Halbautomatischer Bestücker DEK, Bad Vilbel

Die technologische Unterstützung im Vorfeld der SMD-Bestückung hat sich in den letzten fünf bis zehn Jahren rapide entwickelt. Ursache hierfür ist, dass amerikanische und europäische Hersteller als Reaktion auf die Verlagerung des Bestückgeschäfts nach Asien und insbesondere nach Großchina ihren Automationsgrad erhöhen und ihre Kosteneffizienz verbessern mussten. Zwischen den Anlagen der Einstiegsklasse, die typischerweise aus halbautomatischen Maschinen mit elementaren Erkennungsfunktionen bestehen und relativ viele Bedienereingriffe erfordern, und den hochautomatisierten Maschinen, die eine Fülle von Produktivitätsoptionen wie gekapselter Druckkopf , Netzwerksoftware, Onboard-Diagnose, Inspektion nach dem Druckvorgang und vieles mehr bieten, hat sich deshalb eine Kluft gebildet.

Während die großen Auftragsvolumen unaufhaltsam weiter nach Osten abwandern, stehen die europäischen Hersteller vor der Erkenntnis, dass die verbleibenden kleinvolumigen und stark gemischten Aufträge ebenso wie Originalkonstruktionen eine risikoarme Produktion ohne großen Kapitalaufwand erfordert, wie sie von halbautomatischen Maschinen traditionell geboten wird. Die Lieferanten schütteln deshalb ihre Produktpaletten auf, um den halbautomatischen Markt mit neuen Angeboten bedienen zu können.

Auf die Entwicklung dieses Sektors, der von kleinen OEMs und im Auftrag tätigen Lohnbestückern, von Spezialisten für den Entwicklungs- und Prototypenbereich sowie von den Produktentwicklungsabteilungen von ODMs und mittelgroßen EMS-Unternehmen bevölkert wird, hat DEK als einer der Ersten reagiert. Bei der Einführung des neuen halbautomatischen Druckers Horizon 05 aus der Viking-Klasse nutzt man die Vorzüge des Plattformprinzips, das auch bei den anspruchsvolleren Automatikmaschinen zum Einsatz kommt. Die Leistungseinschränkungen, denen der halbautomatische Markt aus ökonomischen Gründen unterliegt, werden dadurch stark gelockert, denn der Nutzer kann mit dieser vielfältig erweiterungsfähigen und konfigurierbaren Plattform eine langfristige Unternehmensstrategie aufbauen.

Die Viking-Klasse verfügt beim Chassis und den mechanischen Subsystemen über viele Merkmale aus der Typhoon-Klasse wie ELA, Horizon und Infinity. Dadurch wird nicht nur die Genauigkeit und Zuverlässigkeit verbessert, die im halbautomatischen Bereich verfügbar ist – der Anwender kann seine Maschine auch relativ problemlos aufrüsten. So amortisiert sich die ursprüngliche Kapitalinvestition schneller, und es entfallen die Ausgaben für eine völlig neue Maschine, wenn das Unternehmen wächst. Denn natürlich wird man versuchen, den höheren Produktionsanforderungen durch eine Erhöhung des Automationsgrades kostengünstig gerecht zu werden.

Weil die Viking den High-End-Maschinen in mechanischer Hinsicht so ähnlich ist, verfügt sie auch über eine Standard-Werkzeugaufnahme. Der Anwender hat deshalb den Vorteil, dass er aus einer breiten Palette von konfigurierbaren Werkzeugoptionen wählen kann, darunter auch GridLok- und FormFlex-kompatible Werkzeugsysteme. Insbesondere GridLok lässt sich extrem schnell und einfach rüsten, während FormFlex ein konsistenteres Pastenvolumen liefert, wobei aber die Rüstzeiten etwas länger sind. Wenn Pre-Placement-Systeme in anderen Unternehmensbereichen bereits im Einsatz sind, lassen sich vorhandene Werkzeuge wie etwa magnetische Werkzeugstifte, MultiFlex-Unterstützung oder kundenspezifische LP-Unterstützungen weiter verwenden. Vorteilhaft ist auch, dass die Viking-Klasse für Schablonen bis zu den Maßen 736 x 736 cm² geeignet ist. Dies ermöglicht einerseits die Wiederverwendung gegebenenfalls bereits verfügbarer Schablonen. Noch wichtiger ist aber, dass so einer der frustrierendsten Mängel herkömmlicher halbautomatischer Maschinen entfällt: die begrenzte Leiterplattengröße, die eine Verarbeitung bestimmter und insbesondere überdurchschnittlich großer Leiterplatten verhindert, wie sie häufig für Telekommunikations-, Netzwerk- und Industrieanwendungen benötigt werden. Die halbautomatische Viking-Plattform akzeptiert praktisch jede Leiterplatte, die sich auf einer Hochgeschwindigkeitslinie bearbeiten lässt. Um außerdem den Wechsel zwischen Leiterplatten zu erleichtern, für die unterschiedliche Schablonengrößen erforderlich sind, wird eine einstellbare Schablonenhalterung als Standardausstattung geliefert.

