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5 gammes de robots pour salles propres

CHARLES FOUCAULT cfoucault@industrie-technologies.com
Grains de sable dans les rouages de la fabrication de produits à haute valeur ajoutée, les microparticules en suspension mettent en péril la qualité. La propreté des environnements de production est devenue une priorité. Dans les salles dites propres, l'intervention humaine est un risque de contamination à éviter au maximum. Devant l'ouverture de ce marché, les fabricants de robots ont adapté leurs gammes pour qu'elles répondent aux exigences imposées par les normes.

L'expression « salle blanche » est encore beaucoup entendue mais, à part dans le spatial, les normes utilisent désormais le terme « salle propre ». Depuis novembre 2001, l'Iso 14644-1 a remplacé le Federal Standard 209E, elle définit la salle propre comme une pièce où la concentration de particules en suspension est maîtrisée. Classée en neuf catégories, Iso 1 à 9, la propreté des salles dépend des quantités maximales de particules de diamètres 0,1 à 5 µm qui y sont admissibles par mètre cube d'air. Préoccupation originelle des militaires américains et de la recherche spatiale, la chasse à la poussière s'est développée avec l'avènement de la microélectronique et l'utilisation des semi-conducteurs. Les salles propres se sont multipliées dans les usines de production de dalles d'écrans plats, de téléphones portables et autres gadgets électroniques depuis la fin des années 1990. Les industries pharmaceutique, cosmétique, photovoltaïque, agroalimentaire et le nucléaire ont suivi le mouvement. Aujourd'hui, même la plasturgie et l'automobile s'y mettent.

L'homme étant le principal vecteur de contamination, sa présence doit être limitée en salle propre. L'automatisation d'un maximum d'opérations est donc nécessaire. Pour cela les constructeurs de robots ont dû, à leur tour, répondre aux critères imposés par la norme.

Repenser la conception et modifier la fabrication

Les marques déclinent désormais tout ou partie de leur gamme en « robots pour salles propres ». Tous sont des adaptations de robots standards pour lesquels la conception a été repensée pour limiter la rétention et la création de particules. Un effort de design vers des lignes fluides permet d'éviter les angles, si propices à l'accumulation de poussière, et facilite le nettoyage. Les matériaux sont également différents : « Les pièces critiques, apparentes, sont en Inox à rugosité contrôlée pour la plupart », explique Jean-Baptiste Mayon, ingénieur développement de l'intégrateur EEPI. Même combat pour les joints d'étanchéité, en caoutchouc NBR pour la gamme standard Fanuc, ils sont en caoutchouc CR ou en caoutchouc fluor pour la série salle propre.

Des spécificités apparaissent aussi dans la fabrication et le montage. Certains sous-ensembles doivent eux-mêmes être assemblés en salle propre et des opérations de nettoyage sont ajoutées tout au long de la chaîne de production. Étapes supplémentaires de la lutte contre les aspérités : les câbles et moteurs sont carénés le plus possible et les pièces de fonderie sont polies avant d'être peintes. Élément primordial de par son importante surface de contact avec le milieu extérieur, la peinture doit montrer patte blanche. Tout craquellement est inenvisageable et l'aspect doit être lisse, facilitant un nettoyage parfois réalisé à l'alcool auquel la peinture doit donc résister. Elle est blanche dans la grande majorité des cas pour que toute salissure soit facilement repérable. ABB et Stäubli ont opté pour une peinture polyuréthane. Kuka en a choisi une de type bicomposant époxy recouverte de vernis et s'offre l'originalité de la proposer en noir. Si la présence dans l'air de substances chimiques spécifiques est un risque pour le produit, les peintures subissent un test de dégazage de composés organiques volatils. La norme Iso 14644-8 régit la présence dans l'air de ces molécules et définit le protocole à utiliser pour les mesurer.

« Nous ne peignons pas les pièces qui peuvent être démontées durant la maintenance pour éviter toute création de particule. Il nous faut donc réaliser manuellement des épargnes de peinture pour nos robots destinés aux salles propres », ajoute Philippe Charles, responsable produits chez ABB, qui traite la bride de ses robots au nickel pour lutter contre une autre source de contamination : la corrosion. « Chez Fanuc, pour l'éviter, nous appliquons des traitements spéciaux sur les éléments extérieurs comme les engrenages des axes 3 et 4, les roulements à rouleaux de l'axe 5 ou la visserie », indique Florence Bertaux, la responsable développement et marketing de Fanuc Robotics France. Des inserts plastiques sont d'ailleurs ajoutés sur les têtes de vis, véritables nids à poussière. Les câbles qui ne peuvent être intégrés dans les bras sont regroupés dans des gaines pour éviter les frottements lors des mouvements de l'appareil.

