Produktivere und flexiblere Lösungen Andreas Holtmann, Universal Instruments, Bad Vilbel

Im heutigen von starkem Wettbewerb geprägten globalen Markt für die elektronische Montage, ist der Einsatz von Systemen zur Automatisierung zum kritischen Faktor bei der Erhöhung von Produktivität und Profitabilität geworden. Je mehr die Bauteilbestückung und Montagefunktionen automatisiert werden, um so effizienter wird der Montageprozess. Der anhaltende Trend der fortschreitenden Miniaturisierung elektronischer Produkte und seiner Bauteile, gepaart mit der Notwendigkeit einer immer kürzeren Markteinführungszeit, verstärkt die Wichtigkeit, die manuelle Montage durch Automatisierung zu ersetzen.

Über die letzten Jahrzehnte wurden Chip-Shooter, Pick-and-Place-Systeme und Fine-Pitch-Bestückungssysteme bis an einen Punkt entwickelt, an dem sie die meisten Bauteile akzeptieren, bestücken und inspizieren können. Jedoch waren bis vor kurzem zwei Bereiche der Montage von der Automatisierung ausgeschlossen: die Bestückung von Sonderbauteilen und die Endmontage. Vor einigen Jahren war der Markt für die Bestückung von Sonderbauteilen weitgehendst zerstört. Ausgewählte Maschinen und inflexible Arbeitszellen wurden für ein einziges Produkt oder für eine Produktgruppe konfiguriert. Ein starres System; denn es war sehr schwer und teuer, diese Maschinen auf ein neues Produkt umzurüsten. Diese Systeme besaßen kein Bauteil-Erkennungssystem und für die meisten Bauelemente war ein besonderes spezielles Greifwerkzeug nötig. Die lange Zeit für den Umbau und die damit verbundenen Kosten führten zum Ende dieses speziellen Typs von Montagesystemen.

Heute, in den schnelllebigen Produktionsumgebungen, fordern die Produktionsunternehmen Systeme für Sonderbauteile und für die Endmontage, die den gleichen Nutzen hinsichtlich Produktivität wie ihre bestehenden automatisierten Bestückungssysteme bieten, und zwar zu einem Preis, der es rechtfertigt, die Automatisierung der manuellen Montage vorzuziehen, insbesondere, wenn sie sich in Regionen befinden oder mit diesen konkurrieren, in denen die Arbeitskosten niedrig sind.

Die Maschinenlieferanten der so genannten Exoten- oder Sonderbauteil-Ausrüstungen (damit sind nicht die Maschinen gemeint, sondern die Komponenten, die sie bestücken) arbeiten daran, die sich aus diesen Forderungen ergebenden Herausforderungen zu erfüllen. Die über die Jahre in der Entwicklung von Bestückungssystemen gesammelten Erfahrungen werden nun auf die Systeme für Sonderbauteile und Endmontage übertragen. Die Merkmale, die ein Produktionsunternehmen bei der Auswahl solcher Maschinen berücksichtigen muss, sind Zuverlässigkeit, Flexibilität, Skalierbarkeit und Programmierbarkeit.

Eine einheitliche Maschinenplattform ist die Grundlage einer effektiven und kostengünstigen modernen Ausrüstung für die Bestückung von Sonderbauteilen und für die Endmontage. Diese Plattform muss solide gebaut sein, um in Hochgeschwindigkeitsumgebungen und im Mehrschichtbetrieb konstant zu arbeiten. Die präzise Mehrachsen-Positionierung mit hoher Auflösung sichert eine akkurate Bestückung. Eine Wiederholgenauigkeit im Bereich von ± 0,01 mm ermöglicht einem solchen System, eine hohe Ausbeute zu liefern und strengste Qualitätsanforderungen zu erfüllen.

Ein besonderes Merkmal der Plattform ist, dass sie gemeinsame Schnittstellen zu allen Systemen hat, die man zusätzlich damit verbinden kann. Wenn die mechanischen Komponenten, elektrischen Anschlüsse, die Ein- und Ausgabesysteme, die Bedienersoftware und die Programmierbarkeit einheitlich sind, ist diese Ausrüstung einfach umzukonfigurieren und zwar direkt am Produktionsort. Im Gegensatz dazu mussten die speziell angefertigten Systeme der Vergangenheit zum Maschinenlieferanten zurückgeschickt, und dort in einem langwierigen und teuren Prozess umgebaut werden. Heute unterstützt eine gemeinsame Plattform mit einheitlichen Schnittstellen die Modularität und liefert der Montagelinie die Vorteile der Flexibilität und Skalierbarkeit.

