Im Kurztakt selektiv löten

Karlheinz Stobäus, Bosch Rexroth, Mörfelden-Walldorf

„Wir machen das, was alle anderen ablehnen“, fasst Ernst Hohnerlein seine Philosophie zusammen. Der Gründer der Inertec GmbH in Kreuzwertheim hat sich mit dieser Maxime auf Basis zahlreicher Patente als Innovationsführer für die Löttechnik etabliert. Zusammen mit der Schwesterfirma Soldercom deckt das Unternehmen ein breites Produktspektrum für das industrielle Löten von der Manufaktur bis zu Massenlötsystemen ab. Mit der neuesten Generation von Schöpflötsystemen werden gestiegene Anforderungen von Automobilzulieferern an Massenlötsysteme für schlanke Produktionsphilosophien auch für selektive Verlötungen erfüllt. Die neue Maschine besteht aus U-förmig angeordneten Flux-, Vorheiz-, Löt-, Abkühl- und Stapelmodulen, und erreicht dank einer hochdynamischen Automatisierung eine Zykluszeit von nur 25 bis 30 Sekunden. „Dahinter verbirgt sich vor allem die Prozesszeit des Lötens“, hebt der Geschäftsführer Andreas Hohnerlein hervor. Lineartechnik, Antriebs- und Steuerungstechnik sowie Pneumatik von Rexroth sorgen bei dem Konzept für kurze Nebenzeiten. Das von Ernst Hohnerlein und seinem Team entwickelte Matrizenverfahren beschleunigt die Verlötung von elektronischen Schaltungen mit Steckern, hohen Bauteilen und bereits in dreidimensionale Gehäuse montierten mechatronischen Baugruppen. Dazu fahren geometrisch auf die Lötstellen des jeweiligen Bauteils abgestimmte Lötmatrizen von unten durch das bleifreie und flüssige Lot gegen die Unterseite der Leiterplatte und kontaktieren die Lötstellen. „Mit unserem Verfahren löten wir alle Kontaktstellen in einem Takt, und eröffnen den Konstrukteuren auch noch die Möglichkeit, die Packungsdichte zu erhöhen“, bekräftigt Ernst Hohnerlein.

Diesen patentierten Prozess hat der Anbieter von Selektivlötsystemen in ein hochproduktives Anlagenkonzept umgesetzt. Werkstückträger mit standardisierten Außenmaßen, aber bauteilspezifischen Schablonen, transportieren die Werkstücke durch die gesamte Anlage. Der eigentliche Prozess beginnt im Fluxmodul. Dort benetzen auf die Lötgeometrie angepasste Stempel die späteren Lötstellen. Das aufgetragene Flussmittel verbessert die Verbindungsqualität. Ein pneumatischer Drehzylinder von Rexroth auf dem Moduldach bewegt simultan die Matrize für das Flussmittel sowie den Niederhalter.

„Damit gewährleisten wir die für die Qualität wichtige Koplanarität des Bauteils“, betont Andreas Hohnerlein. Durch vorhergehende Prozessschritte können thermische Verformungen bei den Bauteilen auftreten. Vier korrosionsbeständige Wellen mit je zwei Kugelbüchsen führen die simultane Bewegung. Die wartungsarmen und einfach zu montierenden Kugelbüchsen bilden mit den an beiden Enden gelagerten Wellen frei tragende Linearführungen.