Ces modifications impliquent des opérations manuelles supplémentaires. D'autre part, des tests de qualité jalonnent la fabrication. Le temps de production s'allonge par rapport à celui des robots standards. Il en résulte qu'un robot pour salle propre est 5 à 20 % plus cher que son homologue classique.

Le principal organisme de validation de la qualité Iso 14644-1 en Europe est le Fraunhofer IPA (Institut Produktion und Automatisierung). Il mesure en différents points du robot et à différentes vitesses de fonctionnement l'émission de particules dans l'air. Selon la quantité émise, le robot reçoit ou non un certificat IPA indiquant la classe de propreté (Iso 1 à 9).

Préserver la salle propre et définir le besoin

De leur lieu de production à l'endroit où ils seront implantés, ces engins sortent couverts. Et plutôt deux fois qu'une : « Nous livrons les robots dans une double enveloppe de protection pour qu'ils soient installés directement après avoir été déballés. La seconde, ajustée aux dimensions de la machine, est enlevée juste avant d'entrer dans la salle blanche », précise Philippe Charles.

Pour limiter la présence de l'homme en zone propre, l'armoire de commande du robot est en général placée à l'extérieur. Dans le même but, les constructeurs utilisent des composants plus résistants que pour les robots standards, pour que les opérations de maintenance, mêmes préventives, reviennent moins souvent. « Nous utilisons une huile de synthèse particulière dans les réducteurs d'axe 1, 2 et 3. Elle est plus chère mais dure plus longtemps », prend pour exemple Jean-François Germain, le directeur commercial de Kuka.

Comme pour un robot classique, la première chose à établir pour une entreprise voulant se munir d'un robot pour salles propres est le cahier des charges des tâches qu'il devra accomplir. Ce robot devra-t-il déplacer des objets ? En remplir ? En marquer ? Quels poids feront ces objets ? Quel rayon d'action devra couvrir son bras ? Le mouvement qu'il effectuera sera-t-il complexe ? Se fera-t-il dans des zones exiguës ? Devra-t-il le réaliser vite ? Avec quelle précision ?

Un robot Iso 4 doit supporter le processus de décontamination

Une fois ces besoins purement robotiques définis, le futur utilisateur peut, avec l'intégrateur, choisir le robot adéquat en fonction de la classe de la salle propre dans laquelle il évoluera. Ici, la fidélité est la règle : « Les entreprises achètent en général des robots pour salles propres de même marque que ceux qu'elle a déjà en environnement non contrôlé. C'est à la fois plus simple pour la programmation et pour un besoin éventuel de pièces de rechange », constate Norbert Albalat, intégrateur chez Eri Vallon, concepteur et constructeur de machines spéciales.

Dans le domaine des semi-conducteurs, l'utilisateur final ne choisit ni ne gère les robots de classe Iso 1 à 3 qui manipulent les plaques de silicium. Ils sont intégrés dans les machines-outils. Moins exigeants que les semi-conducteurs, les environnements de production pharmaceutique et cosmétique ont des contraintes particulières et disposent de leurs propres recommandations : les BPF (bonnes pratiques de fabrication). Pour obtenir le grade A des environnements stériles, un robot peut être Iso-4 mais il doit être capable de supporter le processus de décontamination VHP (peroxyde d'hydrogène vaporisé). C'est pour répondre à ces spécificités sectorielles que Stäubli a conçu le Stericlean. Au-delà de sa résistance au H2O2, le fût qui sert à fixer le robot dans les autres gammes et présente des oeillets de moulage pour les vis est remplacé par un tronc de cône, vissé depuis l'extérieur de la zone. C'est d'ailleurs en ciblant ces marchés de niches que, depuis la Suisse, Stäubli a su s'imposer face aux géants américains et japonais. « Les robots salles propres et Stericlean représentent 30 à 50 % de notre production », indique Sylvie Algarra, responsable activité science de la vie chez Stäubli. La barre des 5 % de la production totale est rarement dépassée chez leurs concurrents.

Avec l'arrivée des nanotechnologies, les constructeurs devront encore faire évoluer leurs gammes pour répondre aux spécificités de ce domaine. Même si aujourd'hui il s'agit davantage de protéger les hommes des nanoparticules que le contraire.

POUR ÉVITER TOUTE CRÉATION DE PARTICULES, IL N'Y A PAS DE PEINTURE SUR LES PIÈCES QUI PEUVENT ÊTRE DÉMONTÉES DURANT LA MAINTENANCE.

NICHE

Les robots pour salles propres sont surtout destinés à l'industrie pharmaceutique et à la production des semi-conducteurs.

