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Fertigungs- & Maschinenautomation
Flexibles, modulares Sicherheits-
konzept bei der Waferproduktion
Die Bedeutung von Erneuerbaren Energien hat in den letzten
Jahren weiter zugenommen. Dabei nimmt die Gewinnung
von elektrischer Energie aus Solarzellen einen wichtigen
Part ein. Die Meyer Burger AG hat sich auf Produktions
anlagen und Systeme, unter anderem für die Herstellung
von Wafern spezialisiert. In ihren Drahtsägemaschinen setzt
sie auf Sicherheitstechnik aus dem Haus Euchner. Dabei
ermöglicht die zugrunde liegende integrierte „AS-i Safety
at Work“-Technologie ein flexibles, modulares Sicherheits
konzept bei der Waferproduktion.
Ausgangsmaterial bei der Herstellung von Photovoltaikmodulen ist das
Element Silizium. Aus diesem werden
sogenannte Wafer (einzelne Siliziumscheiben) hergestellt. Diese werden
anschließend über eine Vielzahl von
Prozessschritten zu kompletten Solarpanels weiterverarbeitet. Durch Kapselung und Verdrahtung mehrerer
Zellen entstehen fertige Photovoltaikmodule. Das Know-how für die Herstellung der entsprechenden Maschinen liegt hauptsächlich in Europa,
auch wenn der Großteil der Anlagen
in asiatische Länder exportiert wird.
Einer der führenden Zulieferer auf
dem Gebiet von Produktionsanlagen
und Systemen für die Herstellung von
PV-Wafern, -Zellen und -Modulen ist
die Meyer Burger AG [1]. Die Firmengruppe bietet ihren Kunden Lösungen
und komplementäre Technologien
entlang der gesamten PV-Wertschöpfungskette sowie gebäudeintegrierte
Solarsysteme als Endprodukt für die
Schweiz an. Als Spezialist für die Verarbeitung von Silizium zu dünnen
Wafern bietet Meyer Burger unter anderem Drahtsägemaschinen (Bild 1).
Diese verrichten mit Sicherheitstechnik von Euchner [2] ihren Dienst.
Die Herstellung von Wafern
mittels Drahtsägemaschine
Bei der Herstellung von Wafern
werden Siliziumblöcke, sogenannte
Bricks, mittels einer Drahtsägema-
Michael Gemperle
schine in Scheiben von 140 µm bis
180 µm Dicke geschnitten (Bild 1
und Bild 2). In dieser wird ein Draht
von einer Spule abgewickelt und auf
zwei berillten Drahtführungsrollen
(DFR) aufgezogen. Die DFR sind in
einem klar vordefinierten Abstand
eingekerbt. Der Draht durchläuft jede
einzelne der bis zu 3 000 Rillen der
DFR, um schließlich ein komplettes
Drahtfeld zu bilden. Die in Rotation
versetzten Drahtführungsrollen bewegen das Drahtfeld in nur eine oder,
je nach Anwendungsgebiet, alternierende Richtung. Der Draht wird am
Ende wieder auf eine Spule gewickelt. Eine Suspension, gewöhnlich
eine Mischung aus Siliziumkarbid
und Polyethylenglykol (Slurry), wird
Michael Gemperle ist Geschäftsführer
der Euchner AG in Mels/Schweiz.
E-Mail: [email protected]
Bild 1. Die Drahtsägemaschine DS-271 von Meyer Burger
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Bild 2. Der Silizumblock und die einzelnen Wafer
durch Düsen auf das sich bewegende
Drahtfeld aufgegeben und verursacht
einen mechanischen Abrieb. Während
das zu trennende Werkstück in das
Drahtfeld abgesenkt wird, schneiden
die mit Suspension behafteten Drähte das Material in Scheiben (Wafer),
deren Dicke durch den Abstand der
Berillung der DFR vorgegeben ist.
Hohe Anforderung an die
Sicherheitstechnik
Bei der Auswahl der zu verwendenden Sicherheitstechnik wurde vonseiten der Firma Meyer Burger hohe Ansprüche gestellt, um einerseits die
Fertigung von hohen Stückzahlen an
Drahtsägemaschinen so effizient und
fehlerfrei wie möglich zu gestalten.
Andererseits sollten alle sicherheitstechnischen Anforderungen abgedeckt werden. Als weitere Schwierigkeit kommt hinzu, dass das Schneidemittel wegen des Glykols aggressiv
und flüchtig ist.
Um eine effiziente Herstellung zu
ermöglichen, ist 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 welchem alle
Bauteile der Sicherheitstechnik einfach getestet werden können.
