Beschichtungstechnologie 2.0: Wie Software die Herstellung von photonischen Komponenten revolutioniert
3D-FF – Anspruchsvolle Freiformbeschichtung flächiger und 3-dimensionaler Substrate durch Inline-Sputtertechnik", Teilvorhaben: "Integration von Berechnungs- und Simulationsmodulen in die Anlagensoftware für komplexe Freiformbeschichtungen"
Forschungspartner: Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, LSA GmbH Leischnig Schaltschrankbau Automatisierungstechnik, Von Ardenne GmbH, SeeReal Technologies GmbH und TU Dresden (Institut für Festkörperelektronik und Mathematik), Kontron AIS GmbH
Bei der Herstellung photonischer Komponenten für optische Anwendungen spielt Beschichtungstechnologie eine entscheidende Rolle. Um die präzise Herstellung großflächiger Schichtsysteme zu ermöglichen, sind kontinuierliche Verbesserungen und Innovationen in der Magnetron-Sputter-Technologie im Inline-Prinzip erforderlich. Im Rahmen des Verbundsprojektes 3D-FF wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um die Möglichkeiten der Beschichtungstechnologie zu erweitern. Dabei spielte das Software-Know-how von Kontron AIS und die Integration von Berechnungs- und Simulationsmodellen in die Anlagensoftware eine wichtige Rolle. In diesem Blogbeitrag werfen wir einen genaueren Blick auf die Innovationen in der Beschichtungstechnologie und die entscheidende Rolle der Software bei der Realisierung dieser Fortschritte.
Die Entwicklung einer neuen Steuerungssoftware
Im Rahmen des Projektes wurde eine neue Generation der Steuerungssoftware ToolCommander® entwickelt, bei deren Entwicklung großer Wert auf Einfachheit und Flexibilität gelegt wurde. Das Softwareframework zur Anlagensteuerung sollte intuitiv bedienbar sein, um neuen Entwickler*innen eine schnellere Einarbeitung zu ermöglichen und die Zusammenarbeit mit externen Entwicklungsteams zu erleichtern. Durch die Integration von Fremdmodulen, den Austausch einzelner Module und die Integration von Funktionen zur Datenanalyse wurde eine hohe Anpassungsfähigkeit der Software erreicht. So können Anwender*innen das System entsprechend ihrer eigenen Expertise anpassen oder einzelne Module komplett austauschen.
Ein wesentlicher Fortschritt war die Schaffung eines neuen Standards für die Maschinentechnologie durch den ToolCommander®. Dies ermöglichte es anderen Ingenieurunternehmen, ihre eigene Maschinensoftware auf der Grundlage der Plattform des ToolCommander® zu entwickeln. Diese offene und modulare Architektur hat einen neuen Markt für Softwarelösungen in der Beschichtungstechnologie geschaffen und den Weg für weitere Innovationen geebnet.
Mit der neuen Generation des ToolCommander® Softwareframeworks hat die Beschichtungstechnologie einen entscheidenden Schritt nach vorne gemacht. Die innovative Steuerungssoftware bietet Präzision, Flexibilität und Anpassungsfähigkeit, die für die Herstellung großflächiger Schichtsysteme für optische Anwendungen unerlässlich sind.
Simulationen in der Beschichtungstechnologie: Der Schlüssel zur präzisen Freiformbeschichtung
Um die präzise Beschichtung von 3D-Substraten zu ermöglichen, wurden umfangreiche Simulationen der Freiformbeschichtung durchgeführt. Diese berücksichtigten die Schichtdickenverteilung während des Beschichtungsprozesses und ermöglichten die Ermittlung spezifischer Steuerparameter für die spezifischen Schichtprofile. Für die Freiformbeschichtung mit dem ToolCommander® wurde eine angepasste Steuerungssoftware entwickelt. Die Umstellung der technologischen Basis erleichterte die Austauschbarkeit der einzelnen Module und die Integration von Datenanalysefunktionen, die Teil der Bewertung der Beschichtungsprozesse sind. Der vereinfachte Aufbau wird in Abb. 1 dargestellt.
Die vier Bestandteile sind:
- Operations: Visualisierung der Benutzeroberfläche für Anlagennutzer*innen. Alle sichtbaren Funktionen sind hier angesiedelt.
- Object-Pool: Darstellung der datentechnischen Basis der Anlage. Hier werden die wesentlichen benötigten Daten konsolidiert. Dazu gehören neben den Ist- und Sollwerten der Anlage auch Daten von Rezepten, Aufträgen und weiteren betriebsbedingt notwendigen Datenstrukturen.
- Datenbank: Da der Object-Pool ist für die Persistierung der Daten zuständig ist, werden diese im aktuellen Design in einer relationalen Datenbank gespeichert.
