Het ontwerp van duurzame, groene, machines Sjef...Langzamere bewegingen door meerdere (lichte)...

Het ontwerp van duurzame,

groene, machines

OVER ASSEMBLEON

Inleiding

3

SMD componenten (Voorbeeld: Blu Ray speler)

C chips R chips

IC’s

Odd components

Discrete halfgeleiders

4

PCB laden

Stencil printen

Component plaatsen

Solderen

PCB ontladen

Een typische flow line voor electronica …

5

Assembléon’s plaats in de flow line

6

Assembléon hoofdvestiging in Veldhoven

iX Hybrid iFlex

Het leveren van concurrerende oplossingen

voor de elektronische maakindustrie

gebaseerd op onze sterkte in plaatsingsmachines

7

Assembléon wereldwijd

Verkoop & service steunpunten

Regional Center Americas,

Atlanta, USA

Regionaal steunpunt ZO Azie,

Singapore

Regionaal steunpunt China, Suzhou

Regionaal Centrum Azie,

Hong Kong Regionaal Centrum Europa,

Veldhoven, NL

Enkele Assembleon klanten….

8

DUURZAAMHEID

‘Environmental footprint’ van een product

9

Duurzaamheid: Balans in ‘People-Planet-Profit’ (3P)

• Symbiose tussen belanghebbenden

People: Eerlijke en fatsoenlijke levensomstandigheden (welzijn)

Planet: Duurzaam gebruik van natuurlijke hulpbronnen

Profit: Scheppen van economische waarde onder afrek van alle kosten

• Kans: Waarde (business) creatie door verbetering van 3P relatie 10

People

Planet Profit

Equitable

Viable

Bearable

Sustainable

Survival

Fairness

Tolerable

Aanpak duurzaamheid

“Trias Energetica” “Trias Materia”

11

Stap 3: Gebruik fossiele brandstoffen

Zo efficient mogelijk

De duurzaamste energie is bespaarde energie

Stap 3: Gebruik ‘nieuwe’ materialen

Zo efficient mogelijk

De duurzaamste materialen zijn ongebruikte materialen

Meten van milieubelasting: LCA methodologie (ISO 14040-ISO 14044)

12

Inventarisatie

van alle

processen

in de

levensloop

van een

product

Schade

Aan

grondstof-

voorraden

Schade

aan

ecosystemen

Schade

aan

menselijke

gezondheid

Resultaat van

inventarisatie:

Grondstoffen

Landgebruik

Emissies

Model van

de schade

die deze

emissies, land-

en

grondstoffen-

gebruik

oplevert

Weging

van

deze 3

schade

categorieën

Eco

indicator

score

Stap 1 Stap 2 Stap 3

Invloed op

leefmilieu

LCA: Life Cycle Assessment

ENERGIE EFFICIENCY

Analyse van energiegebruik en mogelijkheden voor besparing

13

14

Life Cycle Assessment (LCA) modelleren • Er worden 3 levensfasen onderscheiden:

Fabricage van de machine

Gebruik van de machine

Afdanken van de machine

• Elke fase heeft specifieke invloed op leefomgeving

Fabricage:

• Winnen van benodigde grondstoffen

• Raffineren en verwerken van grondstoffen

• Vervaardigen van onderdelen

• Transport

Gebruik :

• Energiegebruik

• Gebruik van hulpmaterialen (verpakkingsmateriaal van componenten, smeermiddelen,…)

• Onderhoud en reparatie (transport, reserveonderdelen,…)

Afdanken:

• Transport

• Recycling of storten

15

Vereenvoudigde LCA boom van plaatsingsmachine

Staal Aluminium Kunststof Anders

P&P machine assemblage & verpakking

Bewerken

P&P machine transport

P&P machine gebruik

Energie

Energie

Recycling

Afdanken

Storten

Energie

Tijd

Koper

Staal Aluminium Kunststof Anders Koper

Assembleren

Transporteren

Gebruiken

Ontginning & raffinage van grondstoffen

16

Energiegebruik van plaatsingsmachine

• Energie voor aandrijving en besturing

• Energie voor perslucht

• Energie voor conditioneren van productieomgeving

Verlichting

Lucht conditionering (drogen/verwarmen/koelen)

• Energie voor herstel van defecte producten

• Energie voor onderhoud en reparatie

Transport (service personeel, reserve onderdelen)

17

Resultaat: Eco indicator voor plaatsingsmachine (Voorbeeld: Assembléon iX-501)

Grootste invloedsfactor: energiegebruik!

Bron: SimaPro (LCA modelleringssoftware)

Klein = fijn!

18

Lijn A: Assembléon iFlex

Lijn B

Lijn C

Lijn D

Lijn E

Boven Onder

• Voorbeeld: Industriële controller

• Aantal componenten: 1308

– Boven: 814 componenten

– Onder: 494 componenten

• Transport: dubbelspoor

• Lijn capaciteit: 75.000 [cph]

Alle lay-outs op zelfde schaal!

