Die Zukunft des 3D-Drucks für die Mikroelektronik

Der 3D-Druck rückt bei der Herstellung von Mikroelektronik zunehmend in den Fokus. Im Holst Centre, das TNO-imec-Joint-Venture in Eindhoven, entsteht eine Anlage, auf der Forscher entsprechende Prozessentwicklungen vornehmen können. In Time Tec wurde mit der Optimierung der Steuerungstechnik und der Harmonisierung aller Softwarekomponenten auf der Beckhoff Plattform beauftragt. Venkatesh Bachu: „Gemeinsam arbeiten wir an der OT, der operativen Technologie, der Zukunft.“

„Die Zusammenarbeit begann vor vier Jahren”, erzählt Venkatesh Bachu, Geschäftsführer von In Time Tec Europe in Eindhoven, einem Teil des amerikanischen Unternehmens In Time Tec. Das Softwareunternehmen konzentriert sich auf Embedded-Softwarelösungen, UI/UX-Design und Front-End-Entwicklung sowie Testautomatisierung und DevOps.

Von MATLAB^® zur SPS

Damals ging es um einen Proof-of-Concept für ein Laser-Transfer-Tool (LDT), so Venkatesh Bachu: „Wir wollten MATLAB^®-Algorithmen auf eine SPS zur Maschinensteuerung übertragen. Die Wahl hierfür fiel auf Beckhoff, denn dessen Plattform verfügt über eine offene Architektur sowie eine PC-basierte Steuerung und lässt sich einfach mit C++ und strukturiertem Text programmieren – ähnlich, wie wir in der IT arbeiten. Wir haben damit begonnen, Software auf die Plattform zu übertragen und anzupassen, die als Prozess-Orchestrator in einer Maindevice-Subdevice-Konfiguration dienen sollte.“

Im Holst Centre arbeitete man auch an einem anderen Tool. Dazu erläutert Jeroen Sol-van Beuningen, Forscher im Auftrag der TNO (Niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung) und im Team für 3D-gedruckte Elektronik für die Softwareentwicklung verantwortlich: „Die Grundlagen waren zuvor von der TNO gelegt worden, und wir hatten das wieder aufgegriffen. Die Maschine lief bereits auf einem Beckhoff Backbone. Wie es bei einem Entwicklungs-Tool üblich ist, waren verschiedene Komponenten darauf installiert, wie z. B. ein hochauflösender UV-Lichtprojektor und ein Ausrichtungs-Tool, die jeweils mit ihrer eigenen Software liefen.“

Harmonisierung basierend auf einer Schnittstelle

Die Software der unterschiedlichen Komponenten war nicht immer kompatibel, so Jeroen Sol-van Beuningen: „Für die Forscher, die mit dem Tool arbeiteten, war dies ein Engpass. Es gab bis zu fünf Fenster, über die sie die verschiedenen Teile der Anlage steuern mussten. Aufgrund der positiven Erfahrungen mit dem LDT-Tool fragten wir In Time Tec, ob sie alle Steuerungen auf der Beckhoff Plattform harmonisieren könnten, damit sich die Maschine über eine einzige Schnittstelle steuern lässt.“

In den letzten zwei Jahren wurde daran gearbeitet, skizziert Jeroen Sol-van Beuningen weiter: „Gemeinsam haben wir den Prozess in der Maschine und die Benutzererfahrung definiert. Wir haben die Software für den primären Druckprozess geschrieben; In Time Tec hat sich um die übergeordnete Automatisierungsebene gekümmert, einschließlich der Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten. Die Nutzer können nun einfach die Maschine drucken lassen, was sie benötigen, und so ihren Prozess weiterentwickeln; sie müssen nicht mehr ständig die Software anpassen.“

Vermittlerin zwischen Forschern und Softwareentwicklern

Die Zusammenarbeit mit In Time Tec hat Jeroen Sol-van Beuningen gut gefallen. „Sie bringen ihre Erfahrung in den Bereichen moderne Softwareentwicklung, Integration von Kommunikationsprotokollen, Benutzererfahrung und einen webzentrierten Ansatz ein. Eine Kollegin von Venkatesh Bachu war vor Ort bei uns tätig, um neue Software-Releases zu installieren, zu testen und zu validieren. Sie fungierte als Vermittlerin zwischen unseren Forschern und deren Softwareentwicklern. Innerhalb eines Jahres lernte sie das System so gut kennen, dass sie genauso gut damit arbeiten konnte wie unsere Forscher.“