- Kernel: Diese Anwendung ist für die Anlagensteuerung zuständig und besitzt als einzige den Zugang zur Hardware der Anlage wie Aktorik und Sensorik. Der Kernel stellt die kritische Komponente dar und arbeitet auch ohne die restlichen Komponenten insofern alle notwendigen Daten vorhanden sind. Die Kommunikation erfolgt ausschließlich über den Object-Pool.
Inversion of Control (IoC): Revolutionäre Lösungen für Abhängigkeiten in der Softwareentwicklung
Inversion of Control hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Software entwickeln, grundlegend zu verändern. In der Vergangenheit waren Softwarekomponenten eng miteinander verknüpft und Änderungen an einer Stelle im Code hatten oft weitreichende Auswirkungen auf andere Bereiche. Dies führte zu einer hohen Code-Kopplung und erschwerte die Wartbarkeit und Erweiterbarkeit von Software.
IoC-Frameworks bieten einen innovativen Ansatz zur Lösung dieses Problems, indem sie die Abhängigkeiten zwischen Softwarekomponenten reduzieren. Anstatt dass der Code die Kontrolle hat, dreht IoC die Abhängigkeiten um: Der Benutzer schreibt den Code und das Framework ruft ihn zum richtigen Zeitpunkt auf. Dies ermöglicht eine flexiblere Handhabung des Lebenszyklus und es eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Auflösung von Abhängigkeiten.
Eine wichtige Komponente ist der IoC-Container. Dieser übernimmt die Verwaltung der Implementierungen und ermöglicht die korrekte Auflösung der im Konstruktor einer Komponente spezifizierten Abhängigkeiten. Der IoC-Container entkoppelt die Komponenten voneinander und verbessert die Wartbarkeit, Erweiterbarkeit und Testbarkeit der Software.
Dank IoC-Frameworks und der Verwendung von IoC-Containern können sich Entwickler auf die Entwicklung qualitativ hochwertiger Code-Logik konzentrieren, während die Verwaltung und Auflösung von Abhängigkeiten vom Softwareframework übernommen wird.
Einheitenbehaftete Werte: Konsistenz und Flexibilität in der Softwareentwicklung
Einheitenbehaftete Werte ermöglichen eine präzisere Modellierung und erhöhte Zuverlässigkeit in der Software. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde in der neuen Generation des ToolCommander® ein innovativer Ansatz gewählt. Anstatt nur die reinen Zahlenwerte zu betrachten, werden Parameter sowie Ist- und Sollwerte als Werte mit Einheiten modelliert. Dies verdeutlicht die Relevanz der Maßeinheiten und stellt eine hohe Konsistenz in der Software sicher.
Auch implizite Umrechnungen zwischen verschiedenen Einheiten sind so möglich, was die Datenverarbeitung erleichtert und potenzielle Programmierfehler reduziert. Ein praktisches Beispiel ist die Temperaturmessung. Durch die Verwendung einheitenbehafteter Werte kann die Temperatur in Kelvin erfasst werden, während sie auf der Benutzeroberfläche in Grad Celsius angezeigt wird, ohne dass Programmier*innen explizite Umrechnungen vornehmen müssen.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von einheitenbehafteten Werten liegt in der Fehlervermeidung. Durch logische Prüfungen können potenzielle Programmierfehler vermieden werden, die auftreten können, wenn inkompatible Typen miteinander verrechnet werden sollen. Beispielsweise würde die Verrechnung eines Wertes in Kilogramm mit einem Wert in Grad Celsius zu einem inkonsistenten Ergebnis führen. Dagegen ist es problemlos möglich, konvertierbare Werte mit unterschiedlichen Einheiten miteinander zu verrechnen, z. B. Druck in Pascal mit Druck in Torr.
Dieser Ansatz verbessert die Konsistenz, Flexibilität und Fehlervermeidung erheblich. Entwickler*innen können sich mehr auf die eigentliche Logik ihrer Anwendungen konzentrieren, da sie nicht mehr konstant auf Einheitenumrechnungen achten müssen. Einheitenbehaftete Werte sind ein wichtiger Schritt in Richtung intelligenter und intuitiver Softwareentwicklung und wurden daher als eines der innovativen Features bei der Entwicklung des ToolCommander® berücksichtigt.
Eine hierarchische Modellierung im ToolCommander®: Nachbildung der Maschinenstruktur mit Nodes
Die Nachbildung der Maschinenstruktur ist ein wesentlicher Bestandteil der Softwareentwicklung im ToolCommander®. Hierbei werden Nodes in einer hierarchischen Struktur verwendet, um die Beziehungen zwischen den verschiedenen Elementen der Anlage abzubilden. Diese Elemente können beispielsweise Ventile, Motoren, Prozesskammern oder sogar die gesamte Anlage selbst sein. Alle Nodes basieren auf einer gemeinsamen Basisklasse, der Node-Klasse.
