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Sicherheitstechnik mit AS-i Safety at Work So schützt ein flexibles Sicherheitskonzept die Produktion von Solarwafern

| Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Der Trend ist eindeutig: Unsere Energieversorgung von morgen wird in erster Linie durch erneuerbare Quellen gesichert. Eine zentrale Rolle werden dabei Wind und Sonne einnehmen. Denn: Sie sind unbegrenzt vorhanden und bereits heute nutzbar. Entsprechende Technologien sind ausgereift und werden rund um den Globus genutzt.

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Die Drahtsägemaschine DS-271 von Meyer Burger dient der Herstellung von Solarwafern.
Die Drahtsägemaschine DS-271 von Meyer Burger dient der Herstellung von Solarwafern.
(Bild: Euchner)

Um Sonnenlicht in elektrischen Strom zu verwandeln, braucht man Photovoltaikmodule. Und um die zu produzieren, wird Silizium zunächst zu Rohlingen, sogenannten Wafern verarbeitet. Weitere Fertigungsschritte sorgen dafür, dass daraus Solarzellen entstehen, die dann zu einbaufertigen Solarmodulen verbunden werden. Für all diese Produktionsprozesse benötigen die Hersteller Maschinen, die sie etwa bei Meyer Burger einkaufen. Das Unternehmen ist in der Schweiz zu Hause, unterhält allerdings außerhalb der Heimat weitere Technologiezentren, unter anderem im sächsischen Hohenstein-Ernstthal.

„Wir sind der einzige Maschinenbauer, der Equipment sowohl für die Herstellung von Solarwafern als auch für die von Solarzellen und Solarmodulen und somit für die komplette Prozesskette anbieten kann», erklärt Meyer Burger Marketingleiter Martin Engel. Dabei handle es sich um Einzelmaschinen, komplette Fertigungslinien und um Handling-, Automations- und Messlösungen. Für den Heimmarkt in der Schweiz offeriert Meyer Burger sogar das Endprodukt, nämlich gebäudeintegrierte Photovoltaiksysteme.

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Die Herstellung von Wafern mittels Drahtsägemaschine

Der Kernprozess bei der Waferherstellung ist das Sägen, bei dem der Siliziumblock, im Fachjargon Brick genannt, wie ein Schweizer Käse in Scheiben geschnitten wird. Dies geschieht mit Spezialsägen, die Meyer Burger mit Euchner Sicherheitstechnik ausrüstet. Im Gegensatz zum Käse jedoch sind diese sogenannten Wafer maximal 180 μm dick. Das heißt, sie sind extrem dünn.

In einer solchen Sägemaschine wird ein Draht von einer Spule abgewickelt und auf zwei Drahtführungsrollen (DFR) aufgezogen. In die DFR sind in einem klar vordefinierten Abstand bis zu 3000 Rillen eingekerbt. Im Trennprozess durchläuft der Draht jede einzelne dieser Rillen, um schließlich ein komplettes Drahtfeld zu bilden. Die Drahtführungsrollen werden in Rotation versetzt und bewegen das Drahtfeld je nach Anwendungsgebiet entweder in eine oder in zwei alternierende Richtungen. Am Ende wird der Draht wieder auf eine Spule gewickelt. Die Dicke der Wafer wird durch den Abstand der Rillen definiert.

Um aus den Siliziumblöcken Wafer zu gewinnen, werden heute zwei Technologien angewendet:

● Trennen mit Slurry: Ein flüssiges Stoffegemisch (Slurry), das gewöhnlich aus Siliziumkarbid und Polyethylenglykol besteht, wird durch Düsen auf das sich bewegende Drahtfeld aufgegeben und verursacht einen mechanischen Abrieb. Während das Werkstück in das Drahtfeld abgesenkt wird, schneiden die mit Slurry behafteten Drähte das Material in Scheiben.

● Trennen mit Diamantdraht: Mehr und mehr wird der Brick heute nicht mehr mit Slurry sondern mit Diamantdraht getrennt. Denn: Dieses Verfahren ist effizienter und produziert hochwertigere Wafer. Solarzellen die mit Diamantdraht hergestellt werden, weisen im Schnitt einen höheren Wirkungsgrad auf. Der Prozess ist grundsätzlich derselbe wie beim Trennen mit Slurry. Der wesentliche Unterschied: Das Material, das den Abrieb verursacht, also die Diamanten, befinden sich nicht im Slurry sondern sind mechanisch mit dem Draht verbunden. Der Prozess wird in der Regel mit Wasser gekühlt.

