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