Stress- und staubarme Trennung von Leiterplattennutzen

Manueller Nutzentrenner Harald Nick, Rohwedder, Bermatingen

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Hohe Qualitätsanforderungen und Kosteneffizienz kennzeichnen den kritischen Produktionsabschnitt der Nutzentrennung. Der neue Nutzentrenner 1020M der Rohwedder Pematech ermöglicht den problemlosen Einsatz stress- und staubarmer Trennverfahren in manuellen Prozessen. Damit können auch kleinere bis mittlere Stückzahlen von Nutzen mit der Qualität großer Inline-Maschinen flexibel und kosteneffizient hergestellt werden.

Die Herstellung von Leiterplatten erfolgt heutzutage aus produktionstechnischen Gründen im Nutzen. Dieser besteht aus mehreren Leiterplatten, die entweder über Reststege oder komplett miteinander verbunden sind. Folglich müssen die Leiterplatten am Ende des Herstellungsprozesses aus dem Nutzen herausgelöst – sprich getrennt – werden. Bei herkömmlichen manuellen Nutzentrennverfahren kommen hier Stanzen, Rollenmesser oder Schlagscheren zum Einsatz – Verfahren und Werkzeuge, die einen hohen mechanischen Krafteintrag wie Spannungen oder Druck vor allem auf die Randbereiche der Leiterplatten ausüben. Gerade in diesen Randbereichen, also dort, wo getrennt werden muss, befinden sich jedoch oftmals hochsensible Bauteile wie z.B. Keramikkondensatoren und feine Leiterbahnen, die durch diese Krafteinwirkung gefährdet sind. Das führt fast zwangsläufig zu einer relativ hohen Ausfallsrate. Dabei sind die durch den mechanischen Krafteintrag verursachten Beschädigungen an den Leiterplatten oftmals nicht unmittelbar nach dem Nutzentrennprozess identifizierbar. Gravierender ist es, wenn die Endgeräte aufgrund der Beschädigungen erst bei der Benutzung durch den Endverbraucher ausfallen. Aufgrund dieser entscheidenden Nachteile herkömmlicher Nutzentrennverfahren schließen eine Vielzahl heutiger Leiterplattenhersteller manuelle Nutzentrennsysteme aus.