Dass im Vergleich zum derzeitigen halbautomatischen Angebot auch die Genauigkeit und Wiederholbarkeit verbessert werden konnte, ergibt sich nicht nur aus der besonderen Chassisfestigkeit und -steifheit der Viking-Klasse, sondern ist auch der hochwertigen Verfahrsteuerung zu verdanken, deren Basis die in der ELA, der Horizon und der Infinity installierten Systeme sind. Sie garantiert eine Schablonen-/Leiterplattenwiederholgenauigkeit von 1,33 Cpk bei ± 25 μm.

Die Erkennungsfunktionen von Maschinen der halbautomatischen Klasse sollen normalerweise den raschen Abgleich von Leiterplatte und Schablone ermöglichen. So erlaubt beispielsweise das System DEKalign 4 dem Bediener die schnelle und genaue Ausrichtung der Leiterplatte. Die Viking leistet aber mehr: ihre brückenmontierte Erkennungskamera ist in dieser Klasse einzigartig und macht sie zur einzigen halbautomatischen Maschine, die eine vollautomatische erkennungsgestützte Ausrichtung bietet. Produktwechsel auf der Viking wird so sehr viel einfacher, da hierfür nur ein einziger Tastendruck erforderlich ist.

Die brückenmontierte Erkennungskamera erlaubt auch komplexe 2D-Inspektionen zur Echtzeitüberwachung der Druckqualität, und erhöht damit den Sicherheitsgrad des Vorbestückungsprozesses. So ist die Prozesskontrolle auch mit einer halbautomatischen Maschine jederzeit gewährleistet. Alle Parameter, Einstellungen und Grenzwerte sind voll programmierbar, und das System kann angewiesen werden, bei Überschreitung vorab definierter Grenzwerte einen Schablonenreinigungszyklus einzulegen und einen Alarm auszulösen, der den Bediener auf das Überschreiten von Prozessgrenzwerten aufmerksam macht. Damit lässt sich die Prozessschleife auch für halbautomatische Maschinen in einer Weise schließen, die vor der Entwicklung der Viking nicht verfügbar war.

Die erkennungsgestützte Inspektionsfunktion der Viking profitiert außerdem von der softwaregesteuerten programmierbaren Beleuchtung und dem telezentrischen Objektiv, die beide zur Standardausstattung gehören. Das Beleuchtungssystem sorgt für die einwandfreie Erkennbarkeit von Merkmalen wie Passermarken und Anschlussflächen bei der Inspektion auch von kostengünstigen heißluftverzinnten Leiterplatten (Hot Air Solder Levelled, HASL), von denen sich maschinelle Erkennungssysteme sonst leicht verwirren lassen, da sich die Eigenschaften der Oberflächenkonturen und das Reflektivitätsverhalten schon über eine einzige Leiterplatte erheblich ändern können. Die verbesserte Beleuchtung des 2D-Systems sorgt zusammen mit den fortschrittlichen Algorithmen der Mustererkennung für eine zuverlässigere Zuordnung der Passermarken und damit für eine schnellere Ausrichtung. Unterstützt wird dieser Vorgang noch durch das telezentrische Objektiv. Es verhindert Parallaxeneffekte, die nicht telezentrische Systeme vor der Ausrichtung zum Durchlaufen einer zeitaufwändigen Prozedur zwingen.

Das Plattformkonzept erlaubt nun den Anwendern der Viking-Klasse die Nutzung produktivitätssteigernder High-End-Werkzeuge, die als Sonderzubehör verfügbar sind. Dank sorgfältig abgestimmter mechanischer und elektrischer Schnittstellen bildet jede dieser Optionen ein eigenständiges Modul, das auf jeder kompatiblen Plattform und unabhängig von der Basiskonfiguration der Maschine problemlos installiert oder nachgerüstet werden kann.