Speziell an den Schutztüren der
Drahtsägemaschinen musste darauf
geachtet werden, dass Schalter mit
Zuhaltung zum Einsatz kommen, die
flexibel in der Anbringung sowie problemlos den rauen Umgebungsbedingungen durch den Einsatz des Schneidemittels standhalten. Zudem muss
sichergestellt sein, dass die Schutzeinrichtungen während des Prozesses
nicht unkontrolliert geöffnet werden
können. Dies hätte Drahtrisse und ei-
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Bild 3. Der Sägeraum mit vier Bricks beim Sägevorgang
ne irreversible Zerstörung des ganzen
Bricks zur Folge. Das heißt, neben
dem Personen- ist auch der Prozessschutz von hoher Wichtigkeit.
Auswahl der geeigneten
Sicherheitstechnik
AS-i benötigt eine Zykluszeit von
max. 5 ms und ermöglicht in einem
Strang eine Länge von bis zu 100 m,
die einfach auf bis zu 300 m erweitert
werden kann. Maximal sind bis zu
31 Teilnehmer (Slaves), wie Sicherheitsschalter, Not-Aus, usw., an einem
AS-i-Strang möglich.
Nachdem Meyer Burger ein System
gefunden hatte, welches die Anforderungen für die Fertigung in idealer
Weise erfüllt, musste ein passender
Sicherheitsschalter evaluiert werden,
der problemlos in den AS-i-Strang
integriert werden kann. Bei der Auswahl fiel die Entscheidung auf die
Firma Euchner und ihre elektromechanischen Sicherheitsschalter TP und
STP mit integrierter AS-i-Schnittstelle.
Aufgrund dieser speziellen Rahmenbedingungen entschieden sich
die Spezialisten für den Einsatz von
AS-i Safety at Work. Das einfache
und offene System verfügt seit Jahren über ein sicheres Protokoll und
wurde durch das herstellerunabhängige AS-i-Konsortium [3] entwickelt.
Durch die Übergabe der Signale über
einen AS-i-Profibus-DP-Link direkt
via Profisafe an die sichere SPS und
damit an die sicheren Antriebssysteme
hat sich jegliche konventionelle Verdrahtung erübrigt.
Nicht nur das Verdrahten
der einzelnen Komponenten ist somit entfallen, auch
die Diagnose des gesamten
Systems ist über die beiden
Busse, AS-i und Profibus,
sowie die Applikationssoftware anwenderfreundlich
ausgefallen. Als willkommener Nebeneffekt stehen
alle Daten auch der Prozesssteuerung direkt zur Verfügung. Eine schlanke und
moderne Lösung, welche die
Umsetzung der DIN EN ISO
13849-1 [4] voll unterstützt.
So erreicht das AS-i-SafetySystem Kat. 4 und erfüllt die
Forderungen für PLe.
Bild 4. Beispiel eines passiven AS-i-Adapters
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Bild 5. Freigelegter Euchner-Sicherheitsschalter an der Schutztür
zum Sägeraum
Diese Ausführungen zeichnen sich durch ihre robuste, aber
schlanke Bauweise aus. Das glasfaserverstärkte Kunststoffgehäuse mit Schutzart IP67 erlaubt den Einsatz in rauer
Umgebung. Die kompakte Bauform und einstellbare Anfahrrichtungen ermöglichen, dass die AS-i-Schalter flexibel
an den verschiedenen Schutztüren der Drahtsägemaschine
(Bild 5) gleichermaßen eingesetzt werden können. Die Anbindung der TP- und STP-Schalter an den AS-i-Bus erfolgt
über die übliche vierpolige M12-Leitung. Diese werden
mittels Steckverbinder an den Sicherheitsschalter sowie
über einen passiven Adapter (Bild 4) an die AS-i-Flachkabel angeschlossen. Dies ermöglicht die gewünschte rationelle und fehlerfreie Installation. Alle sicherheitsrelevanten
Signale und natürlich auch die Meldesignale, zum Beispiel
die Stellung der Schutztür oder auch Fehlermeldungen,
stehen dem AS-i-Master und in diesem Fall auch der SPS
zur Verfügung. Die integrierte Zuhaltung der STP- und TPAS-i-Schalter mit Zuhaltungsüberwachung und Zuhaltekräften von bis zu 2 500 N verhindert, dass während der
Wafer-Herstellung unkontrolliert eine der Schutzeinrichtungen geöffnet werden kann, und garantiert dadurch einen kontinuierlichen und wirtschaftlichen Prozessablauf.
Fazit
Durch die Kombination aus AS-i Safety at Work und den
Sicherheitsschaltern TP- und STP-AS-i von Euchner können die Anforderungen der Meyer Burger AG in idealer
Weise erfüllt werden. Besonders der AS-i-Bus spielt seine
Vorteile der einfachen Parametrierung und Installation bei
hohen Fertigungsstückzahlen aus.
Literatur
[1]Meyer Burger Technology AG, Baar/Schweiz: www.meyerburger.com
[2]Euchner GmbH & Co. KG, Leinfelden-Echterdingen: www.euchner.de
[3]AS-International Association, Gelnhausen: www.as-interface.net
[4]DIN EN ISO 13849-1:2008-12 Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen – Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze. Berlin: Beuth
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