Es gibt viele wichtige Aspekte im Zusammenhang mit Flexibilität. Die Ausrüstung selbst muss flexibel sein und sie muss flexible Werkzeugmodule haben, um vielfältige Funktionen ausführen zu können, sowie flexible Bauteilzuführungs-Möglichkeiten bieten. Diese Aspekte sollen nachfolgend betrachtet werden, da sie einander bedingen. Obwohl Art und Anzahl von SMT-Bauteilen über die Jahre rasch zugenommen haben, sind Sonderbauteile – vom Steckverbinder oder Anschlussstift bis zu Transformatoren und Kondensatoren – nach wie vor unverzichtbar. Ein System, das nur eine Bauteilart montieren kann, hat eine begrenzte Gebrauchsfähigkeit in den heutigen, sich schnell ändernden Produktionsumgebungen.

Leicht austauschbare modulare Feeder und Greifwerkzeuge überwinden diese Beschränkungen. Die Komponentenfeeder können mechanisch und elektrisch innerhalb von Sekunden entfernt und ausgetauscht werden. Wenn dieselbe Plattform zusätzlich noch Bauteile aus Radial- oder Axialgurtfeeder in einer Vielfalt an Breiten, aus Rütteltopf- und Flächenmagazin-Feeder aufnehmen kann, erhöht das den Gebrauchsnutzen gewaltig. Trotzdem führt der Austausch von Bauelementen im Gegensatz zum Austausch der Bauteilfeeder selber zu einer kosten- und zeiteffizienteren Produktion. Die Greifwerkzeuge sollten automatisch während der laufenden Produktion auswechselbar sein, abhängig von der Art der Greifertechnologie und der Vielfalt der Bauteilformen.

Wenn jeweils ein Bauteil aus einem Stangenfeeder und ein Bauteil aus einem Rütteltopf pro Baugruppe erforderlich sind, können die verschiedenen Feeder jeden benötigten Typ bereitstellen. Wird ein Bauteil gegen ein anderes ausgetauscht oder ein drittes hinzugefügt, ermöglichen die Feederwechsel-Module eine Neukonfiguration der Plattform ohne langwierige oder teure Verzögerungen. Der Kauf eines neuen Feedermoduls – grundsätzlich ein Zubehörteil einer Maschine – ist weitaus wirtschaftlicher als ein Umbau der Maschine. Legt sich das Produktionsunternehmen einen Bestand an Bauteilfeeder an, steigt die Flexibilität der Zuführung. Wenn zum Beispiel ein Bauteil einige Monate nicht benötigt wurde und nun auf der Materialliste für dieselbe oder eine andere Montage wieder erscheint, kann der Feeder auf der Maschine sofort ausgetauscht werden. Sonderbauteile in einer für die Automatisierung passenden Verpackung zu erhalten, bleibt ein Hindernis bei der automatisierten Bestückung dieser Komponenten. Da die Bauelemente derzeit häufig als Schüttgut in Plastiksäcken für die manuelle Bestückung geliefert werden, wird die Zusammenarbeit mit Bauteilherstellern und Verpackungslieferanten unabdingbar, ebenso wie die Berücksichtigung der Zusatzkosten für die Verpackung in der Amortisationsrechnung derartiger Projekte.

Modulare Servo-Greifer können verschiedene Typen von Bauteilen verarbeiten, mit oder ohne Vakuum, unterstützen also ein flexibles Komponentenspektrum. Während der Kopf des Servo-Greifers am Portal fest montiert ist, können bei den meisten auf dem Markt erhältlichen Maschinen die Greiferfinger ausgetauscht werden. Aufgrund des Einflusses auf die Zykluszeit während der Produktion, wird ein Wechsel der Greifwerkzeuge in der Mitte eines Bestückzyklus eher selten vorgenommen. Es ist vernünftiger, den Austausch beim Produktwechsel vorzunehmen.

Sollte es doch einmal vorkommen, dass ein kundenspezifischer Feeder oder Greifer benötigt wird, und die Stückzahlen rechtfertigen den damit verbundenen Zeit- und Kostenaufwand, ist es allemal wirtschaftlicher, ein entsprechendes System auf Basis eines modularen Ergänzungsteils zu entwickeln, als die gesamte Maschine umzubauen.

Wenngleich es eine Vielzahl verschiedener Typen von Sonderbauelementen gibt, werden in der Regel nur einige wenige pro Baugruppe benötigt. Eine Maschine, die mit vielfältigen modularen Zuführsystemen und Bearbeitungsstationen ausgestattet ist, kann bei einer Festrüstung Sonderbauteile auf mehreren Produkten montieren, ohne einen Rüstwechsel vorzunehmen. Oder, bei Verwendung der modularen Werkzeugschnittstelle, können entsprechende Fertigungsaufgaben wie das Clinchen der Kontakte oder das Lesen von Barcodes, auf ein und derselben Maschine durchgeführt werden. Die Automatisierung, insbesondere dieser Arbeitsschritte, erhöht in bedeutender Weise die Geschwindigkeit und Produktqualität bei der Bestückung von Sonderbauteilen und den Aufgaben in der Endmontage wie Bestückung von Abdeckungen, Dosieren und Vergießen, optische Kontrolle und Beladen von Trays.

