Azbil sensoren geven Sioux CCM-printstraat hogere nauwkeurigheid

CCM uit Nuenen – sinds anderhalf jaar onderdeel van Sioux – staat bekend als ontwikkelaar en toeleverancier van mechatronische modules en systemen. Meestal doet het bedrijf dat voor externe opdrachtgevers, maar het ontwikkelt ook producten in eigen beheer.

Een daarvan is de Generic Substrate Carrier (GSC), een stalen lopende band die geschikt is om een substraat heel nauwkeurig en met hoge snelheid onder bijvoorbeeld een reeks inkjetkoppen door te bewegen.

“Een normale lopende band wordt voortdurend mechanisch gecorrigeerd zodat hij niet van de rollers afglijdt”, vertelt CCM-cto Arend-Jan Beltman. “Dat maakt dat zo’n band nooit stilstaat, maar voortdurend wiebelt.”

Een alternatieve methode om de band te controleren, is om de afstand tussen de rollers te variëren. “Daarmee introduceer je echter spanningen in de band en het middelpunt van de band beweegt. Dat wil je ook niet.”

Gert van Ooik, mechatronicadesigner bij CCM, vult aan: “Voor een resolutie van 300 dpi lukt het nog wel met de conventionele systemen. Die moet je dan wel heel goed instellen en er daarna vooral niet meer aankomen. Maar als je naar 600 dpi of zelfs 1200 dpi wil, volstaat het niet meer. Over een afstand van zo’n tweeënhalve meter zitten allerlei koppen die verschillende kleuren printen. Die zitten zo ver uit elkaar dat het beeld verschoven wordt opgebouwd. Je moet er dus voor zorgen dat de druppels steeds op de goede plek komen en de overlap goed is. Dat stelt gigantisch hoge eisen aan de mechatronica en aan de meetsystemen.”

10 micrometer nauwkeurigheid met Sentech-sensoren

CCM heeft een techniek geïntroduceerd en geoctrooieerd, waarbij het de band continu vasthoudt met reluctantie-actuatoren. Beltman: “Met gewone rollers is het ondoenlijk om een substraat goed en precies te transporteren. Kleine krachten in het substraat leiden al snel tot stress en dan ben je je nauwkeurigheid kwijt. Wij hebben een oplossing bedacht waarbij de eigenschappen van het substraat uit de vergelijking kunnen worden gehaald. De truc zit hem in het feit dat we gebruikmaken van een stalen band die nauwelijks gevoelig is voor spanningsvariaties en die wordt aangedreven door een gesegmenteerde rol. Met die segmenten kunnen we invloed uitoefenen op de band en hem sturen.”

De drager bestaat uit een zeer nauwkeurige rvs band van 0,3 millimeter dik. Hij is typisch 1,25 meter breed en ruim acht meter lang maar op aanvraag kan CCM daarin variëren. In de band zitten kleine gaatjes zodat het substraat met vacuüm tijdelijk kan worden vastgezogen.

“In een ideale wereld is de rand recht en kun je een eenvoudige terugkoppellus maken”, aldus Van Ooik. “In de praktijk zit er echter ongeveer een halve millimeter variatie in. Best netjes maar niet goed genoeg voor de applicatie. We willen namelijk toe naar een nauwkeurigheid van beter dan 10 micrometer.”

Als je wilt manipuleren, moet je ook meten. CCM heeft daarom twee sensoren geïntroduceerd die de positie van de band meten. Ze hebben een C-vorm met zenders in de onderste poot en ontvangers in de bovenste. De sensoren staan ongeveer twee meter uit elkaar langs de band.

“Er zijn twee sensoren nodig omdat er nog een tweede vrijheidsgraad in de band zit: hij kan ook een beetje draaien rond de z-as”, legt Van Ooik uit.

Beste performance met Azbil-sensoren van Sentech

De huidige GSC is al de derde generatie van de machine. In de eerdere twee generaties gebruikte CCM een sensor die alleen de lichtintensiteit registreert op basis van position sensitive device-technologie. Hoe verder de band de sensor in stak, hoe minder licht er werd doorgelaten.

“Het werkte redelijk goed, maar louter intensiteit bleek in de praktijk toch niet voldoende als maat voor de positie”, vertelt Van Ooik. Een klein beetje strooilicht en je zit er al naast.

CCM stapte over naar ccd-technologie. “Die is minder gevoelig voor dit soort fenomenen”, weet Van Ooik. Hoewel CCM de stalen band met een afdekstrip in toom houdt, blijven er kleine hoogteverschillen in het spel. “Ccd-sensoren kunnen daar goed mee omgaan. Dat hebben we gevalideerd. We hebben op verschillende hoogtes gemeten maar dat had geen effect op de outputwaarde.”

De designers uit Nuenen haalden drie aanbieders door de mangel: Keyence, Sensor Partners en Sentech. Daarbij letten ze op onder meer nauwkeurigheid, reproduceerbaarheid, lineariteit, resolutie en responstijd. “Uiteindelijk leverde Sentech met zijn Azbil K1G-sensoren de beste performance voor deze toepassing”, aldus Van Ooik. Ook dit zijn C-vormige sensoren met een zender-ontvangercombinatie.

