den Vakuumbereich sind aus diesem Grund über Profibus DP miteinander vernetzt und stehen über diesen Feldbus auch mit der Anlagen-SPS in Verbindung. Die Kommunikation wird auf einfache und effektive Weise durch die bis zu 25 Meter langen Anlagen geschleift. Jeder Antrieb erhält so wichtige Informationen über die vor- und nachgelagerten Prozessabschnitte. „Über diesen Weg verhindern wir einerseits einen Stau im Prozess, der unvermeidlich zu einem Ausschuss führen würde, weil die Schichtdicken nicht mehr passen. Andererseits können wir die Abstände zwischen den Werkstückträgern möglichst klein halten, um die Stückzahlen zu erhöhen“, unterstreicht Eismann. Zum Positionieren nutzt das Unternehmen aus der Region Chemnitz die integrierte Positioniersteuerung der Servo Drives 930 fluxxtorque. Mit ihr lassen sich bis zu 100 Bewegungsfunktionen bearbeiten und abspeichern. Die Software der Servo Drives 930 fluxxtorque ist dabei so anwenderfreundlich konzipiert, dass sich die Einheiten über eine serielle Kommunikation mit der RS232-Schnittstelle komfortabel parametrieren und in Betrieb nehmen lassen.

„Kleine Schaltschränke sind für uns ein wichtiger Punkt. Wir werden von unseren Kunden ständig mit Optimierungen der Produktionsfläche konfrontiert“, berichtet Eismann. Der Einsatz dezentraler Servotechnik hat bei Roth & Rau ferner den Aufbau der Anlagen schneller gemacht, weil der Installationsaufwand gesunken ist – Leistungsversorgung und Busanschluss reichen aus. Schraub- und steckbare Systemkabel tragen ihrerseits einen wichtigen Beitrag zum schnellen Maschinenbau bei. „Im laufenden Betrieb erhöhen Schnellverschlüsse oder Schnellwechselkupplungen zudem die Verfügbarkeit. Defekte Komponenten lassen sich ohne langen Anlagenstillstand austauschen. Aus diesem Grund sind bei uns alle Komponenten auch gut zugänglich“, berichtet der Fertigungsleiter weiter.

Enge Partnerschaft seit Jahren

Zeit ist Geld, auch beim Lageabgleich des Resolver. Dieser ist bereits im Rahmen der Abschlussprüfung ab Werk im Antrieb erledigt. Der Servo-Umrichter selbst ist auf dem B-Lagerschild der Motoren direkt montiert. Mit seiner hohen Schutzart lässt er sich auch als abgesetzte Variante in unmittelbarer Nähe am Maschinengestell platzieren − und zwar dort, wo in kompakt konstruierten Maschinen Platz ist. Bremsenansteuerung und -versorgung erfolgen direkt über den Servo Drives 930 fluxxtorque. Diese Anschlussmöglichkeit nutzt Roth & Rau am Ende des Beschichtungsprozesses im Rahmen des Ausschleusens für einen Schnellstopp. Die Carrier werden dabei innerhalb von nur zwei Zentimeter von Maximalgeschwindigkeit auf Null heruntergebremst. „Dieses Ziel zu erreichen heißt, den direkten Weg zu gehen, statt das Signal erst über den Bus in die Steuerung zu bringen“, erläutert Eismann.

Die Antriebslösung der SiNA-Anlagen ist das Resultat einer engen Partnerschaft zwischen Roth & Rau und Lenze. „Wir arbeiten seit mehr als zehn Jahren sehr gut zusammen“, bescheinigt Eismann. Dabei wurde das Prozess- und Antriebstechnik-Know-how so zusammengeführt, dass die Anlagen einerseits exzellente Beschichtungsergebnisse liefern und andererseits im internationalen Wettbewerb auch bei der Produktivität und Verfügbarkeit punkten können.

Weitere Beispiele für durchgängige Antriebslösungen sind die Drehzahlsteuerung der rund 1,5 t schweren Vakuumpumpen, die an der Seite der Anlage angeschlossen werden und die für den zum Beschichten der Wafer notwendigen Unterdruck sorgen. Hier kommen Lenze-Frequenzumrichter der Reihe 8200 vector mit einer Leistung von 15 kW zum Einsatz. Die mit einer Leistung von 0,37 kW kleineren Brüder aus der Serie treiben Getriebemotoren an, die den Rücktransport der Werkstückträger unterhalb der Prozesskammern übernehmen.

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