Die Kombination einer Basis-Plattform mit modularer Zuführung, Greifern und Werkzeugen ist die Antwort auf das Problem der Flexibilität der Ausrüstungen. Erst eine solche Kombination ermöglicht vielen Elektronikherstellern, eine einzige Maschine für die Bestückung verschiedenster Bauteile und Bauteiltypen sowie für vielfältige Fertigungsaufgaben zu verwenden. Sollte sich eine Funktion ändern oder nicht mehr benötigt werden, kann diese durch eine andere ersetzt werden, ohne dabei die kurze Amortisationszeit zu verlängern.

Aber noch ein weiterer Aspekt der Flexibilität beeinflusst die Fähigkeit der Ausrüstungen, den geänderten Produktionsanforderungen gerecht zu werden. Für ein Produkt, das zunächst in kleinen Stückzahlen gefertigt wird und in kürzester Zeit in hohen Stückzahlen produziert werden muss, ist Skalierbarkeit unerlässlich, um produktiv zu bleiben. Die Schwierigkeit der korrekten Abschätzung der zu produzierenden Stückzahlen stellt heute eine Schlüsselfrage dar. Die Skalierbarkeit kann daher weitaus wichtiger sein als die Flexibilität.

Für Vor- oder Kleinserien kann eine einzige Sonderbauteil-Bestückungsmaschine alle Fertigungsaufgaben erledigen, die für die Montage dieses Produkts notwendig sind. Im Batch-Betrieb kann dann dieselbe Maschine so umkonfiguriert werden, wie es für verschiedene Produkte nötig ist. Steigt die Stückzahl an, bietet die Skalierbarkeit dem Produktionsunternehmen weitere Optionen: Hinzufügen weiterer Maschinen oder eine Änderung der Kombination von Werkzeugen und Funktionen, um mit der gesamten Fertigungslinie Schritt zu halten.

Stellen Sie sich als Beispiel eine Maschine mit einem einzelnen Servo-Greiferkopf und standardisierten Greifwerkzeugen vor, vielleicht noch mit einem Erkennungssystem für die Inspektion der Bauteilanschlüsse vor der Bestückung. Dies wäre bereits eine höchst flexible Lösung für kleine oder mittlere Losgrößen mit einer großen Bandbreite verschiedener Bauteile und Produkte. Der tatsächliche Durchsatz beliefe sich im Durchschnitt auf 1000 bis 1600 Bauteile pro Stunde. Eine weniger flexible Maschine für größere Stückzahlen würde mit zwei Bestückköpfen mit pneumatischen Greifern (billiger als Servo-Greifer) ausgestattet sein. Diese Maschine wäre zwar weniger flexibel, könnte aber mit einem höheren Durchsatz arbeiten (2000 bis 2500 Bauteile pro Stunde).

Optimale Skalierbarkeit wird also nicht immer durch einfaches Anfügen weiterer Maschinen erreicht, da es mehr kosten würde als eine schnellere Maschine mit der gewünschten Flexibilität. Daher ist für jede Produktionssituation eine genaue Evaluierung nötig, um die optimale Konfiguration der Ausrüstung zu finden. Erst wenn die Stückzahlen bis zu dem Punkt steigen, an dem weitere Maschinen benötigt werden, sollten eine oder mehrere Plattformen angefügt werden. Die Modularität der Feeder und der Werkzeuge erlauben es dann, die Montageaufgaben über die verschiedenen Maschinen, entweder direkt hintereinander oder an verschiedenen Positionen innerhalb der Linie zu verteilen. Sehr wichtig dabei ist, dass diese Kapazitätserweiterung ohne kostenintensive Änderungen an der Gesamtlinie zu erreichen ist, dank der letzten Eigenschaft, die moderne Sonderbauteil-Bestückungsmaschinen auszeichnet: der Programmierbarkeit.

Software, die es den Technikern ermöglicht, neue Programme direkt am Bestückungssystem zu entwickeln – der Import von Verpackungsinformationen und Bauteilnummerndaten wie auch der CAD-Datenimport – wird nun auch auf Systeme für die Sonderbauteil-Bestückung übertragen. Auch hier stellt die gemeinsame Programmierbarkeit der gesamten Basisplattform und all ihrer modularen Elemente eine Schlüsselfunktion dar.

Wenn dies in Verbindung mit Servo-Greifern und Erkennungssystemen, gemeinsamer Bedienerschnittstellen und Programmierung zum Einsatz kommt, hilft das den Produzenten die Probleme zu überwinden, die bei früheren Generationen der Sonderbauteil-Bestückungsmaschinen auftraten. Denn häufig erforderten solche Systeme für die Umkonfigurierung ein aufwändiges Neuprogrammieren, und waren daher schwierig in eine automatisierte Montagelinie zu integrieren.

EPP 410