3D-Drucker in der THT-Fertigung
Die THT-Fertigung ist im Vergleich zur SMD-Fertigung kaum automatisiert und gilt deshalb als arbeitsintensiv und qualitätskritisch. So werden bedrahtete Bauteile nach der Durchsteckmontage oft noch per Hand gelötet und manuell weiterverarbeitet. Die Erfahrungen der Ihlemann AG zeigen, dass sich mehr Teilprozesse automatisieren und die Qualitätsstandards verbessern lassen. 3D-Drucker helfen dabei.
Wenn es um größere mechanische Belastungen geht (z. B. bei Steckverbindern oder Schaltern) oder wenn größere Ströme fließen, wie in der Leistungselektronik, können bedrahtete Bauteile nicht durch SMD-Komponenten ersetzt werden. In der Praxis kommt es dabei immer wieder zu Qualitätsproblemen, denn bei Lötvorgängen per Hand sind ein fehlender Lotdurchstieg (zu geringe Löttemperatur) oder geschädigte Bauteile (Überhitzung) nicht selten. Außerdem können manuelle Lötungen nicht identisch wiederholt werden. Bernd Richter, Vorstand beim EMS-Dienstleister Ihlemann AG in Braunschweig, verweist deshalb auf gute Erfahrungen mit dem automatisierten Selektivlöten: „Jede einzelne Lötstelle kann separat programmiert werden, um Flussmittelmenge und Lötzeit selektiv zu steuern. So konnten wir in der Serienfertigung eine höhere Qualität, Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit der Lötergebnisse erreichen.“
3D-Druck für weitere Automatisierung
Weitere Arbeitsschritte in der THT-Fertigung, wie das Testen, Lackieren oder das Fräsen des Nutzens in einzelne Leiterplatten werden bisher weitgehend manuell umgesetzt. Die automatisierte Weiterverarbeitung bestückter Leiterplatten wird häufig dadurch erschwert, dass THT-Bauteile wie Stecker oder Kühlkörper über den Rand ragen. Für den Transport in einer Maschine müssen dann aufwendige Baugruppenträger entwickelt und hergestellt werden (Foto 3D-Druck, Führung Baugruppe-2).
Der Vorrichtungsbau bei Ihlemann erstellt solche Hilfsmittel. Auch für einfache Vorrichtungen wie Baugruppenträger aus Metall oder einem speziellen Kunststoff sind oft mehrstündige Fräs- und Montagearbeiten erforderlich. Da für einige dieser Vorrichtungen keine verstärkte Robustheit oder eine besonders lange Haltbarkeit gefordert werden, hat der EMS-Dienstleister nach Alternativen gesucht und mit dem 3D-Druck gefunden.
Baugruppenträger für den automatisierten Transport sind mechanisch relativ einfach aufgebaut. Für die Beförderung in der Maschine verfügen sie über einen ca. 3 mm breiten Rand, damit dieser auf dem Transportband aufliegen kann. Innen ist passend für die Abmessungen der Leiterplatte eine Kontur ausgeführt. Die Konstruktion eines solchen Baugruppenträgers mit einem CAD-Programm ist wenig aufwendig und kann durch einen 3D-Drucker innerhalb von 3-4 Stunden ohne personellen Aufwand im Nachtlauf hergestellt werden (Foto 3D-Drucker). Geeignete ESD-fähige Ausgangsmaterialien für den 3D-Druck, die ungewollte elektrische Aufladungen verhindern, stehen seit Anfang 2015 zur Verfügung. Erste Erfahrungen bei Ihlemann mit Baugruppenträgern aus dem 3D-Druck sind positiv. Die Vorrichtung ist mit ±0,5 mm in den Abmessungen präzise genug, sie ist stabil und ausreichend haltbar (Foto 3D-Druck, Führung Baugruppe-1). Der EMS-Dienstleister nutzt diese Baugruppenträger jetzt, um auch weitere Arbeitsschritte in der THT-Fertigung zu automatisieren.
Weitere Hilfsmittel aus dem 3D-Druck
In der THT-Fertigung sind große Leiterplatten, viele Bauteile und oft auch unterschiedlich große Komponenten nicht selten. Das erschwert die Sichtprüfung. Schiefstellungen oder die richtige Polarität lassen sich dann nicht schnell und sicher genug erkennen. Die beteiligten Mitarbeiter haben deshalb Schablonen entwickelt, um die kritischen Bauteile besser im Blick zu haben und die unproblematischen Komponenten abzudecken. Das zunächst eingesetzte Material aus leitfähig beschichteter Pappe, geschäumten Platten oder nicht bestückten Leiterplatten zeigte sich entweder als nicht haltbar genug oder als zu aufwendig, um die Bauteilposition frei zu legen.
Versuche mit dem 3D-Druck waren dagegen erfolgreicher. Mit dem Bestückplan und einem CAD-Programm wurden die Konturen der kritischen Bauteile ausgespart. Der 3D-Drucker fertigt dann aus dem inzwischen verfügbaren ESD-konformen Kunststoffmaterial eine ausreichend stabile Schablone (3D-Druck, Schablone-1). Damit ist die Sichtkontrolle jetzt schneller, sicherer und praktikabler durchführbar.
