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Vision-Sensor optimiert das Handling von Solarzellen

Bild 1. Die Test- und Demonstrationslinie am Fraunhofer IPA dient zur Optimierung von Handlingprozessen. Der Visor Solar von Sensopart befindet sich in der Station „Conveyer & Alignment“ und prüft dort die Drehlage von Solarzellen auf einem Förderband, um mittels der Positionsdaten einen Robotergreifer präzise anzusteuern (Quelle: Fraunhofer IPA)

Bild 2. Voraussetzung für eine schnelle und schonende Aufnahme der Solarzellen im laufenden Prozess ist die präzise Ermittlung ihrer Drehlage auf dem Förderband. Hierfür ist im Versuchsaufbau am Fraunhofer IPA der Vison-Sensor zuständig. Er kann Drehlagen mit einer Genauigkeit von 0,001 ° auflösen (Quelle: Fraunhofer IPA)

Bild 3. Die Bediensoftware des Visor Solar: Parallel zur Ermittlung von Position und Drehlage können Kantenausbrüche ab 0,5 mm detektiert werden

Aufgrund des hohen Kostendrucks in der Photovoltaikindustrie ist die ständige Produktivitätssteigerung ein Muss für Hersteller von Solarzellen und -modulen. Um der für einen Standardzyklus angestrebten Taktzeit von einer Sekunde näher zu kommen, untersuchen Forscher am Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), wie sich das Handling der empfindlichen Zellen optimieren lässt. Dabei spielt die präzise Aufnahme und Ablage der Zellen eine wichtige Rolle. Die hierfür benötigten Positionsdaten liefert ein speziell für Solarapplikationen entwickelter Vision-Sensor aus dem Haus Sensopart.

Das Handling in der Produktion von Solarzellen ist umfassend. So sind für die Veredelung eines Rohwafers zur fertigen Solarzelle rund 40 Handlingschritte erforderlich. Dabei müssen die Wafer bzw. Zellen zwischen den einzelnen Prozessen vielfach transportiert und umgesetzt werden, was bei den spröden und daher bruchgefährdeten Siliziumscheiben nicht trivial ist. Materialbrüche und daraus resultierende Anlagenkontaminationen und Maschinenstillstände gilt es, trotz der Hochgeschwindigkeitsproduktion zu vermeiden.
Mit der Frage, wie die Handlingprozesse schneller und zugleich sicherer gemacht werden können, befasst sich der Ende 2010 initiierte Industrieverbund „Handhabung und Automatisierung in der PV-Industrie“ unter der Leitung des Fraunhofer IPA. Zur Lösungsfindung wurde eine Testlinie mit handelsüblichen Industrieprodukten (Förderbändern, Robotergreifern usw.) aufgebaut, die ständig erweitert wird und alle wesentlichen Handlingschritte nach dem heutigen Stand der Technik umfasst (Bild 1). Hinter dem Projekt stehen neben dem Fraunhofer IPA zehn Industrieunternehmen, welche die gesamte Wertschöpfungskette der Zellproduktion abdecken: Komponentenhersteller, Maschinenbauer, Zell- und Modulhersteller sowie Sensopart Industriesensorik als Lieferant anwendungsspezifischer Vision-Sensoren.

Roadmap zu höherer Produktivität
In der von führenden europäischen Zellherstellern vereinbarten „International Technology Roadmap for Photovoltaics“ ist das Ziel formuliert, den Durchsatz der aktuellen Produktionslinien binnen sieben Jahren zu verdoppeln. „Eine magische Zahl für die Hersteller ist die Taktzeit von einer Sekunde“, beschreibt Roland Wertz, Gruppenleiter Auslegung und Steuerung reiner Fertigungen beim Fraunhofer IPA, ein erstes Etappenziel der Roadmap. „Um dieses Ziel zu erreichen, muss man auch sämtliche Handhabungszyklen binnen einer Sekunde bewältigen.“ Der Standardzyklus, der beim IPA-Projekt betrachtet wird, besteht aus den vier Schritten Aufnehmen der Zelle, Verfahren über eine Strecke von 800 mm, Ablegen der Zelle sowie Zurückbewegen des Greifers. Die Forscher versuchen, aus den vorhandenen Maschinen und Prozessen das Optimum herauszuholen und den Herstellern der Komponenten Empfehlungen für Verbesserungen ihrer Produkte zu geben. Die „magische“ Sekunde ist dabei nur ein Zwischenziel, denn die Roadmap sieht bis 2015 eine Verkürzung der Taktzeit um ein weiteres Drittel vor. „Die Frage ist, ob das mit der heutigen Handhabungstechnik überhaupt noch machbar ist, wenn zeitgleich die Waferdicke weiter abnehmen soll“, so R. Wertz. Hier sieht er noch Handlungs- und Optimierungsbedarf.

Einen Schwerpunkt des Forschungsprojekts bildet die Optimierung der heute verfügbaren Greifertechnologien – Flächen-, Bernoulli- und Vakuumgreifer –, die jeweils charakteristische Vorzüge aufweisen. „Den idealen Greifer für die gesamte Zellfertigung gibt es nicht“, stellt R. Wertz heraus, „denn das Substrat ändert von Prozessschritt zu Prozessschritt seine Oberflächenbeschaffenheit, welche wiederum Rückwirkungen auf die Handlingeigenschaften der Zelle hat.“ Ziel des Projekts sei es daher, für jede spezifische Handlingsituation die am besten geeigneten Greifertechnologie sowie die optimalen Anlagenparameter zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden beispielsweise die beim Aufnehmen der Wafer wirkenden Kräfte gemessen, um ein möglichst schnelles und zugleich schonendes Aufnehmen und Ablegen der Zellen zu ermöglichen.

