Rhine labs 4.0, a dispersed, virtually planned and jointly used micro-technology laboratory

Micro-technology allows for modern and “smart” objects for communication, mobility, everyday life and health. In the past, the micro-technology partnership between Vorarlberg university of applied sciences and NTB Buchs was maintained on an informal basis. In this project, the foundation has been laid for the institutionalised joint use of the respective infrastructure and expertise. The production of these objects takes place in clean rooms with controlled temperature and moisture and free from dust. The rooms contain specialist machines and devices. This infrastructure is very cost-intensive in terms of procurement, maintenance and care, and is complex to use. It has to be intensively used to capacity and administered accordingly. The processes that lead to a final product, such as an acceleration sensor, are carried out one after the other in a form of “process chain”. This represents a major challenge, in that maintaining a complete process chain with several specialist system is very resource-intensive and not always reasonable for a government research institution. Designing a process chain that is based on a “dispersed infrastructure” is demanding, but the condition for this is that the experts for the individual steps work closely together, can access the infrastructure on a precise time basis, and document all process and process parameters consistently. To now be able to produce micro-systems based on a “joint process chain”, a “joint but dispersed laboratory” is to be set up, which enables processing of substrates cross-Rhine. This project will create new aspects that will have to be resolved jointly, and which range from legal to administrative and organisational matters, involving the topics of IT, teaching and quality management. Our joint project establishes a joint clean room laboratory with: - dispersed infrastructure, whereby the combined system equipment can be used by both institutions; - virtual planning, so that process chains and logistical units can be handled systematically; IT tool for planning as well as a virtual representation of both clean rooms should be set up for this - The main aim of this project is to establish institutional cooperation between FHV and NTB in such a way that a complete process chain can be carried out jointly and maintained sustainably. To achieve a practicable, economic solution that is accepted well by employees, some real components or systems will be executed during the project to serve as tangible examples and test cases for the solution envisaged. This cooperation will lead to the consolidation of both partners in all three aspects of the research applied: - a considerably extended service for industrial customers, which enables the acquisition and execution of ambitious projects - a platform for the training and further training of students, with which the most up-to-date production processes and the control of an entire process chain, consisting of such procedures and the problems associated with them, can be confronted - a considerably extended service for the academic partners, with the opportunity to release good publications together.

Mikrotechnik, ermöglicht moderne und "smarte" Objekte für Kommunikation, Mobilität, alltägliches Leben und Gesundheit. In der Vergangenheit wurd die Zusammenarbeit der Mikrotechnik von der FH Vorarlberg und NTB Buchs auf einer informellen Basis gepflegt. In diesem Projekt soll nun die Grundlage für eine institutionalisierte gemeinsame Nutzung der jeweiligen Infrastruktur und des jeweiligen Know-hows gelegt werden. Die Herstellung dieser Objekte findet in Reinräumen mit kontrollierter Temperatur, Feuchte und Staubfreiheit statt, in denen spezialisierte Maschinen und Geräte stehen. Diese Infrastruktur ist sehr kostenintensiv in Beschaffung, Unterhalt und Versorgung und komplex zu bedienen. Sie muss entsprechend intensiv ausgelastet und bewirtschaftet werden. Die Prozesse, die zu einem finalen Produkt führen, wie z.B. zu einem Beschleunigungssensor, werden hintereinander in Form einer „Prozesskette“ durchgeführt. Eine große Herausforderung besteht darin, dass für eine staatliche Forschungsinstitution die Pflege einer vollständigen Prozesskette mit mehreren spezialisierten Anlagen sehr ressourcenintensiv und teils nicht sinnvoll ist. Eine Prozesskette zu entwerfen, die auf „verteilter Infrastruktur“ beruht, ist anspruchsvoll, bedingt dies doch, dass die Experten für die einzelnen Schritte eng zusammenarbeiten, auf die Infrastruktur zeitlich genau geplant zugreifen können und alle Prozesse und Prozessparameter konsequent dokumentieren. Um nun auf einer „gemeinsamen Prozesskette“ basierend Mikrosysteme herstellen zu können, soll ein „gemeinsames aber verteiltes Labor“ eingerichtet werden, das rheinübergreifendes Prozessieren von Substraten ermöglicht. Dieses Vorhaben schafft neue Aspekte, die gemeinsam geklärt werden müssen, die von rechtlichen über administrativen und organisatorischen Fragen bis hin zu Themen der IT, der Lehre und des Qualitätsmanagement reichen. Unser gemeinsames Projekt etabliert ein gemeinsames Reinraumlabor mit verteilter Infrastruktur, wobei der kombinierte Anlagenpark beider Institutionen genutzt werden kann; virtueller Planung, damit Prozessketten und logistische Einzelheiten systematisch behandelt werden; dazu soll ein IT-Tool zur Planung sowie eine virtuelle Darstellung beider Reinräume eingerichtet werden Das Hauptziel dieses Projektes ist es, die institutionelle Kooperation zwischen FHV und NTB so zu etablieren, dass eine vollständige Prozesskette gemeinsam durchgeführt und nachhaltig gepflegt werden kann. Um zu einer praktikablen, wirtschaftlichen und von den Mitarbeitern gut angenommenen Lösung zu gelangen, werden während des Projekts einige reale Komponenten bzw. Systeme realisiert, um als konkrete Beispiele und Testfälle für die angestrebte Lösung zu dienen. Diese Zusammenarbeit führt zur Stärkung beider Partner in allen drei Aspekten angewandter Forschung: ein wesentlich erweitertes Angebot für industrielle Kunden, das die Akquise und Durchführung von ambitionierten Projekten ermöglicht einer Plattform zur Aus- und Weiterbildung von Studenten, die mit modernsten Fertigungsverfahren und mit der Steuerung einer ganzen Prozesskette aus solchen Verfahren und den damit verbundenen Problemen konfrontiert werden können ein wesentlich erweitertes Angebot für die akademischen Partner mit der Möglichkeit, gemeinsam gute Publikationen zu veröffentlichen.

