Robots mobiles pour environnements de salle blanche

Les systèmes de transport sans conducteur ou les véhicules à guidage automatique (robots mobiles) destinés aux applications en salle blanche conservent encore un caractère quelque peu exotique. Toutefois, le marché est en pleine croissance. Que ce soit dans la production de semi-conducteurs, l’industrie pharmaceutique ou les technologies médicales, les robots mobiles peuvent révolutionner le transport de matériaux dans des environnements de production sensibles, comme le montrent les exemples présentés ici.

Poussières, pollen, particules en suspension, aérosols… jusqu’à 10 millions de particules étrangères peuvent être mesurées dans un seul mètre cube d’air de montagne sain et supposé pur. En revanche, selon la classe ISO de la salle blanche, les seules particules détectables dans un mètre cube d’air d’un environnement de fabrication de semi-conducteurs ou de produits pharmaceutiques se situent dans une plage de 20 à 30 µm. Ce niveau de pureté est indispensable, car la moindre particule peut altérer le fonctionnement d’une micropuce ou l’efficacité d’un médicament – ce qui n’a rien d’étonnant lorsque l’on sait qu’en production de semi-conducteurs, la limite de tolérance concerne des structures de moins de 100 nm, soit environ un millième du diamètre d’un cheveu humain.

Le marché de nombreux produits fabriqués en environnement de salle blanche est en pleine croissance. Il suffit de penser aux wafers et aux micropuces présents dans chaque smartphone et chaque voiture, ainsi que dans presque tous les appareils électroménagers, souvent en combinaison avec d’autres composants sensibles tels que les écrans ou les surfaces tactiles.

Étant donné l’importance capitale de la propreté dans ce domaine, les équipements utilisés pour la production de semi-conducteurs doivent eux-mêmes être fabriqués en conditions de salle blanche. Et comme, par exemple, les systèmes complets de lithographie pour l’impression des wafers peuvent peser plus de 100 tonnes, il est également indispensable de garantir un transport interne « propre » des composants de ces installations. Dans ce cadre, Stäubli a collaboré avec deux fabricants de premier plan d’équipements pour la production de semi-conducteurs afin de développer des robots mobiles de forte capacité, pouvant transporter des charges allant jusqu’à 24 tonnes.

Dans les salles blanches, la principale raison d’utiliser des robots mobiles diffère de celle des secteurs automobile et autres qui font déjà un usage intensif de cette technologie. Il ne s’agit pas ici principalement de continuité des processus ou d’automatisation, mais de limiter le contact avec le personnel, qui constitue toujours une source potentielle de contamination en salle blanche. Comme le robot mobile ne quitte jamais la zone de production, il n’introduit même pas les plus fines particules contaminants. Les ponts roulants ne sont pas non plus une option en production en salle blanche, en raison du risque de débris dus à l’abrasion. C’est pourquoi les équipements lourds et leurs composants doivent être transportés au niveau du sol, par exemple à l’aide de véhicules à plateforme sans conducteur.

Stäubli a mis en place une zone de production dédiée à ce сегмент d’activité en pleine croissance – d’abord sous la forme d’une simple structure provisoire au sein de la zone de production, puis aujourd’hui comme une installation de production en salle blanche indépendante, située dans un hall séparé. La création de cet espace dédié s’est révélée relativement simple en comparaison des importants efforts de développement nécessaires à la conception de robots mobiles compatibles avec les salles blanches, lesquels incluent la sélection et la qualification de matériaux et de composants adaptés.

« Les utilisateurs de robots mobiles pour salles blanches nous transmettent leurs spécifications de propreté, qui sont très détaillées. De nombreux matériaux requis ont déjà été testés, mais il y en a toujours certains – souvent des plastiques – qui ne figurent pas dans les spécifications et que nous devons alors soumettre à des essais approfondis », explique Fabian Forster, Chef de projet chez Stäubli. Ces essais comprennent notamment l’analyse du dégazage sur l’ensemble du cycle de vie des composants, ainsi que l’abrasion engendrée par le fonctionnement des robots mobiles. Il va de soi que chaque test doit être documenté de manière détaillée.

