Qualität in 200-facher Vergrößerung
Immer kleinere Bauteile und engere Raster bringen den traditionellen Prototypenbau zunehmend an Qualitätsgrenzen. So werden viele Probleme erst beim Übergang von der Prototypen- zur Serienphase erkannt. Deshalb nutzt die Ihlemann AG ihre High-End-Anlagen der Serienfertigung auch für den Prototypenbau. Durch die geringen Stückzahlen der Vorserienmuster mangelte es in der Vergangenheit allerdings wiederholt an der maschinengerechten Zuführung von Bauteilen. Hier kommt jetzt der 3D-Druck zum Einsatz.
Die technologischen Unterschiede zwischen Prototypen- und Serienfertigung werden zunehmend größer, denn beim traditionellen Prototypenbau steht die fertigungsgerechte Auslegung der Leiterkarte nicht im Vordergrund. Üblicherweise erfolgt die Bestückung auf Musterbaumaschinen. Datenformate, Prozesse und technische Parameter unterscheiden sich daher immer von den Serienmaschinen. Da im Prototypenbau traditionell viele Bauteile manuell bestückt werden, wirkt sich die steigende Miniaturisierung immer stärker aus. Insbesondere bei der Handbestückung von SMD-Bauteilen ist die Qualität kaum noch zu gewährleisten, weil die Bauteile kontinuierlich kleiner und die Rastermaße immer enger werden. Die erforderliche Positionsgenauigkeit eines SMD-Bauteils von beispielsweise 50 µm ist per Hand nicht zuverlässig einzuhalten. Befinden sich die Bauteile in der Paste nicht exakt an der richtigen Stelle (x,y und Höhe), ergeben sich mangelhafte Lötstellen mit Fehlerraten von häufig 20 - 30 %. Außerdem erfordert die manuelle Verarbeitung mehr als zehnfach so viel Zeit, Nacharbeiten bei Lötfehlern noch nicht gerechnet.
Prototypen auf High-End-Anlagen
Die Fertigung von Prototypen auf High-End-SMD-Bestückungsautomaten hat aus Sicht der Ihlemann AG wesentliche Vorteile: Anforderungen wie Design for Manufacturing (DfM), Design for Testability (DfT) und Design for Cost ( DfC) werden bereits an die Erstellung von Prototypen gestellt. So kann mit einer Software-Evaluierung noch vor der ersten Fertigung überprüft werden, ob eine Baugruppe fehlerfrei und kostengünstig gefertigt werden kann.
Schließlich basiert auch die Erstmusterprüfung bereits auf dem VDA-Standard „Produktionsprozess- und Produktfreigabe“ (PPF). So erhält jeder Kunde für seine Prototypen einen ausführlichen Report über Auffälligkeiten und mögliche Einschränkungen bei der Fertigungseignung seiner Baugruppe. Damit ist technologisch weitgehend sichergestellt, dass zeit- und kostenaufwendige Korrekturen von Entwicklung und Layout beim Übergang von der Prototypen- zur Serienphase vermieden werden können. Zudem entfallen doppelte Grundkosten für die Vorbereitung der Prototypen- und Serienfertigung.
Viele Bauteile sind nicht maschinentauglich
Sollen bei den Prototypen alle Bauteile maschinell verarbeitet werden, ergeben sich allerdings einige Hürden. Je spezieller ein Bauteil und je geringer die Stückzahl, umso häufiger fehlt es an einer maschinengerechten Standardverpackung für die SMD-Elektronikfertigung. In der herkömmlichen Prototypenfertigung werden diese Bauteile dann per Hand bestückt. Hier geht Ihlemann einen anderen Weg.
Die Verarbeitung von Steckern aus der Industrieelektronik sind ein typisches Beispiel. Wegen der geringen Stückzahlen bietet der Hersteller keine Verpackung für die maschinelle Verarbeitung. Die Handbestückung stellt sich als problematisch dar, weil bei den beispielsweise 220 Pins des Steckers die exakte Positionierung und die immer gleichbleibende Ausrichtung und Andruckstärke nicht garantiert werden kann. So wurden bei der Kontrolle der bestückten Leiterplatten 34 % der gelöteten Stecker als fehlerhaft und nachbearbeitungsbedürftig erkannt. Vielfach ist von den 220 Pins lediglich ein Beinchen nicht IPC-konform gelötet. Die Lötverbindung ist dadurch fehlerhaft und muss nachgelötet werden. „Wir haben nach einer Lösung für die maschinelle Verarbeitung aller Bauteile gesucht. Nur so können wir die Fertigungsqualität für den gesamten Prozess sicherstellen, wertvolle Zeit sparen und die Kosten senken“, berichtet Bernd Richter, Vorstand bei der Ihlemann AG.