Präzise Bestimmung der Drehlage
Eine weitere Voraussetzung für ein effektives Handling ist die genaue Kenntnis der Drehlage jeder einzelnen auf dem Förderband angelieferten Zelle. So kann es infolge der hohen Fördergeschwindigkeiten und -beschleunigungen vorkommen, dass Zellen zur Förderachse verdreht liegen (Bild 2). Um die jeweilige Drehlage zu ermitteln, haben die Fraunhofer-Forscher den Vision-Sensor Visor Solar von Sensopart in ihre Testanlage eingebaut, der dem Handhabungsgerät die Winkelinformation liefert. „Damit lassen sich Verdrehungen der Zellen um die Z-Achse oder ein Versatz von der Idealposition während des Handlings korrigieren, sodass jede Zelle präzise in der Sollposition abgelegt wird“, erklärt R. Wertz.
Das winkelgenaue Aufnehmen und Ablegen mit Unterstützung des Vision-Sensors erfolgt schneller und materialschonender, als wenn die Zellen vor dem Greifen durch eine mechanische Vorrichtung ausgerichtet werden. Dabei erfüllt der Sensor die Genauigkeitsanforderungen der IPA-Forscher vollumfänglich: „Eine Genauigkeit von 0,1 ° ist für unsere Untersuchungen vonnöten“, erklärt der Gruppenleiter. Ob es beim Greifen eher auf Schnelligkeit oder auf die Positioniergenauigkeit ankommt, hängt allerdings vom jeweiligen Prozess ab. So wird eine besonders hohe Präzision beispielsweise bei der Ablage rückseitig kontaktierter Zellen verlangt. Der Visor Solar bietet eine Winkelauflösung von 0,001 °. Damit ist er in der Lage, auch 100-mal kleinere Winkelabweichungen, als es die Versuchsbeschreibung verlangt, zu detektieren.

Gleichzeitige Detektion von Kantenausbrüchen
Parallel zur Positionsermittlung kann der Sensor die Zellen optional auf feine Kantenausbrüche untersuchen, sodass angebrochene Zellen sofort aussortiert werden können (Bild 3). Auf diese Weise werden Anlagenkontaminationen durch den Bruch von Zellen vermieden und Ausschuss frühzeitig aussortiert. Auch dies ist ein wichtiger Beitrag zur Steigerung des Durchsatzes und zur Senkung der Systemkosten. Zur Kostenersparnis trägt nicht zuletzt der Visor Solar selbst bei. So bietet er als anwendungsspezifisch vorkonfigurierter Vision-Sensor genau die Funktionen, die für die beschriebenen Prozesse notwendig sind, und ist dabei wirtschaftlicher als eine PC-basierende Bildverarbeitungslösung. Als „Out-of-the-box“-Lösung lässt er sich zudem einfach in bestehende Produktionsanlagen integrieren, ohne dass anwendungsseitig Bildverarbeitungskenntnisse benötigt werden.
„Das System ist wirklich sehr einfach in Betrieb zu nehmen“, bestätigt R. Wertz. „Dabei bietet es einen großen Funktionsumfang. Man kann vieles parametrieren, muss es aber nicht, wenn man es für seinen Prozess nicht braucht.“ Dabei stellen Experten wie er andere Ansprüche als der Anwender in einer Zellfabrik – gerade in Ländern wie China mit gering qualifiziertem Personal kommt es vor allem auf eine einfache, intuitive Bedienung in der Muttersprache der Maschinenbediener an. R. Wertz schätzt, dass Anwender ohne einschlägige Vorkenntnisse den Vision-Sensor binnen eines halben Tages einsatzfertig konfigurieren können. Die Forscher am Fraunhofer IPA brauchten dazu eine halbe Stunde.

Eigenschaften des Visor Solar im Überblick
Der Vision-Sensor stellt eine „Out-of-the-box“-Lösung für die einfache Integration in Produktionsanlagen dar. Im Detail bietet er:
• Präzise Positionserfassung: ±50 µm,
• Drehlagenerkennung: auf 0,001° genau,
• Wiederholgenauigkeit: ±1 µm,
• Erkennung von Ausbrüchen ab 0,5 mm Größe,
• Unterscheidung der Ausbruchsform
(C-Ausbruch, V-Ausbruch),
• Erkennung von Löchern,
• Ausblendung verdeckter Bereiche, zum Beispiel von Förderbändern,
• Erkennung von Bruchstücken auf Wafern (Advanced-Version),
• Erkennung von Busbars bei der Modulmontage (Advanced-Version),
• kurze Zykluszeit: ≥60 ms,
• zuverlässiger Betrieb, auch bei Tageslicht,
• kein Backlight erforderlich,
• geringer Platzbedarf: Arbeitsabstände ab 360 mm sowie
• einfache Konfigurierbarkeit mit PC-Software in der Sprache des Bedieners.

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Autor: Dr. Kai Borgwarth (MBA) ist Head of Market Management bei der Sensopart Industriesensorik GmbH in Gottenheim.