Vom Fluxmodul aus befördert ein Transportsystem die Bauteile in einem festen Takt durch das Vorheizmodul, das die Leiterplatten stufenweise auf die optimale Prozesstemperatur erhitzt, ohne die empfindlichen Bauteile zu beschädigen. Am Eingang zum Lötmodul übernimmt eine Servoachse den Werkstückträger. Dazu greifen vier über einen Pneumatikzylinder betätigte Greifbacken den Werkstückträger und legen ihn in das Lötmodul ein. Die Lötmatrizen fahren durch eine Maske nach oben und kontaktieren die Lötstellen, während gleichzeitig ein Niederhalter die Koplanarität der Baugruppe gewährleistet und kritische Komponenten fixiert. Vor jedem Lötvorgang reinigt eine Skimmerpumpe die Zinnoberfläche von Restoxiden, bevor der Lötvorgang unter einer Schutzgasatmosphäre beginnt. Die Stempelbewegung führt ein Servoantrieb über ein Kugelgewindetrieb durch. Das Stempelwerkzeug wird an der Außenseite der Maschine über zwei Wellen mit je zwei Kugelbüchsen geführt. Nach dem Lötvorgang entnimmt eine Servoachse den Werkstückträger und transportiert diesen quer zum Kühlmodul. Dafür werden zwei Compact-Module für die Z- und Y-Achse eingesetzt, die aus einem Präzisions-Aluminiumprofil mit einer Alu-Blechabdeckung sowie einer umlaufenden Spaltdichtung aus PU-Band zum Schutz der Einbauelemente bestehen. Bei identischen Hauptmaßen werden die Module in millimetergenau gefertigten Hüben sowohl als Compact-Modul CKK mit Kugelgewindetrieb als auch als Compact-Modul CKR mit Zahnriemenantrieb geliefert. Das CKR mit maximalen Hublängen bis 5.500 mm bietet einen optimalen Ablauf und hohe Steifigkeit durch zwei integrierte spielfreie Kugelschienenführungen. Für die lange Y-Achse nutzt man die Zahnriemenausführung, um mit der hohen Dynamik die Nebenzeiten zu reduzieren. Über eine Standard-Verbindungsplatte mit Easy-2-Combine-Eigenschaft ist ein weiteres Compact-Modul mit Kugelgewindetrieb für die Z-Achse formschlüssig und ohne Justieraufwand anmontiert. Über den mittig, zwischen zwei Kugelschienenführungen platzierten Kugelgewindetrieb wurde die Bauhöhe bei dieser Ausführung reduziert. Der Kugelgewindetrieb mit spielfreiem Mutternsystem gewährleistet hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit. Sämtliche Kugelschienenführungen der Compact-Module sowie der Kugelgewindetrieb verfügen über eine zentrale Nachschmiermöglichkeit von beiden Seiten und verringern damit den Wartungsaufwand. „Diese Anlagen arbeiten in der Großserienfertigung im Drei-Schicht-Betrieb rund um die Uhr, und müssen als Teil von kompletten Produktionslinien absolut zuverlässig arbeiten“, hebt Ernst Hohnerlein hervor.

Für die Compact-Module steht eine breite Palette an intelligenten Servoantrieben mit aufeinander abgestimmten Motor-Regler-Kombinationen im Angebot. Sie passen sich mit einem breiten Leistungsspektrum von 0,25 bis 132 kW in nahezu alle Automatisierungskonzepte nahtlos ein. In diesem Fall arbeiten drei Servoantriebe, die eine übergeordnete Steuerung IndraLogic L40 koordiniert. Als Systemlösung setzt die in Hard- und Software skalierbare Steuerung konsequent auf offene Schnittstellen und internationale Standards und eignet sie sich damit für die schnelle Implementierung kundenspezifischer Steuerungsstandards. Die Controller-basierte Steuerungshardware kommuniziert über Ethernet mit dem Kleinbedienterminal IndraControl VCP 20 von Rexroth.

Das Kühlmodul übernimmt den Werkstückträger direkt aus dem Greifer. Die abgekühlten Baugruppen puffert die Maschine in einem Stapelmodul, das sie nach dem First-in-First-out-Prinzip freigibt. Die Luftaufbereitung für die insgesamt zehn Pneumatikzylinder im Flux-, Löt- und Stapelmodul übernimmt die Wartungseinheit NL. Sie reinigt die Hauptluft mit einer Filtereinheit mit 5 µm Filterfeinheit und fasst die Einzelprozesse der Luftaufbereitung Filtern, Regeln und Entwässern in einer Baugruppe zusammen. Bei den modular aufgebauten Wartungseinheiten lassen sich einzelne Teile auch im eingebauten Zustand austauschen.

Eine Besonderheit der Maschine: Der Produktwechsel erfolgt im laufenden Betrieb. Dazu wechselt der Bediener im Fluxmodul die Matrize und Niederhalter, während das Lötmodul die vier Bauteile im Vorheizmodul abarbeitet. Die Umrüstung dauert über Schnellwechseleinrichtungen weniger als zwei Minuten, und nach vier Leertakten ist das Fluxmodul wieder betriebsbereit. Nun wechselt der Bediener am Lötmodul Matrize, Maske und Niederhalter. Über einen kodierten Stecker meldet er dem System, welches Bauteil jetzt in das Modul einfährt. Nach nur vier Leertakten kommen die mit Flussmittel benetzten und aufgeheizten neuen Werkstücke an der Station an.

Das Schöpflötsystem für Produktionslinien nach dem Lean Line Design von Inertec bewährt sich bereits im rauen Produktionsalltag. „Diese Maschine ist eine Weltlötmaschine, die beispielsweise bei einem großen Automobilzulieferer rund um den Globus eingesetzt wird“, so Ernst Hohnerlein.

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