Venkatesh Bachu ergänzt: „Unsere Ingenieure in Eindhoven haben mit dem TNO-Team zusammengearbeitet, um zu verstehen, was erforderlich war. Anschließend ließen wir unser Softwareteam in Indien die eigentliche Programmierung übernehmen und führten im Holst Centre Tests durch, um iterativ vorgehen zu können. So arbeiten wir als weltweit tätiges Softwareunternehmen – vor Ort und offshore.“

Zusammenführung von OT und IT

Ein Ergebnis der Zusammenarbeit war in diesem Frühjahr die Ernennung von In Time Tec zum zertifizierten Beckhoff Solution Provider. In dieser Rolle konzentriert sich das Softwareunternehmen auf industrielle Automatisierung, HMI-Design, bildverarbeitungsbasierte Steuerungen, Cloud-Engineering, IoT-Konnektivität und Cybersicherheit. „Wir beobachten, dass OT (Operational Technology) und IT in unserer Welt immer näher zusammenwachsen“, erklärt Stijn de Bruin, Standortleiter Eindhoven bei Beckhoff Niederlande: „Maschinen arbeiten nicht mehr eigenständig, sondern sind mit der Cloud verbunden. Deshalb brauchten wir einen Lösungsanbieter, der sich auf die IT-Seite der industriellen Automatisierung konzentriert, sowie einen Partner für den Anwendungssupport bei unseren Kunden.“

Venkatesh Bachu ist darüber erfreut: „Ein typischer Lösungsanbieter in dieser Region ist im OT-Bereich verwurzelt, während wir gerade ein starkes IT-Fundament haben. Viele Unternehmen programmieren noch direkt am Arbeitsplatz. Das funktioniert zwar, erschwert aber die Versionsverwaltung und Freigabe. In Time Tec hilft Unternehmen dabei, diesen Prozess zu modernisieren, damit sich Ingenieure auf ihre Kernaufgaben konzentrieren können.“

Schneller auf den Markt kommen

Die beiden Partner bauen gemeinsam ein Modul für die Fabrik der Zukunft auf dem Brainport Industries Campus (BIC) auf, erzählt Stijn De Bruin: „Dieses Modul ist als Demonstrationsmodell gedacht und ein schönes Schaufenster für die Zusammenarbeit zwischen unserer Hardware und der Software von In Time Tec. Viele unserer Kunden kennen das Unternehmen noch nicht als OT-Anbieter.“ Venkatesh Bachu bestätigt: „Gemeinsam arbeiten wir an der OT der Zukunft. Die Entwicklungen schreiten so schnell voran – in Richtung Industrie 4.0 und 5.0, mit datengesteuerter und KI-gestützter Prozesssteuerung in mobilen, Web- und Cloud-Umgebungen –, dass Maschinenbauer nicht mehr alles selbst im Blick behalten können. Wir helfen ihnen, schneller auf den Markt zu kommen und letztendlich ihren Kunden eine schnellere Produktionsaufnahme zu ermöglichen.“

Innovation durch Automatisierung

Neben Automatisierung und Harmonisierung ging es bei den Projekten auch um technische Innovation, fügte Venkatesh Bachu hinzu. „Ich bin stolz auf die automatische Erkennung von Fiducials (Passermarken), die wir für das LDT-Tool entwickelt haben. Gari Arutinov von TNO spielte eine wichtige Rolle bei der Forschung, um dies zu erreichen. Bei der Ausrichtung der Leiterplatten mithilfe von Fiducials konnte ein Bediener in einem mühsamen Verfahren eine Genauigkeit von 60 bis 80 µm erzielen, doch das reichte nicht aus. Wir haben diese Ausrichtung mithilfe einer Kamera automatisiert. Jetzt sind mit einem einzigen Knopfdruck 30 bis 50 µm erreichbar.“ Für den 3D-Drucker waren vor allem die Steigerung der Durchsatzgeschwindigkeit und der Reproduzierbarkeit sowie die Beseitigung menschlicher Fehler durch die Automatisierung von Bedeutung. Eine Herausforderung bestand darin, dass die Kamerasoftware nicht kompatibel war; die Beckhoff Vision-Kamera war damals noch nicht auf dem Markt. „Auch das haben wir gelöst.“ Da die Bildverarbeitung zeitkritisch war, wurde der verteilte Taktgeber verwendet, der auf dem von Beckhoff entwickelten EtherCAT-Protokoll basiert. „Alles in allem ist dies ein schönes Beispiel für Innovation durch die Kombination des Prozess-Know-hows von TNO, der Hardware von Beckhoff und der Software-Kompetenz von In Time Tec.“