So ist beispielsweise die Standardmaschine der Viking-Klasse mit DEKs motorisiertem Rakelantrieb ausgestattet, der auf gebondete Polyurethanrakel sowie auf geklemmte Metall- oder Diamantrakel abgestimmt ist, aber jederzeit auch auf ProFlow-Direkt-Imaging hochgerüstet werden kann. Die Vorteile von ProFlow, nämlich u. a. die verbesserte Reproduzierbarkeit des Pastenvolumens, eine Verminderung der Pastenaustrocknung und eine verkürzte Zykluszeit, werden industrieweit anerkannt. Diese Vorteile sind nun erstmalig auch in der halbautomatischen Klasse verfügbar. Soweit Maschinen noch nicht mit ProFlow ausgerüstet sind, kann auch ein automatischer Pastenspender installiert werden, der die automatische Kontrolle des Pastenvolumens auf der Schablonenoberfläche erlaubt. So bleibt eine konstante Pastenhöhe erhalten, während der durch Austrocknen oder Kontamination bedingte Pastenverwurf minimiert wird.

Bei der Viking wurden auch verschiedene Optionen für die automatische Schablonenunterseitenreinigung (Automatic Underscreen Cleaning, USC) eingeführt, die direkt von höherklassigen Maschinen übernommen wurden. Zu den USC-Optionen zählen die konventionelle Nass-/Trockenreinigung mit Papierrollen oder das moderne Vortex-Reinigungssystem mit offenporigem Schaum. Verbrauchsmaterial für beide kann problemlos online über den Katalog „Process Support Products“ bestellt werden. Auf Wunsch erfolgt die Lieferung in ganz Europa am nächsten Tag.

Das Einhalten der optimalen Temperatur wirkt sich bekanntlich günstig auf die Wiederholbarkeit des Prozesses aus. Deshalb liefert DEK seinen Viking-Anwendern als Sonderzubehör auch ein Umgebungskontrollmodul (Environmental Control Module, ECM). Das ECM hält die Umgebung des Druckkopfs in einem Bereich von ± 8 °C um die Solltemperatur und erlaubt so die Kontrolle der Prozesstemperatur mit einer Genauigkeit von ± 1 °C.

Dass sich der Siebdruck von einer obskuren Kunst zu einer Präzisionstechnologie entwickelt hat, ist auch Softwaretools zu verdanken, deren Beitrag zu dieser Entwicklung weiter wächst. Anwender von High-End-Maschinen sind mit Anwendungen wie dem Offline-Editor (OLE) vertraut, der dem Programmierer die Erstellung, Kompilierung, Bearbeitung und Pflege von Programmen in Englisch, Französisch oder Deutsch gestattet. Da diese Arbeiten an einem gesonderten PC und nicht an der Maschine selbst erledigt werden, lassen sich die geplanten Auszeiten erheblich reduzieren. Wer die Maschinenmodelle Horizon oder Infinity einsetzt, hat auch mit dem Fernüberwachungsprogramm für diese Geräte gearbeitet (Remote Equipment Monitor, REM). Damit können Daten zur Maschinennutzung erhoben werden, deren Analyse eine Feinabstimmung der Prozessparameter ermöglicht, ohne dass man auch nur in die Nähe der Maschine gelangt. Wenn ein Netzwerkanschluss verfügbar ist, lassen sich nämlich die SEMI-E10-Daten aus dem Maschinenprotokoll mit REM zu einem externen PC übertragen. Nutzer der DEK-Plattformen Horizon und Infinity sind schließlich noch mit dem Programm QC-CALC für die statistische Prozesskontrolle (Statistical Process Control, SPC) vertraut, das parallel zum Druckerkontrollsystem eigenständig eingesetzt werden kann.

Alle diese Programme sind jetzt auch für die halbautomatische Klasse verfügbar. Dies liegt teilweise daran, dass die Viking wie ihre größeren Brüder, Microsoft Windows NT Embedded als Betriebssystem verwendet. Windows enthält nämlich alle Medienschnittstellen und APIs, die zur Unterstützung von OLE, REM und QC-CALC benötigt werden, oder sie können über bereits existierende DEK-Makros einfach eingebunden werden. Wie im mechanischen und elektrischen Bereich gewährleistet die sorgfältige Auslegung der Programmschnittstellen, dass sich die produktivitätssteigernden Softwareoptionen problemlos integrieren lassen.