Deux exemples illustrent le niveau de précision de ces essais. Elena Baunoch, Chef de projet chez Stäubli, précise : « Les gaines des câbles électriques doivent être traitées en surface, c’est-à-dire recuites ou recouvertes, par exemple au moyen de soufflets ou de gaines thermorétractables compatibles avec les salles blanches. De plus, comme de l’abrasion peut se produire lors du desserrage et du serrage des assemblages vissés, nous devons également utiliser ici des matériaux homologués ou procéder à des tests approfondis pour chaque combinaison de matériaux. »

Les essais réalisés, ainsi que le travail de documentation et de coordination associé aux deux premiers projets de robots mobiles pour salles blanches, ont mobilisé un collaborateur à temps plein pendant six mois. Jan Louwen, Global Head of Mobile Robots chez Stäubli, est convaincu que le temps et les investissements consentis porteront leurs fruits : « Nous sommes désormais à un stade très avancé, tant sur le plan de la technologie de production que de l’organisation et du savoir-faire, ce qui nous permet de gérer les projets suivants avec beaucoup moins d’efforts et des délais de réalisation plus courts. »

Le personnel de la zone de production en salle blanche, séparée par un sas pour le personnel et les matériaux, a également mis en place des routines pour l’assemblage de ces robots mobiles hautement sophistiqués dans des conditions très spécifiques – en portant des vêtements de salle blanche et en utilisant des outils compatibles avec les salles blanches.

Le marché de nombreux produits fabriqués en environnement de salle blanche est en croissance. On peut citer, par exemple, les wafers et les micropuces présents dans chaque smartphone et chaque voiture, ainsi que dans presque tous les appareils électroménagers, souvent associés à d’autres composants sensibles tels que les écrans ou les surfaces tactiles.

Étant donné l’importance cruciale de la propreté dans ce domaine, les équipements utilisés pour la production de semi-conducteurs doivent eux-mêmes être fabriqués dans des conditions de salle blanche. Et comme les systèmes complets de lithographie pour l’impression des wafers peuvent, par exemple, peser plus de 100 tonnes, le transport interne « propre » des composants de ces installations doit également être garanti. Pour répondre à cette exigence, Stäubli a collaboré avec deux fabricants de premier plan d’équipements de production de semi-conducteurs afin de développer des robots mobiles de forte capacité, capables de supporter des charges allant jusqu’à 24 tonnes.

Dans les salles blanches, la principale raison d’utiliser des robots mobiles diffère de celle observée dans l’industrie automobile et dans d’autres secteurs qui exploitent déjà largement cette technologie. Il ne s’agit pas ici de continuité des processus ou d’automatisation, mais de limiter le contact avec le personnel, qui constitue toujours une source potentielle de contamination en salle blanche. Comme le robot mobile ne quitte jamais la zone de production, il n’introduit même pas les plus fines particules de contamination. Les ponts roulants ne sont pas non plus adaptés à la production en salle blanche, en raison du risque de débris résultant de l’abrasion. C’est pourquoi les équipements lourds et leurs composants doivent être transportés au niveau du sol, par exemple à l’aide de véhicules à plateforme sans conducteur.

Les deux premiers robots mobiles pour salles blanches livrés par Stäubli sont utilisés pour déplacer des composants et des segments d’équipements pesant jusqu’à 24 tonnes au sein d’environnements de salle blanche de classe ISO 7 et/ou pour les transporter de l’assemblage des composants à l’assemblage final. Ils assurent ces tâches avec un très haut niveau de fiabilité, sans vibrations et, surtout, sans introduire la moindre contamination. Les robots mobiles sont commandés à distance. L’un des deux premiers clients combine les contrôleurs de deux robots mobiles en mode maître‑esclave, de sorte qu’un véhicule suive l’autre.

Du point de vue de l’utilisateur, ce nouveau concept de flux de matériaux offre des avantages évidents, comme en témoigne le fait que les deux clients ont déjà passé des commandes supplémentaires de robots mobiles de forte capacité auprès de Stäubli.From a user perspective, the new material flow concept brings clear advantages, as is evidenced by the fact that both customers have already ordered additional heavy-duty mobile robots from Stäubli.

Stäubli prévoit désormais d’ouvrir de nouveaux champs d’application pour les robots mobiles destinés aux salles blanches, en complément de la production de semi‑conducteurs. « Nous avons acquis une expertise spécialisée et une position unique sur le marché, que nous allons transférer à d’autres secteurs utilisateurs », déclare Louwen. L’accent sera mis, cette fois, sur l’industrie pharmaceutique. Toutefois, dans ce secteur, la demande porte davantage sur des flottes de robots mobiles assurant le transport de palettes et de conteneurs que sur des robots mobiles de forte capacité.

Stäubli s’intéresse également à une autre application, encore plus exigeante, dans cette industrie. Le système de robot mobile HelMo, pour lequel Stäubli fournit l’unité d’entraînement et de rotation à ses collègues de la division Robotics à Bayreuth, pourrait prendre en charge des tâches de manipulation dans des domaines totalement différents de la production pharmaceutique. Là encore, une production sans intervention humaine permet d’éviter des émissions de particules inutiles et de simplifier les processus dans l’environnement de salle blanche. Stäubli présentera ce concept à l’industrie. Pour ce faire, le robot mobile HelMo doit simplement être équipé pour une utilisation en salle blanche, un domaine dans lequel Stäubli dispose déjà d’une solide expertise.

Text: Ralf Högel