Virksomheden Topsil har i samarbejde med DTU reduceret fejl i produktionen ved at udnytte digital billedanalyse.
Når højhastighedstoget suser forbi, eller vindmøllen kobles til, stilles der store krav til de elektroniske komponenter. En vigtig del af komponenterne er såkaldte halvledere. Det er materialer, som har elektriske ledningsevner i området mellem metal og perfekte isolatorer som porcelæn. Hvis ikke halvlederne opfylder meget præcise krav, så sker der en kortslutning, når spændingen måles i kilovolt, og det er både dyrt og farligt. Derfor skal halvlederen – f.eks. silicium – være fremstillet ultraren, så ledningsevnen er præcist defineret.
Og det er lige præcis det, Topsil kan: fremstille verdens reneste silicium, der indgår som den vigtigste komponent i dioder, transistorer og andre mikrochips, som alle elektroniske kredsløb er opbygget af. De stænger af silicium, som Topsil producerer, bliver skåret i papirtynde skiver, der har fuldstændig ensartede elektriske egenskaber på hele skivens overflade.
”Det er det reneste faststof, der findes på Jorden. Og det er et krav, når man producerer computerchips til stærkstrøm,” forklarer Topsils produktionsleder, Christian Hindrichsen.
Ét krystal bliver to meter langt
Det silicium, Topsil producerer, fremstiller de ved en proces, der kaldes float zone. Her smelter de råproduktet – amorft silicium – og får ved nedkøling et enkelt siliciumkrystal til at vokse sig til en to meter lang og 100 kg tung stang, uden at det smeltede silicium på noget tidspunkt kommer i berøring med siderne af den stålbeholder, processen foregår i. Og det er helt essentielt, pointerer produktionslederen:
”Hvis det smeltede silicium kommer i kontakt med andre materialer, så vil det blive forurenet.”
Float zone-teknikken er en yderst kompliceret proces, og kun fem virksomheder i verden kan fremstille siliciumhalvledere i storskala på denne måde. Så Topsil er en del af en lille elite. Billigere fremstillingsmetoder kan også anvendes til fremstilling af siliciumhalvledere, men det resulterer i et mere urent produkt, som ikke kan anvendes til at lede stærk strøm i vindmøller og i andre stærkstrømsapparater.
Fremstillingsprocessen er dog så kompleks, at det ikke kan undgås, at der opstår fejl i produkterne, som derfor må kasseres.
Kameraovervåget produktion
"Når man fremstiller et produkt uden fejl, så undgår man spild. En fremstillingsproces optimeret til at være fejlfri bruger også mindre energi. Det gør nulfejlsproduktion mere bæredygtig."
Lektor Guido Tosello, DTU Mekanik
For at nedbringe fejlene har Topsil gennem de seneste ti år skruet op for digitaliseringen af produktionen. Og det er kolossale datamængder, som Topsil opsamler, når de producerer 24-7.
Hele fremstillingen af siliciumkrystallet bliver kameraovervåget, og data fra kameraerne bliver anvendt til at regulere processen, alt efter hvad billederne viser. Men der kan trækkes mange flere data ud af billederne. Topsil stillede sig derfor spørgsmålet, om ikke disse data kunne fortælle endnu mere til gavn for produktionen.
”Kan vi få yderligere information ud? Måske om renhed af råvarerne, renhed af krystallet eller fluktuationer i processen,” uddyber Christian Hindrichsen.
Avanceret billedanalyse
Og her kommer DTU ind i billedet. Topsil henvendte sig til seniorforsker Matteo Calaon fra DTU Mekanik. De besluttede at starte et forskningsprojekt, hvor man gennem mønstergenkendelse i store datamængder opdager fejl på et tidligt tidspunkt og automatisk korrigerer processen, så fejlene elimineres. Forskningsprojektet udføres som et ph.d.-studie af Tingtin Cheng, som foretager avanceret analyse af billeder fra kameraovervågningen af siliciumfremstillingen.
Tingtin Cheng anvender maskinlæring (en gren af kunstig intelligens, red.) til at analysere de store datamængder. På basis af et begrænset antal billeder af krystalproduktionen, hvor der har været forskellige fejl, udfører hun avanceret billedanalyse og laver computerkoderne, som beskriver fejlsignaturerne i disse billeddata. Koderne bliver så anvendt til at oplære en computer i at analysere mange tusind billeder. Computeren inddeler efterfølgende billederne i grupper alt efter typen af computerregistrerede produktionsfejl. Når disse data bliver samkørt med andre data fra produktionen, kan Topsils ingeniører måske se nogle mønstre. Det kan være bestemte maskiner eller bestemte leverandører, som typisk giver fejl, eller det kan være bestemte tidspunkter, hvor fejlene opstår. Og så kan Topsil justere deres produktion, så fejlene minimeres. Det er på dette stadie, projektet står i øjeblikket.
Næste skridt bliver at foretage realtidsanalyse af billederne og få computere til automatisk at korrigere processen, mens produktionen foregår. På den måde vil Topsil kunne stoppe eller justere en fejlproduktion, inden den er løbet til ende, og dermed yderligere nedbringe fejlprocenten.
Digiman4.0
Forskningsprojektet er en del af det EU-finansierede forsknings- og uddannelsesprogram Digiman4.0. Programmets navn står for digital manufacturing, altså digital fremstilling, og fire-tallet refererer til begrebet industri 4.0 – den fjerde industrielle revolution, hvor digitalisering spiller en helt afgørende rolle.
”Digiman4.0 er et stort trænings- og forskningsprogram rettet mod fremstillingsindustrien. Målet er at skabe eksperter i integration af digitale processer i fremstillingsproduktion,” fortæller Guido Tosello, lektor ved DTU Mekanik samt leder og initiativtager til Digiman4.0.
Færre fejl øger bæredygtigheden
Digital fremstilling er ikke et ukendt begreb inden for fremstillingsindustrien, men det er primært de store industrikæmper, som for alvor har omfavnet teknologien. Små og mellemstore virksomheder halter bagefter, og det er disse virksomheder, Digiman4.0 er rettet mod. Målet med digitaliseringen er at forbedre fremstillingsprocesserne og skabe bedre produkter. Ultimativt søger man mod det ambitiøse mål at opnå nulfejlsproduktion.
”Nulfejlsmålet er et nyt paradigme i EU. Det hænger nøje sammen med ønsket om bæredygtighed. Når man fremstiller et produkt uden fejl, så undgår man spild. En fremstillingsproces optimeret til at være fejlfri bruger også mindre energi. Det gør nulfejlsproduktion mere bæredygtig,” forklarer Guido Tosello og uddyber:
”Vejen mod den fejlfri produktion går via analyse af eksisterende procesdata i produktioner, hvor der jævnligt opstår fejl. Hvis vi i data finder mønstre, som fører til fejl, så er opgaven for forskeren at korrigere produktionen gennem nye digitale processer, så fejlene ikke opstår.”
Denne metodik indgår i alle projekterne i Digiman4.0, og det er målet gennem programmet at definere en procedure, som kan anvendes generelt til at opnå nulfejlsproduktion.
Nulfejlsproduktion er dog ikke målet for Topsil i denne omgang. Men det er realistisk at nedbringe fejlene med adskillige procenter, vurderer Christian Hindrichsen. Produktionslederen sætter især sin lid til den planlagte automatiserede korrektion af produktionen via realtidsanalyse af billederne. Her vil digitaliseringen for alvor slå igennem i produktionen af verdens reneste faststof.