Anforderungen an Präzision und Ausfallsicherheit
Durch den Trend zur Miniaturisierung von Leiterplatten sowie weiter steigenden Qualitätsstandards erwarten viele Kunden von ihrem Zulieferer neue, moderne Verfahren zur Trennung von Leiterplatten aus dem Nutzen. Gerade Automobilzulieferer oder Telekommunikationshersteller, deren Märkte von kürzeren Entwicklungszeiträumen und Produktlebenszyklen sowie einer höheren Variantenvielfalt gekennzeichnet sind, erwarten flexible und kosteneffiziente Verfahren zur Reduzierung von Fehlerquoten. Nutzentrennautomaten auf Basis von Fräsen und Sägen haben sich hier bewährt und gelten mittlerweile als State-of-the-art für stress- und staubarme Nutzentrennverfahren. Zahlreiche Verarbeiter von Leiterplatten schreiben den Einsatz stressarmer Trennverfahren zur Reduzierung von Fehlerquoten sogar bereits vor.
Fräs- und Sägewerkzeuge werden bislang meist in Inline-Maschinen zur rationellen Trennung hoher Stückzahlen eingesetzt. Doch auch eine Vielzahl von Leiterplatten mit kleinen bis mittleren Stückzahlen erfordern ebenso diese stressarmen Trennverfahren, um den hohen Qualitätsanforderungen gerecht zu werden.
Krafteinwirkung bei manuellen Trennsystemen
Vergleicht man den Krafteintrag bei Nutzentrennprozessen eines Rollenmessers mit dem eines Sägewerkzeugs, ergeben Messungen mittels Dehnmessstreifen direkt auf der Leiterplatte, dass das Rollenmesser sowohl eine Stauchung als auch eine Streckung der Leiterplatte mit einem Gesamtdelta von ca. 400 µm/m bewirkt. Dieser deutlich zu erkennende bidirektionale Krafteintrag bedeutet erheblichen Stress für die Leiterplatte. Überdies resultiert aus diesem Trennverfahren eine bleibende Verformung von ca. –30 µm nach der Trennung. Im Gegensatz dazu entstehen beim Sägewerkzeug wesentlich kleinere Belastungen der Leiterplatte in der Größenordnung von ca. 100 µm/m mit einer vernachlässigbar kleiner bleibenden dauerhaften Stauchung (Bild 1).
Einfluss manueller Prozesse
Aber nicht nur die geringeren Krafteinwirkungen auf die Leiterplatte sprechen für einen Trennprozess mittels Fräse oder Säge. Ein manueller, ungeführter Prozess bringt grundsätzlich Qualitätsprobleme mit sich, denn Reproduzierbarkeit und Genauigkeit sind bei einem handgeführten System nicht gewährleistet. Hier ist ein teilautomatisierter Prozess mit reproduzierbarer Genauigkeit und einer hohen Verfügbarkeit eindeutig überlegen.
Fazit: Um reproduzierbare Qualität zu gewährleisten und somit die Zahl der Reklamationen sowie die Ausfallquote einzugrenzen, ist ein geführter Trennprozess mit einem stressarmen Trennverfahren unumgänglich. „Schaftfräsen oder Sägen mittels des neuen Nutzentrenners ermöglichen dies“, sagt Richard Stehle, Product Manager bei Rohwedder in Radolfzell. Das Unternehmen bietet mit rund 110 Mitarbeitern hochwertige Systemlösungen für die Elektronikproduktion an. Das Angebotsspektrum umfasst dabei teil- und vollautomatische Prüflinien, Handlingmodule, Identifizierungs- und Kennzeichnungssysteme, Adapter und Wechselsätze sowie Nutzentrennautomaten. Die Produkte werden vorzugsweise zum Handling von Leiterplatten, Baugruppen und komplett montierten Geräten eingesetzt. Die komplementären Technologien Handhabungstechnik, Bildverarbeitungstechnik, Robotertechnik und Fertigungstechnik sind integraler Bestandteil der Systemlösungen.
Herausforderungen an manuelle Nutzentrennsysteme
Die bisher bekannten, manuell geführten Nutzentrennsysteme sind als reine Stand-alone-Systeme ausgelegt, die von einer Person von Hand bedient und beschickt werden. Dieses Konzept bietet zwar enorme Vorteile, wenn es um Flexibilität und Kosten geht, und wenn die Stückzahlen der zu trennenden Leiterplatten niedrig sind. Doch die Integration in eine Automatisierungslösung ist nur mit großem Aufwand zu realisieren. Und im Falle steigender Stückzahlen können eine Erweiterung von Maschinen und erhöhter Personaleinsatz, Mehrschichtarbeit und Sonderschichten nur eine Interimslösung sein.
Der Nutzentrenner 1020M
Ein Lösungskonzept wie der Nutzentrenner 1020M, der für kleine Stückzahlen manuell bedienbar und bei Bedarf automatisierbar ist, stellt hier eine echte Alternative dar. Das neuartige Konzept beruht darauf, dass der Nutzentrenner, der alle Vorzüge einer stress- und staubarmen Trenntechnologie bietet, sowohl als Stand-alone-Maschine verwendet werden kann, aber auch ohne großen Aufwand in eine Automatisierung integrierbar ist. „Dadurch kann der Einsatz individuell auf die Kundenbedürfnisse zugeschnitten werden“, erklärt Stehle.
Bei der Stand-alone-Maschine steht der Nutzentrenner dezentral in der Fertigung und wird von einer Person bedient. Diese Konfiguration ist äußerst flexibel und kann schnell von einer Produktvariante zur anderen umgerüstet werden. Bewährte Trenntechnologien wie Fräsen und Sägen gewährleisten einen hohen Qualitätsstandard beim Nutzentrennprozess. Steigen die Stückzahlen, kann der Nutzentrenner in eine Automatisierung, z.B. mittels eines Roboters, flexibel eingebunden werden. Der Nutzentrenner fungiert hier als vollautomatische Maschine, die sowohl manuelle Einflüsse ausschließt, als auch geringe Taktzeiten bei hoher Auslastung erlaubt. Der Nutzen wird manuell, oder in der automatisierten Variante, von einem Roboter in die Nutzenaufnahme eingelegt. Ein Schiebetisch transportiert auf Knopfdruck den Nutzen in die Bearbeitungsposition und wird dort gegen eine Säge- bzw. Fräsmaske gedrückt. Somit ist der Nutzen optimal fixiert. Dieses Verfahren gewährleistet höchste Genauigkeit und ein Höchstmaß an Staubarmut. Der Fräs- bzw. Sägekopf ist auf einem Präzisionsachsensystem montiert und trennt die Leiterplatten von oben aus. Eine im Trennkopf integrierte Absaugvorrichtung saugt die Frässtäube zuverlässig nach oben ab. Dies garantiert eine staubfreie Leiterplatte und ist zudem umwelt- und bedienerfreundlich. Nach dem Trennvorgang wird der Schiebetisch in die Entnahmeposition gefahren, so dass die getrennten Leiterplatten manuell oder mit einem Handlingsystem entnommen werden können.
„Der Nutzentrenner bietet sowohl in der manuellen (1020M) wie in der automatisierten Variante (1020P), bei der die manuelle Zuführung durch eine pneumatische Vorrichtung ersetzt wird, eine entscheidende Neuerung bei der Trennung von Leiterplattennutzen“, erklärt Stehle. „Das halbautomatische Verfahren gewährleistet auch bei kleineren und mittleren Stückzahlen staub- und stressarme Trennprozesse.“ Hohe Ausfallquoten durch starke mechanische Belastungen oder Verwindungskräfte auf die Leiterplatten und die sensiblen Bauelemente im Randbereich der Platten gehören damit endgültig der Vergangenheit an. „Ein Anwender kann bei kleineren Stückzahlen zunächst das Stand-alone-System zum Einsatz bringen. Bei steigenden Stückzahlen ist die Umrüstung auf das automatische Verfahren, also die Integration eines Roboters, ohne größere Probleme möglich,“ führt Stehle aus. „All diese Vorteile machen die Anschaffung zu einer überaus lohnenden Investition im erfolgskritischen Produktionsabschnitt der Nutzentrennung,“ resümiert er.
Erstmals präsentiert wurde die Maschine auf der diesjährigen SMT in Nürnberg. „Die Resonanz war sehr positiv“, fasst Stehle zusammen. „Das Urteil war eindeutig: Wir haben das richtige Konzept und sind auf dem richtigen Weg.“ Darüber hinaus ist die Tendenz im Markt zu erkennen, dass viele Kunden ihre Produktionsstätten zu wettbewerbsfähigeren Standorten, wie z.B. Asien, verlagern und dort vor allem manuelle Lösungen mit einem hohen Personaleinsatz einsetzen. „Mit unseren Standorten in Malaysia und Australien haben wir einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil, der einen direkten Marktzugang zu den dortigen Märkten ermöglicht,“ resümiert Stehle.
EPP 420
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