Des normes aux changements

Pour répondre aux besoins de la production en salles propres, les constructeurs de robots ont lancé des gammes dédiées. Ils ont revu la conception, la fabrication et le montage de leurs bras automatisés pour diminuer la quantité de particules émises. Selon le niveau de propreté atteint, ils sont estampillés d'Iso 1 à 9, d'après les catégories définies par la norme Iso-14644-1. Pour intervenir sur les plaques de silicium de l'industrie des semi-conducteurs, les classes les plus propres sont exigées. Ce marché, presque exclusivement asiatique, est moins porteur en Europe que l'industrie pharmaceutique qui accepte des robots de classe 4 mais ajoute des contraintes.

LE PLUS IMPOSANT

- KR 500 - 2CR DE KUKA Né d'une collaboration entre Kuka et Samsung, le KR 500-2 CR est le mastodonte du marché. Son poids de 2 350 kg le cantonne à de gros sites de production. On le retrouve surtout en Asie et particulièrement en Corée chez Samsung SDI et LG Electronics. Ses 6 axes lui permettent de réaliser des opérations de manutention sur des dalles d'écrans plats après leur fabrication. N'intervenant que dans le secteur du contrôle, sur des dalles fermées, il n'a pas besoin d'être Iso 3. Mais il peut intervenir malgré tout en salle propre et est certifié Iso 6. Dernière originalité : il est noir. C'était une demande du premier client qui s'est transformée en marque de fabrique. - FICHE TECHNIQUE Nombre d'axes 6 Charge nominale 500 kg Rayon d'action 2 350 mm Classe de salle propre Iso 6 Répétabilité ± 0,15 mm

LE PLUS SPÉCIFIQUE

- STERICLEAN DE STÄUBLI En se spécialisant dans les robots destinés à la pharmaceutique, Stäubli est devenu l'entreprise la plus performante et la mieux placée en Europe dans ce domaine. Pour les opérations les plus proches des médicaments dans la production industrielle, dans les laboratoires ou en préparation médicale, une décontamination du matériel au peroxyde d'hydrogène est exigée. Stäubli a sorti la série Stericlean qualifiée GMP (Good Manufacturing Processes) de par sa résistance à ce nettoyage drastique. Les connexions systèmes et utilisateurs sont protégés sous la base du robot. Souvent installés dans un isolateur, ces robots offrent une faible emprise au sol pour une large enveloppe de travail. - FICHE TECHNIQUE Nombre d'axes 6 Charge nominale 1,7 à 7 kg Rayon d'action 515 à 1 450 mm Classe de salle propre Iso 4 Répétabilité ± 0,02 à ± 0,04 mm

LE PLUS SIMPLE

- COBRA S350 CR/ESD D'ADEPT D'une hauteur de 798 mm pour un rayon d'action de 350 mm, le Cobra s350 est minimaliste mais efficace. De type Scara, ce robot 4 axes de 20 kg peut être intégré dans un espace confiné. Il est notamment utilisé à différents stades de la fabrication de disques durs, tels la mise en place des disques, le vissage, l'assemblage des têtes, ou la certification. Il est validé pour salle blanche Iso 4 et dispose d'une surface de dissipation électrostatique empêchant la formation d'électricité statique, susceptible d'attirer des particules, durant l'opération. En option il peut bénéficier de la capacité de vision d'Adept qui permet une adaptation du mouvement en temps réel et sans temps d'arrêt. - FICHE TECHNIQUE Nombre d'axes 4 Charge nominale 5,5 kg Rayon d'action 350 mm Classe de salle propre Iso 4 Répétabilité ± 0,015 mm (XY), ± 0,010 mm (Z)

FRANÇOIS RICHARD RESPONSABLE INTÉGRATION DES NOUVEAUX ÉQUIPEMENTS EN PRODUCTION CHEZ TRIXELL« L'entretien se complexifie avec plusieurs marques »

« Nous fabriquons des détecteurs numériques qui remplacent les films à rayons X de radiologie. Pour répondre aux règles strictes qui encadrent la fabrication d'applications médicales et pour éviter les défauts sur les clichés, toutes les étapes de production des détecteurs sont faites en salles blanches. Deux robots Stäubli RX 170 HPCR (Iso 5) sont dans la salle de couplage. Ils se relaient pour effectuer les opérations de passage d'une dalle équipée de circuits intégrés et de photodiodes en silicium d'un poste à un autre, jusqu'au scellement avec le scintillateur. Nous avons aussi un robot Fanuc (Iso 7) en fin de chaîne. Le choix des robots a été fait par les fournisseurs qui ont construit les salles propres. Nous serons plus regardants quant aux marques de robots à l'avenir. En avoir plusieurs complexifie la maintenance. »