Microtechnology enables small and “smart” objects, instruments and tools for communication, health and everyday life, e.g. miniaturised devices for point-of-care diagnostics or micro-optical systems for monitoring industrial processes. The production takes place in clean rooms with controlled temperature, humidity and dust clearance, where specialised machines and equipment are located. This infrastructure is very cost-intensive in procurement, maintenance and supply. The processes leading to a final product are carried out in succession in the form of a process chain. For a state research institution, maintaining a complete process chain with several specialised facilities is often too resource intensive. The main objective of this project is to establish the cooperation between FH Vorarlberg and NTB Buchs in such a way that a complete process chain can be carried out together and maintained sustainably, each institute managing certain parts of the process chain. Designing a process chain based on “distributed infrastructure” is challenging. This means that the experts know the other side well, work closely together for the individual steps, have access to the infrastructure precisely planned in time and consistently document all processes and process parameters. First, legal issues related to the transport of workpieces via an EU external border were clarified: These are laid down by the rules on processing arrangements. For simple use cases where a silicon disc doesn't often have to be sent back and forth across the border, this set of rules is sufficient and established in the organisations. In order to make a joint laboratory with distributed infrastructure, virtual planning and real use possible, two web-based software packages were created as essential work packages — a planning tool and a virtual cleanroom environment. In order to define the process chains and make them planable, a web-based software was programmed. Hardware data of the individual systems and process parameters of the processes running on the plants can be entered into this software. These individual process steps can then be assembled into entire process chains, which a workpiece must pass through. This process chain can be printed out for documentation. Similarly, a calendar was added to reserve time slots in which the individual processes are then carried out, even at the other institution. Both partners can access this software tool and the stored process library. Clean rooms are “inaccessible” territories due to the effort to create cleanroom clothing and need to be better developed for students, potential industrial partners and other stakeholders, especially if they are not on site. From both cleanrooms at the NTB and the FHV a virtual “cross-Rhine” clean room was programmed in a 3D animation. For this purpose, the respective clean rooms were recorded with a 3D camera and image and video material were created, which shows the essential activities and processes in the clean room. This 3D animation depicts all the essential process steps and can be extended by additional content at any time from both sides. Likewise, this animation can be used for teaching and project acquisition. In order to show a common process chain and its realisation with the help of the planning tool exemplarily on an integrated optical component, the necessary work was started.