Sentech-accountmanager Sean Ram: “De zender is een rij lasers. Bij elkaar vormen ze een lineaire bundel van zeven millimeter breed. De ontvanger is een serie ccd-pixels. Als er een object in dat lichtgordijn komt, kun je de dekkingsgraad bepalen; hoeveel pixels zijn er afgedekt?”

De ontvanger bestaat dus uit discrete pixels. Ram: “Daartussen kunnen we interpoleren om een hogere resolutie te halen. Dat kan door de contouren van de afzonderlijke pixels te vergelijken. Daarmee alleen kom je echter niet aan de resolutie zoals we die in de specs hebben gezet.”

Azbil past nog meer methodes toe om de resolutie van het meetsysteem te verbeteren, maar daar mag Ram niet veel over zeggen. De gegevens van de zender en de ontvanger gaan naar een controller. Die bevat standaard een scala aan functies voor onder meer lengte- of breedtebepaling.

“In dit systeem zit een controller die vier sensorkoppen tegelijk kan verwerken. De twee koppen in de GSC zitten dus op dezelfde controller aangesloten. Ook een derde sensor, die alleen in de kalibratiefase wordt gebruikt, wordt op deze controller aangesloten”, aldus Ram.

Supersnelle responsetijd

De Azbil-sensoren halen een resolutie van 0,1 micrometer en een herhaalnauwkeurigheid van 1 micrometer. Ram: “Voor dit type sensoren is dat vrij nauwkeurig.” Van Ooik: “We hadden een budget van tien micron, maar aan de sensor wilden we hooguit een paar mu toekennen. Dat is gelukt.”

De responstijd van de sensor was een issue, aldus Van Ooik. “Hij is onderdeel van een feedbacklus. Voor een snelle regeling is een korte responstijd van de sensor van essentieel belang. In de specificaties las ik dat Azbil een sensor in zijn assortiment had met een updatefrequentie van 4 kHz. Dat is mooi, dacht ik, zeker voor een systeem op basis van ccd. Helaas was die niet in Europa verkrijgbaar omdat hij nog niet emc-gekeurd is.”

Op aandringen van Sentech probeert Azbil de sensor nu toch op de Europese markt te krijgen, ook al stond dat niet op de roadmap van het Japanse bedrijf. Strikt noodzakelijk is dat overigens niet voor CCM. De responstijd van een halve milliseconde die de huidige sensor heeft, is voorlopig voldoende.

“Op dit moment krijgen we slechts sporadisch de vraag voor een GSC die op zijn maximale snelheid van 2 m/s kan draaien”, vertelt Van Ooik, “maar het kan natuurlijk zijn dat de printkoppen straks sneller kunnen werken. Hopelijk hebben we tegen die tijd alleen een firmware-update nodig om over te schakelen van 2 naar 4 kHz.”

Succesvolle en effectieve samenwerking

De inspanning van Sentech bij Azbil is kenmerkend voor de samenwerking tussen de sensorspecialist en CCM. Ram: “Samen met CCM hebben we het testtraject doorlopen. Dan kom je regelmatig resultaten tegen die niet zo eenvoudig te verklaren zijn. Hoe moet je die metingen dan interpreteren? Door onze goede relatie met Azbil konden we snel antwoord geven. En toen er snel een sensor nodig was voor een update bij een klant, regelde Sentech binnen twee dagen dat alles aanwezig was.”

CCM-cto Beltman: “Dat werkt heel plezierig. Via Sentech hebben we direct contact met de ontwikkelaars van de sensor in Japan.” Van Ooik voegt toe: “Normaal gesproken kom je daar niet zo snel binnen. Lastige vragen voor een ontwikkelafdeling blijven vaak liggen als je zoals wij maar een kleine klant bent. Daar kom je gewoon niet tussen.”

Beltman weer: “Bij CCM worden we blij van leveranciers die meedenken. Het zijn bij ons over het algemeen geen straightforward applicaties. Dit project is niet het eerste; we hebben in het verleden ook al verschillende malen succesvol samengewerkt met Sentech.”

De GSC is, zoals gezegd, bedoeld voor het transport van substraten. Dat kan papier, folie, glas of panelen zijn. Praktijktests doet CCM veel met DJM uit Harderwijk, een specialist op het gebied van inkjetprinten die veel applicatiekennis inbrengt. De GSC is al eens toegepast in een grensverleggend systeem om interconnects te maken tussen zonnecellen.

“We zien bij veel klanten dat ze problemen hebben met het transport van substraten, zeker als het om folies gaat”, aldus Beltman. Namen wil hij nog niet geven, maar Beltman claimt dat er ‘behoorlijk wat geïnteresseerde partijen’ zijn.

“Het is een conservatieve markt en niemand wil de eerste zijn. Veel bedrijven bekijken het als een interessante oplossing voor een uniek probleem. Met één klant zijn we al een eind op weg; dat zou een mooie serie kunnen gaan worden.”

Waar ligt jouw uitdaging? Challenge onze challengers!