Uutta vauhtia piirilevyjen valmistamiseen (Väitös: FM Sami Pyöttiälä, 21.3.2015, tietojenkäsittelytiede)
Komponenttien ladontatyö on usein pullonkaulana piirilevyjen valmistuksessa. Turun yliopistossa väittelevä Sami Pyöttiälä kehitti tutkimuksessaan menetelmiä ladontakoneen tekemän työn nopeuttamiseksi.
Turun yliopiston tiedote 12.3.2015
Elektronisia laitteita tuotetaan lukuisiin käyttötarkoituksiin, ja niiden käyttö yleistyy jatkuvasti. Lähes kaikissa laitteissa on keskeisenä osana piirilevy, joka toteuttaa laitteen toiminnallisuuden yhdessä siihen kiinnitettyjen elektronisten komponenttien kanssa. Laitevalmistajat pyrkivät tuottamaan piirilevyt mahdollisimman alhaisin valmistuskustannuksin.
Piirilevyjen valmistuksessa käytettävien collect-and-place-komponenttiladontakoneiden konfigurointi ja toimintajärjestyksen optimaalinen määrääminen on hyvin vaikeaa tai jopa mahdotonta, koska vaihtoehtoisia ratkaisuja on niin paljon. Turun yliopistossa tarkastettavassa väitöskirjatutkimuksessa onnistuttiin kehittämään uusia, käyttökelpoisia optimointitekniikoita komponenttien ladontavaiheen nopeuttamiseksi. Tämä tarkoittaa suoraa kustannusten vähenemistä, koska valmistukseen kuluva aika lyhenee.
Tutkimuksessa kehitettiin sekä tarkkoja menetelmiä että erilaisia heuristisia ominaisuuksia soveltavia algoritmeja. Tutkimuksessa esitellään myös mittaustapoja, joilla eri menetelmien tuottamia ratkaisuja voidaan vertailla.
– Esimerkiksi syötinyksikön sopivan konfiguraation uusi menetelmä tuottaa selvästi paremman tuloksen kuin aiemmin kirjallisuudessa vastaavalle ladontakonetyypille esitetyt menetelmät, kun mittarina käytetään aikaa. Menetelmä perustuu piirilevylle ladottavien komponenttien naapuruussuhteiden analyysiin, Sami Pyöttiälä kertoo.
Ratkaisu löytyy ongelma pilkkomalla
Elektronisesta laitteesta riippuen piirilevyjen koot ja komponenttien määrät vaihtelevat merkittävästi. Yksittäisessä levyssä voi olla komponentteja muutamasta jopa tuhansiin. Lisäksi itse ladontakoneen toimintakonfiguraation määrääminen on monimutkaista.
– Optimaalista toimintaa on usein mahdotonta saavuttaa tämän kaltaisissa ongelmissa, joissa vaihtoehtoisia ratkaisuja on tavattoman suuri määrä. Hyviin tuloksiin voidaan kuitenkin päästä jakamalla kokonaisongelma osiin, Pyöttiälä sanoo.
Tuloksena saadaan joukko helpommin ratkeavia ongelmia, joista osan voi tietokoneella ratkaista melko nopeastikin. Jaon tuloksena syntyneiden osaongelmien ratkaisuista voidaan koostaa ratkaisu kokonaisongelmalle, jolloin optimaalisuudesta joudutaan tinkimään, mutta ratkaisu saavutetaan järkevässä ajassa piirilevyjen tuotantoerän valmistamista ajatellen. Täysin optimaalinen toiminta koneelle saataisiin ainoastaan ratkaisemalla kaikki osaongelmat yhdellä kertaa kokonaisuutena, mutta laskenta-aika ei riitä tähän.
– Useimpien osaongelmien kohdalla on tyydyttävä vielä toistaiseksi optimaalista ratkaisua huonompaan ratkaisuun. Ratkaisu saadaan kuitenkin laskettua nopeasti. Tämä on vaikeissa ongelmissa tavallista vaihtokauppaa, jotta ongelmalle saataisiin kelvollinen ratkaisu. Ratkaisun laadusta joudutaan hieman tinkimään käytäntöön kelpaavan, nopean toiminnan saavuttamiseksi.
Tutkimuksessa kehitettyjä ratkaisuja voidaan hyödyntää myös muissa yhteyksissä, jos niissä esiintyvät ongelmat ovat sopivasti saman muotoisia. Tällainen yleistettävyys on tietojenkäsittelytieteessä tavanomaista.
– Soveltamisessa on kuitenkin oltava huolellinen ja huomioitava, että jos menetelmistä tekee yleisempiä, niillä saatavien ratkaisujen laatu voi heikentyä. Eri laitteille on siksi jatkossakin kehitettävä omia menetelmiään, Pyöttiälä sanoo.
***
Lauantaina 21. maaliskuuta 2015 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (päärakennus, Tauno Nurmela -sali, Yliopistonmäki, Turku) julkisesti tarkastettavaksi FM Sami Pyöttiälän väitöskirja Optimization and Measuring Techniques for Collect-and-Place Machines in Printed Circuit Board Industry (Optimointi- ja mittaustekniikoita piirilevyjen valmistuksessa käytettävien collect-and-place-koneiden ohjaukseen). Virallisena vastaväittäjänä toimii professori Erkki Mäkinen Tampereen yliopistosta ja kustoksena yliopistonlehtori Tapio Pahikkala Turun yliopistosta.
FM Sami Pyöttiälä on syntynyt 1976 ja kirjoittanut ylioppilaaksi Laitilan lukiosta 1995. Filosofian maisteriksi hän valmistui 2004 Turun yliopistosta. Pyöttiälä toimii Lounais-Suomen koulutuskuntayhtymän Liedon ammatti- ja aikuisopistossa tieto- ja viestintätekniikan lehtorina ja koulutusalavastaavana. Väitös kuuluu tietojenkäsittelytieteen alaan.