Kleinere machines

Kleinere fabriek

Goedkoper / minder energie

Energie efficiency verbetering

• Aanzienlijke energiebesparing is mogelijk door keuze van machine architectuur

(parallel pick & place concept)

Langzamere bewegingen door meerdere (lichte) robots minder energie

Minder vacuum pipetten nodig minder energie nodig voor maken van vacuum

19

Monitor

Monitor

Parallel pick & place concept

0

50000

100000

150000

200000

250000

iFlex B C D E

Annual energy needed for rework [kWh]

Annual energy needed for airco & lighting [kWh]

Annual compressed air energy consumption [kWh]

Annual energy consumption (75kcph line, average) [kWh]

Perslucht: een dure vorm van energie!

• 1 kW = 10 m3 perslucht per uur

• Lekverliezen (gemiddeld): 16%

• Kostprijs (gemiddeld) per m3 : 0,025 EUR

Voorbeeld:

• Sequentiële P&P machine met 80 nozzles

• Werkelijke output: 55.000 [cph]

• Luchtgebruik: 990 [Nl/min]

• Jaarlijkse kosten voor perslucht: ca. 10.000 EUR!

Sequentieel: veel nozzles

Parallel: weinig nozzles

Massa spiraal

21

Prestatie ↑

Energie gebruik ↑

Massa ↑

Energie gebruik ↑

BMW 1600 (1964)

Motor: 1600 cc

Vermogen: 63 kW

Massa: 1070 kg

0-100 km/h: 14 s.

BMW 316i (2009)

Motor: 1600 cc

Vermogen: +43%

Massa: +33%

0-100 km/h: -21%

• Een hogere prestatie van een machine (output,

nauwkeurigheid) maakt het noodzakelijk om de

machine stijver (vaak ook: zwaarder) te maken en

een krachtiger aandrijving (vaak ook: zwaarder) te

kiezen. Hierdoor worden de prestaties van deze

machine negatief beïnvloedt, waardoor wederom

een stijvere (‘zwaardere’) en krachtiger (‘zwaardere’)

aandrijving nodig is.

• Hoe te doorbreken?

• Toepassen moderne lichtgewicht materialen

• Parallelle machineconcepten i.p.v. seriële

machineconcepten

• Voorkom stapeling van bewegende massa’s

• Toepassen van direct drive actuatoren met hoge

energiedichtheid

BMW 316i (2013)

Motor: 1600 cc

Vermogen: +59%

Massa: +27%

0-100 km/h: -36%

Machine: ACM / AQ

• Output (IPC-9850): 4800 [cph]

• Kostenniveau: 100%

• Materiaal X-balk: Staal

• Max. versnelling robot (Y): 12 [m/s2]

• Max. snelheid robot (Y): 1.4 [m/s]

• Totale bewegende massa (Y): ca. 80

[kg]

• Stijfheid (Y): 3.107 [N/m]

• Energiegebruik per output: 100%

Machine: AX-201

• Output (IPC-9850): 11000 [cph]

• Kostenniveau: 53%

• Materiaal X-balk: CFC

• Max. versnelling robot (Y): 32.5 [m/s2]

• Max. snelheid robot (Y): 2.2 [m/s]

• Totale bewegende massa (Y): ca. 50

[kg]

• Stijfheid (Y): 7.107 [N/m]

• Energiegebruik per output: 70%

Voorbeeld: Herontwerp H-drive robot van ACM plaatsingsmachine

23

Doorbreken van massaspiraal : iFlex robot met lineaire motoren

• Lichte & stijve robotarmen (CFC)

• Lichtgewicht magneten

• Magneetkrachtcompensatie

lichtere rechtgeleidingen

Optimalisatie van bewegingsprofielen

24

Korte afstand:

• Max. snelheid wordt niet bereikt

• Veel dissipatie in korte tijd

meer opwarming

Lange afstand:

• Max. snelheid wordt wel bereikt

• Dissipatie over langere tijd

minder opwarming

I [A]

I [A]

Optimalisatie van output binnen thermische grenzen

• Strategie: Bewegingsparameters

(j,a,v) aanpassen, zodanig dat

thermische grenzen niet

overschreden worden bij een max.

haalbare output

• Deze strategie is erg efficiënt

• Als de bewegingstijd met 1 tot 2%

verhoogd wordt dan zal de

dissipatie in de motor al met 10 tot

17 % afnemen (bij bord breedte

van 200 mm).