5 GAMMES DE ROBOTS POUR SALLES PROPRES

ADEPT 5 robots Viper s650 et s850 ; cobra s350, s600 et s800 CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES Nombre d'axes 4 ou 6 Charge nominale 5 à 5,5 kg Rayon d'action 350 à 854 mm Répétabilité ± 0,003 à ± 0,03 mm Classe Iso 3 et 4 20 000 à 50 000 euros LES PLUS En option, une caméra peut être ajoutée. Elle permet au robot de repérer en temps réel la manière dont il faut saisir la pièce. www.adept.com ABB 13 robots IRB 140, IRB 140T, IRB1600 (4 tailles), IRB6640 (7 tailles) 2 de plus mi-2010 : IRB120 et IRB4600 CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES Nombre d'axes 6 Charge nominale 6 à 235 kg Rayon d'action 800 à 3 200 mm Répétabilité ± 0,03 à ± 0,07 mm Classe Iso 5 et 6 27 000 à 51 000 euros LES PLUS Le pupitre de commande peut être totalement configuré par l'acquéreur. Le pupitre fonctionne sous Windows CE. www.abb.fr FANUC 4 robots LR Mate 200iC/5C, 200iC/LC ; M-6iB/6C ; M-710iC 50 CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES Nombre d'axes 6 Charge nominale 5 à 50 kg Rayon d'action 704 à 2 050 mm Répétabilité ± 0,02 à ± 0,07 mm Classe Iso 5 ou 4 en option 30 000 à 40 000 euros LES PLUS À contre-courant de la multiplication des sous-traitants, Fanuc construit lui-même 98 % de tous les composants de ses robots. www.fanucrobotics.fr KUKA 11 robots KR : 5 sixx R650CR, R850CR, 16CR, 16 L6 K-CR, 30-3 CR, 60-3 CR, 180-2 CR, 180 L130-2 CR, 210 L150-2 CR, 240 L180-2 CR, 500-2 CR CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES Nombre d'axes 6 Charge nominale 5 à 500 kg Rayon d'action 650 à 3 101 mm Répétabilité ± 0,02 à ± 0,15 mm Classe Iso 3 à 6 30 000 à 75 000 euros LES PLUS Kuka a développé son SAV en même temps que sa gamme : en France, un technicien a été formé aux spécificités des salles propres et est dédié au suivi des robots que Kuka y installe. www.kuka-robotics.com STÄUBLI 14 robots TX : 40 CR, 60CR/SCR, 60 LCR/SCR, 90 CR/SCR, 90 L CR/SCR, 90 XL CR/SCR, 200 CR ; RX : 130 CR, 160 CR, 160 L CR, 170 CR, 170 L CR, 170 HP CR ; TX Stericlean CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES Nombre d'axes 6 Charge nominale 1,7 à 100 kg Rayon d'action 515 à 2 194 mm Répétabilité ± 0,02 à ± 0,06 mm Classe Iso 2, 4 20 000 à 50 000euros LES PLUS Stäubli propose une série baptisée « Plastics » dédiée à la plasturgie qu'elle ne qualifie pas de Cleanroom ou Supercleanroom (CR/SCR) mais qui est tout de même Iso 5. www.staubli.fr

Un marché plutôt asiatique

En 2007 et 2008, le marché global des robots a pesé respectivement 5,9 et 6,2 milliards de dollars, d'après le département statistique de l'IFR (International Federation of Robotics). Sur ces deux années, 12 % des robots vendus dans le monde étaient des robots pour salles propres. Sur les 11 000 bras automatiques que cela représente, 82 % sont désormais en Asie, 17 % aux États-Unis et 1 % en Europe. Cela s'explique par la mainmise de l'Asie sur la production de semi-conducteurs et de disques durs. La répartition des robots pour salles propres pourrait s'équilibrer si l'Europe prend à temps le train du photovoltaïque et des nanotechnologies, sans se laisser dépasser par l'Orient express.

REYMOND CLAVEL DIRECTEUR DU LSRO (LABORATOIRE DE SYSTÈMES ROBOTIQUES DE L'EPFL)« Des minisalles ultrapropres »

« Pour assurer la propreté d'une salle blanche, il faut éviter que l'homme y entre. Dans ce but, nous travaillons sur des "microfabriques" qui sont des minisalles blanches ultrapropres de 12 centimètres de côté. A l'intérieur, un petit robot est intégré, son mécanisme est en dehors de l'espace utile pour éviter toute contamination. Il peut être utilisé pour l'assemblage de petits éléments en microélectronique ou en pharmaceutique. On peut imaginer qu'il dessine les motifs sur les circuits intégrés, dont la résolution est déjà inférieure à 35 nm, ou même qu'il travaille directement sur les cellules en biomédical et sur les nanoparticules. La température, l'humidité et la pression sont des paramètres très importants quand on parle en nanomètres. Dans nos petites boîtes, ces variables sont faciles à gérer. »

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