Hohe Anforderung an die Sicherheitstechnik

Meyer Burger misst der Qualität seiner Produkte und Prozesse eine große Bedeutung bei. Martin Engel: „Schließlich sollen unsere Kunden von einer zuverlässig hohen Waferproduktion profitieren und der Maschinenbediener soll perfekt geschützt sein, selbst wenn für den Prozess von Haus aus aggressives uns flüchtiges Glykol verwendet wird. Infolge dessen stellen wir bei der Auswahl der perfekten Sicherheitstechnik sehr hohe Ansprüche an das Produkt und dessen Hersteller.“

Um eine effiziente Herstellung zu ermöglichen, sei es wichtig, den Montage- und Verdrahtungsaufwand auf ein Minimum zu reduzieren und kalkulierbar zu halten. Auch für die Funktionsprüfung sollte ein System gefunden werden, mit dem sich alle Bauteile der Sicherheitstechnik einfach testen lassen.

Speziell musste darauf geachtet werden, dass an den Schutztüren der Sägemaschinen nur Schalter mit Zuhaltung zum Einsatz kommen, die sich flexibel anbringen lassen sowie problemlos den rauen Umgebungsbedingungen standhalten. Weiterhin muss gewährleistet sein, dass die Schutzeinrichtungen während des Prozesses nicht unkontrolliert geöffnet werden können. Dies hätte Drahtrisse zur Folge und würde den Brick irreversibel zerstören.

Auswahl der geeigneten Sicherheitstechnik

Aufgrund dieser speziellen Rahmenbedingungen entschied sich Meyer Burger für den Einsatz von AS-Interface Safety at Work - ein einfaches und offenes System mit sicherem Protokoll, das das herstellerunabhängige ASi-Konsortium entwickelt hat.

„Durch die Übergabe der Signale über einen ASi-DP-Link direkt via Profisafe an die sichere SPS und damit an die sicheren Antriebssysteme hat sich jegliche konventionelle Verdrahtung erübrigt“, sagt erläutert Engel. Nicht nur das Verdrahten der einzelnen Komponenten ist somit entfallen, auch die Diagnose des gesamten Systems ist über die beiden Busse, ASi und Profibus sowie die Applikationssoftware sehr anwenderfreundlich ausgefallen.

Als willkommener Nebeneffekt stehen alle Daten auch der Prozesssteuerung direkt zur Verfügung. Eine schlanke Lösung, die die Umsetzung der EN ISO13849 voll unterstützt: ASi-Safety erreicht Kat.4 und erfüllt die Forderungen für PLe. ASi benötigt eine Zykluszeit von max. 5 ms und ermöglicht in einem Strang eine Länge bis zu 100 m, die einfach auf bis zu 300 m erweiterbar ist. Maximal sind bis zu 31 Teilnehmer (Slaves) wie Sicherheitsschalter und Not-Aus an einem ASi-Strang möglich.

Sicherheitsschalter mit ASi-Schnittstelle: robust und platzsparend

Nachdem Meyer Burger ein System gefunden hatte, welches die Anforderungen für die Fertigung bestmöglich erfüllte, musste ein passender Sicherheitsschalter evaluiert werden, der problemlos in den ASi-Bus integrierbar ist. Bei der Auswahl fiel die Entscheidung auf Euchner und dessen elektro-mechanische Sicherheitsschalter TP und STP mit integrierter ASi-Schnittstelle.

Sie zeichnen sich durch robuste aber schlanke und Platz sparende Bauweise aus. Das glasfaserverstärkte Kunststoffgehäuse mit Schutzart IP 67 erlaubt den Einsatz in rauer Umgebung. Die schmale Bauform und einstellbare Anfahrrichtungen ermöglichen, dass die ASi-Schalter flexibel an den verschiedenen Schutztüren der Drahtsägemaschine gleichermaßen eingesetzt werden können.

Die Anbindung beider Schalter an ASi erfolgt über die übliche 4-polige M12-Leitung. Diese werden einfach mittels Steckverbinder an den Sicherheitsschalter sowie über einen passiven Adapter an die ASi-Flachkabel angeschlossen, was die die gewünschte rationelle und fehlerfreie Installation gewährleistet.

Alle sicherheitsrelevanten Signale und auch die Meldesignale, etwa Stellung der Schutztür oder Fehlermeldungen, stehen dem ASi-Master und in diesem Fall auch der SPS zur Verfügung. Die integrierte Zuhaltung der STP und TP ASi-Schalter mit Zuhaltungsüberwachung und Zuhaltekräften von bis zu 2500 N verhindert, dass während der Waferherstellung unkontrolliert eine der Schutzeinrichtungen geöffnet werden kann und garantiert dadurch einen kontinuierlichen und wirtschaftlichen Prozessablauf.

„Durch die Kombination aus dem AS Interface Safety at Work und den Sicherheitsschalter TP und STP ASi von Euchner lassen sich unsere Anforderungen bestens erfüllen“, resümiert der Marketingleiter. Besonders der ASi-Bus spiele seine Vorteile der einfachen Parametrierung und Installation bei hohen Fertigungsstückzahlen voll aus. Sein Urteil fällt in jedem Fall kurz und prägnant aus: „Wir sind happy“.

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