IMS baseert productielijn op Beckhoffs XTS

IMS uit Almelo ontwerpt en bouwt hightech productielijnen voor de assemblage van zeer delicate en complexe componentjes zoals sensoren en actuatoren. Al bijna tien jaar heeft het Twentse bedrijf een oplossing op de markt voor de microassemblage van optische modules. Met inmiddels zo’n tachtig lijnen in het veld durft technisch directeur Henri Paus gerust te spreken van een ‘doorslaand succes’. ‘Onze klant in Azië is inmiddels uitgegroeid tot marktleider in dergelijke systemen voor smartphones. Grote kans dat de optische module in jouw mobiele telefoon is geproduceerd op onze assemblagelijn’, aldus Paus.

De ontwikkelingen voor smart devices gaan razendsnel. Elke jaar brengen fabrikanten meerdere nieuwe modellen op de markt. Productiesystemen moeten flexibel genoeg zijn om mee te gaan in die ratrace. Ook komt de lat voor wat betreft de camera steeds hoger te liggen. Zestig tot honderd megapixels is niet uitzonderlijk meer. Ook dat vraagt om een andere aanpak in assemblage, omdat de componentjes waaruit die high-end optische modules zijn opgebouwd steeds talrijker en kleiner worden.

De eerste generatie van IMS’ productielijnen voldeed niet meer aan de wensen van de klant. ‘Ook omdat er nu processtappen worden geïntroduceerd die trager zijn dan de gemiddelde takttijd’, zegt Paus. In het oude systeem, de CCLA-4V, schieten de wagentjes op de transportbaan elke twee seconden naar het volgende werkstation. ‘Daarmee halen we een jaarlijkse output van ongeveer tien miljoen producten. Doseerstappen die nu nodig zijn, kosten vier tot vijf seconden en zouden die productieaantallen drastisch naar beneden brengen. In een puur sequentieel productiesysteem zoals het huidige bepaalt de langzaamste schakel immers de totale output. Een halvering van de output, daar wordt onze klant vanzelfsprekend niet blij van.’

XTS-systeem

De IMS-engineers moesten terug naar de tekentafel. ‘De belangrijkste eis was dat we een flexibel productieplatform zouden ontwikkelen dat overweg zou kunnen met de vele productwisselingen en met de tragere processtappen’, vat Paus de uitdaging samen. De procesmodules en werkstations langs de lijn voldeden nog prima, hoewel ook daar enkele verbeteringen rond nauwkeurigheid nodig waren. Het grootste struikelblok was het transportmechanisme.

Paus en zijn collega’s onderzochten of ze zo’n platform wellicht zelf zouden kunnen ontwerpen. ‘Waarschijnlijk wel’, zegt hij, ‘maar er zijn gerenommeerde firma’s die er al een product voor op de markt hebben.’ Zo kwam IMS uit bij het XTS-systeem van Beckhoff. Net als bij de eerste generatie worden de wagentjes op het nieuwe 3PX-systeem aangedreven door lineaire motoren en rijden ze achter elkaar op een rail. ‘Het belangrijkste verschil is dat ze nu niet meer onderling verbonden zijn, maar onafhankelijk van elkaar kunnen worden aangestuurd. Dat geeft ons de mogelijkheid om de wagentjes na een snelle processtap te bufferen en met een paar tegelijk naar een meervoudig uitgevoerd, trager werkstation te schuiven. Zo lukt het ons toch om een hoge output te halen.’

Beckhoffs XTS voldoet aan nog meer eisen. Paus: ‘Het is geen lomp systeem zoals je ook weleens ziet, maar een oplossing die past bij de delicate producten waarmee onze klant werkt, die typisch vijf tot achttien millimeter groot zijn.’

Primeur

En het belangrijkste: het XTS-transportsysteem is flexibel. ‘We hebben de gewenste flexibiliteit in de productielijn vertaald naar modulariteit’, legt Paus uit. ‘Als er een nieuw product moet worden gemaakt dat uit veel meer componenten bestaat en daarom niet meer op de 3PX-basis kan worden gemaakt, dan trekken we de lijn uit elkaar en zetten er een nieuwe cel tussen, inclusief transportbanen en werkstations. Binnen een paar uur kunnen de operators weer aan de slag met de geüpdatete 4PX-lijn. Concurrerende oplossingen hebben die mogelijkheid zeker niet.’ Het had echter wel wat voeten in aarde om de XTS op maat te maken voor IMS en zijn klantenkring.