Output vs dissipation

0.0%

5.0%

10.0%

15.0%

20.0%

25.0%

30.0%

35.0%

40.0%

0.0% 1.0% 2.0% 3.0% 4.0% 5.0%

Effect on output

Dis

sip

ati

on

red

ucti

on

Energie buffering in servo systemen

• De energie die ‘vrij komt’ bij vertragen (vorige cyclus) wordt tijdelijk opgeslagen en

wordt gebruikt bij versnellen (volgende cyclus)

Hierdoor aanzienlijke energiebesparing (ca. 20-30%)

Deze technologie wordt ook toegepast is elektrische auto’s 26

Energie buffering

Bewegingscyclus i Bewegingscyclus i+1

(Nog) meer besparen: ‘dual lane’ concept

27

• Bij dubbelsporig transport in de flowlijn is de gebruiker in staat om zowel bovenzijde

als onderzijde van het bord tegelijkertijd van onderdelen te voorzien

– Optimale balancering van arbeidsinhoud (minder pick & place machines nodig)

– Slechts een (reflow) soldeeroven nodig

• Resultaten

– Minder energiegebruik (besparingen tot ca. 40-50% mogelijk)

– Minder vloeroppervlak (besparing tot ca. 25% mogelijk)

REPARATIE EN ONDERHOUD

Duurzaamheidsaspecten

28

Enkele typische problemen bij storingen….

• Storingen komen altijd ongelegen en op vervelende tijdstippen

• Vaak te weinig kennis om problemen zelf op te lossen

• Vaak specialistische gereedschappen / meet- en afstelmiddelen

nodig voor reparatie

• Service engineers moeten van ver komen (lange reistijd, aanzienlijke

reiskosten)

• Productie ligt stil zolang storing niet verholpen is

• Reserveonderdelen soms niet tijdig beschikbaar

29

Internet

VPN

2nd /3rd line

Engineer

Assembléon

Network

Customer

Network

Assembléon server: 1 access point for all

systems

Fire walls

Architectuur voor diagnose op afstand

Remote Service

Center

VPN Tunnel

Customer Repair On Site

Remote diagnostics & service support Minder reizen lagere transportkosten en minder CO2

emissie

Minder geschoold onderhoudspersoneel nodig spaart

kosten

Snellere diagnose & reparatie minder stilstand

31

32

Customer Repair On Site (CROS)

Voor herontwerp:

• Geïntegreerd ontwerp

• Speciale opleiding & speciaal gereedschap nodig

• Reparatie in centrale, gespecialiseerde, werkplaats

Na herontwerp:

• Modulair ontwerp

− Opdeling: zelf repareren (80%)/ laten repareren (20%)

• Geen speciale opleiding & gereedschap nodig

• Reparatie ter plekke door klant

Voorbeeld: Plaatsingskop

Customer Repair On Site (“no” special equipment/calibration)

Flex. cables

Linear encoder

Ribbon cables

Motor-encoder

combinationAir tube

CROS: Voordelen voor de klant

• Uitwisselen van defecte module (SWAP) voor minimale stilstand(< 2 min)

• Eenvoudige en snelle reparatie ter plekke

• Geen speciale gereedschappen vereist

• Lagere reparatiekosten

• Minder transport (lagere transportkosten en minder CO2 emissie)

• Minder afval

33

GROENE MACHINES

Conclusies en aanbevelingen voor ontwerp

34

Economische voordelen groene pick & place machines

Conventionele machine

• Investering: 100%

• Gemiddelde levensduur: 100%

• Energiegebruik: 100%

• Persluchtgebruik: 100%

• Benodigd vloeroppervlak: 100%

• Machine gewicht: 100%

• Restwaarde (end-of-life): 10%

• Reparatie & onderhoud (% of inv): 3%

• Resultaat: Integrale kosten (p. jaar): 100%

Groene machine

• Investering: 100%

• Gemiddelde levensduur: 140%

• Energiegebruik 70%

• Persluchtgebruik: 85%

• Benodigd vloeroppervlak: 70%

• Machine gewicht: 90%

• Restwaarde (end-of-life): 15%

• Reparatie & onderhoud (% of inv): 2%

• Resultaat: Integrale kosten (p. jaar): 70%

35

Groene machines geven een aanzienlijke kostenbesparing

en dragen bij aan een duurzamere wereld

36

Ontwerpen van groene machines

• Ontwerp & materiaalkeuze

Herbruikbare materialen

Gebruik van lichtgewicht materialen, m.n. voor bewegende delen

Duurzame materialen en constructies (lange levensduur , onderhoudsarm, hoge beschikbaarheid)

Diagnose en serviceondersteuning op afstand

Maak reparatie ter plekke mogelijk (CROS)

• Doorbreken van massaspiraal

Stijve, lichtgewicht materialen

Parallelle machineconcepten i.p.v. sequentiële

Geen gestapelde constructies

Compacte, lichte, machines

• Energiezuinige aandrijvingen

Optimalisatie van output versus energiegebruik (bewegingsparameters)

Geen overbrengingen, maar ‘direct-drive’ aandrijvingen (lineaire motoren)

Energiebuffering in servo systemen

• Eliminatie van perslucht / vacuum

Indien noodzakelijk: vacuumpompen

• Energiezuinige voedingen (beperking van stand-by mode)

• Hoge kwaliteit van eindproducten

Minder (liefst geen) reparatiewerkplekken nodig

37

Sjef van Gastel

19 november 2013