Durch Beziehungen zwischen den Nodes wird die Struktur der Anlage im System modelliert. Zur Veranschaulichung ist in Abb. 2 ein Beispiel für eine solche Anlage dargestellt.
Nodes werden in einer hierarchischen Struktur verwendet, um die Beziehungen zwischen den verschiedenen Anlagenelementen abzubilden. Diese Methode ermöglicht eine präzise Modellierung und schafft eine intuitive Entwicklungsumgebung. Die hierarchische Struktur realisiert eine enge Verbindung zwischen der realen Maschinenstruktur und der Software und verbessert die Nachvollziehbarkeit und Verständlichkeit. Zudem ermöglicht sie eine modulare und skalierbare Entwicklung, da neue Komponenten einfach hinzugefügt oder bestehende Nodes modifiziert werden können, ohne die gesamte Struktur zu beeinträchtigen.
Die Abbildung der Maschinenstruktur mit Nodes im ToolCommander® ermöglicht eine präzise Modellierung von Anlagen und Maschinen in der Software. Die hierarchische Struktur verdeutlicht die Beziehungen zwischen den einzelnen Elementen und schafft eine intuitive Entwicklungsumgebung. Diese Verbindung zwischen realer Welt und Software eröffnet eine effizientere Entwicklung, bessere Wartbarkeit und ein verbessertes Benutzererlebnis.
Der ToolCommander® hebt wird die Softwareentwicklung auf eine neue Ebene der präziseren und realitätsgetreueren Darstellung von Anlagen und Maschinen. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung dieser innovativen Ansätze werden die Beschichtungstechnologie stetig verbessert und neue Maßstäbe gesetzt.
Benutzerfreundlichkeit und intuitive Interaktion: Die Gestaltung der Benutzeroberfläche in ToolCommander®
Im ToolCommander® wurde großer Wert auf die Erstellung einer sorgfältigen Informationsarchitektur gelegt, um die verschiedenen Daten des Systems sinnvoll zu strukturieren.
Ein weiterer wichtiger Aspekt war die Entwickelung eines Interaktionskonzeptes, das die Handlungen und Bedürfnisse der Nutzer abbildet. Die Benutzeroberflächen wurden so gestaltet, dass die Oberfläche sowohl ansprechend als auch intuitiv zu bedienen sind, sodass ein Entwickler sie später leicht in Code umsetzen kann.
Um eine konsistente Benutzererfahrung zu gewährleisten, wurde ein UI-Styleguide erstellt, der die grundlegenden Aspekte wie Farbpaletten, Schriftarten und Schriftgrößen definiert. Dadurch wird ein einheitliches Erscheinungsbild der Benutzeroberfläche erreicht.
Im Rahmen des Forschungsprojektes 3D-FF wurden neue Wege zur Verbesserung der Magnetron-Sputter-Technologie beschritten, um hochpräzise Beschichtungssysteme für photonische Komponenten zu ermöglichen.
Ein Meilenstein in diesem Prozess war die Entwicklung der neuen Generation Steuerungssoftware ToolCommander® von Kontron AIS. Sie ermöglichte nicht nur eine schnellere Anpassung und Erweiterung der Maschinentechnik, sondern schuf auch die Grundlage für die Integration von Simulationsmodellen. Diese Simulationen von Freiformbeschichtungen lieferten wertvolle Erkenntnisse und ermöglichten die Ermittlung spezifischer Steuerungsparameter. Durch den Einsatz von Inversion of Control (IoC) wurde die Softwareentwicklung flexibler und wartungsfreundlicher. Einheitswerte trugen dazu bei, die Konsistenz und Flexibilität der Software zu verbessern und Fehler zu vermeiden.
Die Modellierung der Maschinenstruktur mit Nodes ermöglichte eine präzisere und realitätsgetreuere Darstellung der Anlagen. Die hierarchische Struktur und die klare Organisation der Komponenten schufen eine intuitive Entwicklungsumgebung. Gleichzeitig wurde die Gestaltung der Benutzeroberfläche sorgfältig durchdacht, um eine benutzerfreundliche und intuitive Interaktion zu gewährleisten.
Diese Fortschritte haben die Beschichtungstechnologie auf ein neues Level gehoben und eröffnen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für photonische Komponenten in optischen Anwendungen.
Mit der Neuentwicklung des ToolCommander® entstand eine neue Generation des Maschinenframeworks, die hochkomplexe Beschichtungen ermöglicht. Die Modularisierung und Integration externer Module erlauben zudem die Zusammenarbeit mit Partnern zur Lösung komplexer Aufgaben. Damit ist Kontron AIS in der Lage, in neue Bereiche und Branchen vorzudringen, die bisher nicht bedient werden konnten.
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