Die komplexen Netzwerkfunktionen von Windows sorgen dafür, dass die Viking einfach in ein werks-übergreifendes Netzwerk (z. B. ein firmeneigenes 10/100-MBit/s-Ethernet) eingebunden werden kann. Programme, die auf einen externen PC mit Netzanbindung erarbeitet und gespeichert wurden, können dann bei Bedarf direkt in die Maschine geladen werden – der Programmierer muss also nicht mehr mit einer Diskette oder einem anderen entfernbaren Speichermedium zur Maschine gehen und ein Programm manuell übertragen. Der Anschluss der Viking an das firmeneigene Ethernet gewährleistet außerdem einen besonders effektiven Einsatz des REM-Pakets für die Analyse und Optimierung der Maschinennutzung. Die Viking verfügt in ihrer Standardausstattung über keine Netzwerkschnittstellenkarte (Network Interface Card, NIC). Eine solche Karte ist aber preisgünstig im Handel erhältlich und lässt sich problemlos in der Maschine installieren. Da von Windows NT Embedded überdies Webprotokolle wie TCP/IP unterstützt werden, kann auf die Maschinendaten auch mit einem externen Browser über WAN oder VPN zugegriffen werden. Das ist besonders nützlich, wenn eine Maschine auf Durchlaufbetrieb umgerüstet wurde, und eröffnet Möglichkeiten für die Fernbedienung oder den Lights-out-Betrieb, die im halbautomatischen Markt bislang noch nicht verfügbar waren.

Zum Konzept der Viking-Klasse gehört auch ein Diagnosemodul, das Kalibrierarbeiten ermöglicht und Fehlerdiagnosen erleichtert, da es auf die anderen Module sowie die Aus- und Eingänge der Maschine individuell zugreifen und diese kontrollieren kann. Damit kann der Benutzer die Maschinenabläufe beim Einsatz größerer Komponenten verfolgen, also etwa Kamera, Schienensystem, Pastenspender und ProFlow-System, oder Reinigungs-, Ausrichtungs- und Druckschlittenmodul. Außerdem kann der Anwender auf der Systemebene eingreifen und z.B. Passwörter ändern, die dreifarbige Signalleuchte durchschalten sowie auf die digitalen und analogen Ein- und Ausgänge zugreifen.

Früher mussten sich Käufer von Schablonendruckern der Einstiegsklasse mit Leistungseinschränkungen abfinden, die das Spektrum der betrieblichen Anforderungen einengen, die von solchen Maschinen erfüllt werden können. Deckt die Maschine den Fertigungsbedarf nicht mehr, muss der Besitzer über weitere Investitionen in zusätzliche Anlagen nachdenken. Natürlich kann die erste Maschine anders eingesetzt, in Zahlung gegeben oder einfach weiterverkauft werden; viele Nutzer wünschen aber, sie könnten die Originalmaschine einfach nachrüsten, wenn das Unternehmen wächst. Geht es um Inspektionsmöglichkeiten, größere Produktivität, schnelleren Durchsatz oder eine strengere Prozesskontrolle, kann man aber schnell auf unüberwindbare Hindernisse stoßen. Dieses Problem ist besonders akut bei Unternehmen, die von einem eigenständigen Schablonendrucker zur Inline-Vorbestückung übergehen wollen. Selbst bei Spezialisten für Funktionsmuster oder in internen Konstruktions- und Entwicklungsabteilungen kann es erforderlich werden, das Leistungsvermögen einer einfachen halbautomatischen Maschine zu vergrößern: möglicherweise nur zur Verbesserung der Prozesskontrolle, oder weil größere Leiterplatten bedruckt werden müssen. DEK hat diese Probleme, vor denen große wie kleine Fertigungsunternehmen stehen, aufgegriffen und die modularen technischen Lösungen, die für die Mittelklasse und den High-End-Bereich entwickelt worden sind, so eingesetzt, dass sie dem Preisniveau der Einstiegsklasse entsprechen und gleichzeitig einen Ausbau der Maschine erlauben, wenn das Unternehmen wächst.

Das Ergebnis ist die Horizon-05 aus der Viking-Klasse. Sie beweist, dass halbautomatische Maschinen über Merkmale verfügen können, die man normalerweise nur bei sehr viel teureren Anlagen findet. Beispielsweise ist sie die einzige Maschine ihrer Klasse, die über eine brückenmontierte Erkennungskamera verfügt. Sie wurde bereitgestellt, damit die vollautomatische erkennungsgestützte Ausrichtung schon in der Grundausstattung möglich ist. Für den Betreiber einer halbautomatischen Maschine bedeutet dies einen Quantensprung in der Produktwechselleistung. Zusätzlich zu ihren vielfältigen fundamentalen Leistungsmerkmalen kann sie aber auch noch nachgerüstet werden und sich so den Fähigkeiten einer vollautomatischen Plattform nähern. Für viele Anwender stellt dies wegen der längeren Nutzungsdauer und der besseren Rentabilität ihrer Investitionen in die Einstiegsklasse eine kosteneffizientere Vorgehensweise dar, mit der sich Risiken und Gemeinkosten reduzieren lassen, und die für die Unternehmensplanung ebenso wie für Kostenprognosen nützlich ist.

EPP 413