Hilfen für ‚schwierige‘ Bauteile
Das Ziel war, den Stecker mit den 220 Pins mit Hilfe einer selbst erstellten Zuführung automatisch bestücken zu können. Bei Ihlemann werden durch tagtägliche Verbesserungszyklen Veränderungen systematisch und mit festen organisatorischen Routinen entwickelt (Verbesserungs-Kata). Diese Fähigkeit, tagtäglich kleine Verbesserungsschritte zu erreichen und die Fertigung schneller und effizienter zu machen, wendet der EMS-Dienstleister auch bei der Verarbeitung ‚schwieriger‘ Bauteile an. So wurde von den Mitarbeitern in mehreren Verbesserungsetappen ein Hilfsmittel für die maschinengerechte Zuführung des Steckers entwickelt und die manuelle Bestückung ersetzt. Mussten anfangs 34 % der Stecker nachbearbeitet werden, verringerte sich die Quote durch die maschinelle Verarbeitung auf 0,5 %. Damit konnten die Kosten gesenkt, die Verarbeitungszeit des Steckers verkürzt und die Durchlaufzeit verringert werden.
Für die technische Umsetzung solcher Hilfsmittel ist bei Ihlemann ein eigener Vorrichtungsbau tätig. Bauteile, die nicht in einer maschinengerechten Verpackung geliefert werden, gibt es viele. Aufgrund der Vielzahl dieser Baugruppen reichten die Kapazitäten des Vorrichtungsbaus allerdings nicht mehr aus. Deshalb wurde nach einer ergänzenden Lösung gesucht.
3D-Drucker erstellt individuelle Bauteilträger
Für einen häufig eingesetzten Stecker, ebenfalls ohne maschinengerechte Verpackung, wurde ein eigener Bauteilträger (Tray) für die Zuführung zur SMD-Bestückungslinie entwickelt. Der Tray enthält 90 Fächer in der Bauteilgröße von 40 x 7 mm. Die Außenmaße der Zuführung entsprechen den Vorgaben der Maschine. Dieser Bauteilträger wurde bei Ihlemann mit einem CAD-Programm entworfen und durch einen 3D-Drucker innerhalb von 7 Stunden ausgedruckt. Das dafür geeignete Material stand allerdings erst Anfang 2015 zur Verfügung, denn die Trays müssen aus einem antistatischem oder elektrisch leitfähigen Material sein, um ungewollte elektrische Entladungen (ESD, Electrostatic Discharge) zu vermeiden.
Für seltener eingesetzte elektronische Bauteile rechnet es sich aus Sicht des EMS-Dienstleisters allerdings nicht, eigene Trays zu entwickeln. Daher suchte das Unternehmen nach einer anderen Variante für die Bauteilzuführung. So wurde ein vorhandener Standard-Bauteilträger für ICs für die Aufnahme von Bauteilen bis 30 x 20 mm genutzt. Da jedes Bauteil über zwei Positionierstifte verfügt, wurden diese zunächst zur Fixierung der Bauelemente im Tray eingesetzt. Dieses Experiment war allerdings nicht erfolgreich, weil sich die sehr leichten Bauteile bei der Zuführung zur Bestückungsmaschine zu leicht aus der Halterung lösten. Ein weiterer Versuch war erfolgreicher. Für den vorhandenen Standard-Bauteilträger wurden jetzt bauteilspezifische Einleger entwickelt. Diese Einleger haben eine Vertiefung, wie eine Wanne, exakt passend für die Größe des Bauteils. Jetzt bleiben die Bauteile auch bei Bewegungen des Trays in der richtigen Position und können der SMD-Maschine zuverlässig zugeführt werden. „Durch die vielen Erfahrungen aus den Verbesserungsprozessen sind wir heute in der Lage, beliebige Bauteile effektiv und mit einem sehr hohen Qualitätsstandard maschinell zu verarbeiten“, fasst Bernd Richter die Erfahrungen zusammen.
