Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de production et robotique IPR (Laboratoire de systèmes robotiques 2 LSRO2)

Microfabrique : méthodologie de conception de systèmes de production miniaturisés et modulaires, disposant d'un environnement salles blanches

Verettas, Irène ; Clavel, Reymond (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3549.

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    Summary
    Since 1990 in Japan and the last years in Europe, the concept of small assembly lines called Microfactories is under investigation. The main goal of this thesis is to establish a methodology for a quick setup of a miniature and modular assembly line. This methodology assists the designer to choose the most appropriate configuration and size of microfactory. In order to achieve the design of the microfactory, it is necessary to create a "configuration database". The "configuration database" contains all the robots, machines and palettes useful for the product assembly. Following a control for the compatibility between product and process properties, the program compares the possible solutions, and proposes the higher throughput or the most economic one. This thesis proves the feasibility of such miniature assembly lines, operating in a clean mini environment, where the assembly process can be done out of a standard clean room. This feature reduces the development and the setup time and the cost of the system. In order to establish the clean room environment, compressed air or other inert gas with the appropriate filters, are used. The microfactory concept is modular, where each module is dedicated to specific assembly process. Each module includes: A system to transform compressed air to laminar flow. A robot to manipulate and to transfer components from the palette to the assembly post. After assembly, the robot transfers the sub-assembly to an adjacent position, which is accessible by the robot of the next assembly module. An entry port which is a system to input and output 50 mm x 50 mm palettes from non-clean environment into the clean one of a module. A clean air jet is purging both palette joins before opening. The palette is opened inside the microbox, without any contamination. The systems for the specific assembly processes (adhesive dispenser, pressing, vision assistance, cleaning, etc.) Measurements are demonstrating the efficiency and the feasibility of this system, using only compressed air and appropriate filters. A prototype is developed to demonstrate the feasibility and to confront directly the real problems of the concept. The working volume of this first prototype is a cubic decimeter. Its useful surface is equal to four times the surface of a palette of 2" (∼ 50 × 50 mm). The time to establish the clean room environment (class 10) is less than two minutes. It is demonstrated by measurement of the air velocity and visualization of the air stream, that compressed air may generate laminar flow using a special device called "homogeneisateur".
    Résumé
    a conception de chaînes d'assemblage miniatures est un domaine en développement depuis les années '90 au Japon et les dernières années aussi en Europe. Le but principal de cette thèse est de trouver une méthodologie pour le développement rapide d'une chaîne de production miniature et modulaire. Cette méthodologie aide le concepteur à choisir la configuration et la taille de la microfactory la plus appropriée à son produit. Une base de données est remplie par le concepteur et comporte toutes les machines, robots et palettes potentiellement utilisables pour la réalisation d'un assemblage demandé. Après vérification de différents critères de compatibilité, notre méthodologie permet de comparer les solutions possibles par rapport au temps ou au coût de production. Cette thèse cherche aussi à démontrer la faisabilité d'une telle chaîne d'assemblage miniature, à environnement propre. Ainsi, l'assemblage des microcomposants sous environnement propre peut être réalisé sans avoir recours à une salle blanche standard. Ceci permet de diminuer le temps de construction, la mise en marche et le coût du système. Une telle chaîne d'assemblage est nommée Microfactory. En utilisant uniquement un réseau d'air comprimé et un système de filtres, on crée l'environnement propre à l'intérieur da la Microfactory. Le concept proposé est modulaire. Dans chaque module sont réalisées les opérations nécessaires pour l'assemblage d'un composant différent. Chaque module dispose: D'un système d'homogénéisation de l'air comprimé. Ce système permet de transformer, après la filtration, l'air comprimé en flux laminaire. D'un robot manipulateur qui transfère les composants qui arrivent sur une palette à la machine d'assemblage. Après l'assemblage il transfère le sous-ensemble terminé à un endroit accessible par le robot du microbox suivant, et ainsi de suite. D'un système (sas) qui permet d'entrer et de sortir les palettes sans contaminer l'environnement propre dans le module, ni les composants. D'une machine spécifique à l'opération nécessaire (sertissage, collage, soudage, lavage, etc.) Une série de mesures a démontré l'efficacité de la filtration de l'air en n'utilisant uniquement des filtres pour l'air comprimé. Un prototype a été réalisé pour démontrer la faisabilité, mais aussi pour affronter directement la problématique de la conception. Le volume de travail adopté pour le premier prototype est d'un décimètre cube. Sa surface utile est égale à quatre fois la surface d'une palette de 2" (∼ 50 × 50 mm). Son temps de mise en marche (obtenir un environnement propre de classe 10) est inférieur à deux minutes. Les mesures de la vitesse de l'air dans le volume de travail et une visualisation du flux, ont prouvé qu'il est possible de transformer l'air comprimé en un flux laminaire en utilisant un dispositif appelé homogénéisateur.