Mikrotechnik ermöglicht kleine und „smarte“ Objekte, Instrumente und Hilfsmittel für Kommunikation, Gesundheit und alltägliches Leben, z.B. miniaturisierte Geräte für die Point-of-Care Diagnostik oder mikrooptische Systeme für die Überwachung von Industrieprozessen. Die Herstellung findet in Reinräumen mit kontrollierter Temperatur, Feuchte und Staubfreiheit statt, in denen spezialisierte Maschinen und Geräte stehen. Diese Infrastruktur ist sehr kosten-intensiv in Beschaffung, Unterhalt und Versorgung. Die Prozesse, die zu einem finalen Produkt führen, werden hintereinander in Form einer Prozesskette durchgeführt. Für eine staatliche Forschungsinstitution ist die Pflege einer vollständigen Prozesskette mit mehreren spezialisierten Anlagen häufig zu ressourcenintensiv. Das Hauptziel dieses Projektes ist es, die Kooperation zwischen FH Vorarlberg und NTB Buchs so zu etablieren, dass eine vollständige Prozesskette gemeinsam durchgeführt und nachhaltig gepflegt werden kann, wobei jedes Institut bestimmte Teile der Prozesskette verwaltet. Eine Prozesskette zu entwerfen, die auf „verteilter Infrastruktur“ beruht, ist anspruchsvoll. Bedingt dies doch, dass die Experten die jeweils andere Seite gut kennen, für die einzelnen Schritte eng Zusammen-arbeiten, auf die Infrastruktur zeitlich genau geplant zugreifen können und alle Prozesse und Prozessparameter konsequent dokumentieren. Zunächst wurden rechtliche Fragen geklärt, die mit dem Transport von Werkstücken über eine EU-Außengrenze verbunden sind: Diese sind durch die Vorschriften zum Veredelungsverkehr festgelegt. Für einfache Anwendungsfälle, bei denen eine Siliziumscheibe nicht oft über die Grenze hin- und hergeschickt werden muss, ist dieses Regelwerk hinreichend und in den Organisationen etabliert. Um ein gemeinsames Labor mit verteilter Infrastruktur, virtueller Planung und realer Nutzung möglich zu machen wurden als wesentliche Arbeitspakete zwei webbasierte Softwarepakete erstellt – ein Planungstool und eine virtuelle Reinraumumgebung. Um die Prozessketten zu definieren und planbar zumachen wurde eine web-basierte Software programmiert. In diese Software können Hardwaredaten der einzelnen Anlagen sowie Prozessparameter der auf den Anlagen laufenden Prozesse eingetragen werden. Diese einzelnen Prozessschritte können dann zu ganzen Prozessketten zusammengesetzt werden, die ein Werkstück durchlaufen muss. Zur Dokumentation kann diese Prozesskette ausgedruckt werden. Ebenso wurde ein Kalender angefügt, um Zeitfenster zu reservieren, in denen die einzelnen Prozesse dann durchgeführt werden, eben auch bei der jeweils anderen Institution. Beide Partner können auf dieses Softwarewerkzeug und auf die hinterlegte Prozessbibliothek zugreifen. Reinräume sind wegen des Aufwands für das Anlegen von Reinraumkleidung „unzugängliche“ Territorien und müssen besser für die Studierenden, potenzielle Industriepartner und andere Stakeholder erschlossen werden, besonders wenn diese nicht vor Ort sind. Aus beiden Reinräumen am NTB und der FHV wurde ein virtueller „rheinübergreifender“ Reinraum in einer 3D Animation programmiert. Dazu wurden die jeweiligen Reinräume mit einer 3D Kamera erfasst und Bild- bzw. Videomaterial erstellt, das die wesentlichen Tätigkeiten und Prozesse im Reinraum zeigt. Diese 3D Animation bildet alle wesentlichen Prozessschritte ab und kann jederzeit von beiden Seiten um zusätzliche Inhalte erweitert werden. Ebenso kann diese Animation für die Lehre und in der Projektakquisition verwendet werden. Um eine gemeinsame Prozesskette und deren Realisierung mit Hilfe des Planungstools exemplarisch an einem integriert optischen Bauteil zu zeigen wurden die dazu notwendigen Arbeiten begonnen.

Dieses Projekt wird dazu beitragen, dass die meisten Mitarbeitenden der Mikrotechniklabors an der NTB (aktuell 30) und FHV (aktuell 15) an grenzüberschreitenden Projekten mitarbeiten werden; dies im Gegensatz zur momentanen Situation, wo sich dies auf wenige Einzelpersonen beschränkt. Ferner ist zu erwarten, dass durch die engere Verzahnung der beiden Institutionen und ihre gesteigerte Attraktivität auch mehr geförderte Entwicklungs- und industrielle Kooperationsprojekte hervorrufen wird. Dies auch dadurch, dass gegenüber potentiellen Partnern und Förderorganisationen nun ein stärkerer Anbieter und Antragssteller entsteht, der in beiden Ländern gemeinsam auftreten kann. Und schliesslich wird dieses Projekt ebenso zu gemeinsamen Publikationen in guten Journalen führen.