Voor Beckhoff betekende het namelijk een primeur. ‘Normaal meet een klant precies uit hoeveel meter XTS-track hij nodig heeft’, zegt Bernard Gerdes, manager van de Beckhoff-vestiging in Enschede. ‘IMS kwam met het verzoek voor een recht stuk van vierenhalve meter, maar wel met de optie om daar een stuk tussen te kunnen zetten.’

Voor IMS was die mogelijkheid een harde voorwaarde. Samen met zijn XTS-specialisten op het hoofdkantoor in het Duitse Verl, en met hulp van Hepco, dat de speciale geleidingen van de XTS levert, ging Beckhoff de uitdaging aan. ‘Omdat voor IMS de basisplaat in de XTS uit elkaar moet kunnen, moesten we goed nadenken over de toleranties en de nauwkeurigheid’, verduidelijkt Gerdes. Paus vult aan: ‘Niet alleen de mechanica moeten we snel kunnen loskoppelen, ook de elektronica en besturing moeten zijn voorbereid op die knip, met de juiste stekkers en aansluitingen. En door de software in bouwblokken op te delen, hebben we ook daar gezorgd voor de gewenste flexibiliteit. In goed onderling overleg hebben we het uiteindelijk voor elkaar gekregen.’

Gerdes: ‘Voor een XTS moeten continu enorme hoeveelheden data worden verstuurd en verwerkt. Het door Beckhoff ontwikkelde Ethercat is de snelste veldbus in de markt en zeer geschikt voor deze datastromen. Des te langer de XTS-baan, des te groter de datastroom. Voor de verwerking van de data wordt een C6930 met een Intel Core I7 gebruikt. Door het schaalbare karakter van ons pc-portfolio kan er altijd een geschikte besturing worden gekozen, ongeacht de lengte van de XTS-baan.’

Compensatie

Een standaard XTS-transportsysteem heeft een absolute positienauwkeurigheid van 250 micrometer. Voor de toepassing die IMS voor ogen heeft, was echter een precisie van minstens 50 micron nodig. ‘Je kunt je voorstellen dat de lineaire motoren na een tijdje warm worden’, legt Paus uit. ‘Dat heeft natuurlijk effect op de nauwkeurigheid. Wij hebben daarom extra sensoren in het systeem toegevoegd waardoor we kunnen compenseren voor uitzetting.’ Dat is ook handig omdat de omgevingstemperatuur in de Aziatische fabrieken nogal eens wil variëren. ‘’s Winters is het te koud en ’s zomers te warm. Maar daar liggen we nu niet meer wakker van’, aldus Paus.

En er was nog een ander punt van aandacht. De wagentjes rijden weliswaar redelijk stabiel over de rail, maar kleine trillingen kunnen al roet in het eten gooien als je heel nauwkeurig wilt bewegen. ‘Samen met Beckhoff en Hepco zijn we erin geslaagd om niet alleen in de transportrichting heel precies te zijn, maar ook om het product in de hoogte heel nauwkeurig te kunnen aanbieden’, vertelt Paus. ‘Met onze temperatuurcompensatie en trillingsdemping kunnen we de carriers aan een werkstation aanbieden met een nauwkeurigheid van 10 micron.’

Eerste verzending

IMS heeft hoge verwachtingen van zijn tweede generatie productielijn voor optische modules. ‘Ik verwacht dat we van de XPX de komende jaren minstens zo veel systemen in de markt te kunnen zetten als van de CCLA-4V’, denkt Paus. ‘Kleine optische componenten zoals in je smartphone duiken immers ook steeds vaker op in bijvoorbeeld monitoren, drones en auto’s. Binnen twee dagen kun je onze lijn ombouwen voor vergelijkbare producten voor die andere markten. Bovendien zijn de flexibiliteit, modulariteit en schaalbaarheid van ons platform ook interessant voor compleet andere assemblagetoepassingen zoals voor de productie van componenten voor de medische en farmaceutische industrie.’

Dat het 3PX-productieplatform van IMS inderdaad flexibel is, bleek deze zomer bij de oplevering van het eerste exemplaar. ‘Hij stond al bijna klaar voor verzending toen we vanuit de klant de vraag kregen of we hem geschikt konden maken voor producten die fors groter waren dan in de requirements stond’, vertelt Paus. ‘Er was geen compleet redesign nodig, maar we hoefden sommige onderdelen alleen wat groter uit te voeren. Een paar weken later kon de aangepaste machine alsnog op transport.’