Seit 1977 unterstützt Endress+Hauser Flow mit dem Product Center für Durchflussmesstechnik sowie Fluid Management Lösungen seine Kunden mit praxisgerechten, modernen sowie auf die jeweiligen Bedürfnisse maßgeschneiderten Durchflussmessgeräten. Das Unternehmen hat weltweit ca. 2.350 Mitarbeitende, während die Endress+Hauser Gruppe gut 15.000 Mitarbeitende beschäftigt. Das Unternehmensnetzwerk umfasst eigene Vertriebsgesellschaften in 50 Ländern, Repräsentanten in mehr als 70 weiteren Ländern, eigene Produktion in 11 Ländern an 25 Standorten, mit weltweit einheitlichen Qualitätsmaßstäben. Die Holding sowie das Product Center für Durchflussmesstechnik befinden sich in Reinach bei Basel in der Schweiz mit rund 1.400 Mitarbeitenden. Es beherbergt Forschung und Entwicklung, das strategische Marketing, Verkaufsunterstützung, Produktion, Qualitätssicherung sowie Logistik für die fünf innovativen Durchfluss-Messprinzipien. Neben Prozessinstrumenten für Durchfluss-, Füllstands-, Druck- und Temperaturmessung befinden sich auch Produkte aus den Bereichen der Flüssigkeitsanalyse, Messwertregistrierung und -erfassung im Portfolio der familiengeführten Aktiengesellschaft.
Teststrategie auf dem Prüfstand
Eine neue Generation von Durchflussmessgeräten brachte viele neue Baugruppenmodelle inklusive zahlreicher Varianten mit sich. Daher entstand der Plan, die Boardtester mit Nadelbettadapter sukzessive durch Flying Probe Tester zu ersetzen. Die Gründe hierfür sind naheliegend, wie Andreas Zabel, Team Leader Test Engineering, erklärt: „Wenn wir unsere Elektronik mit Nadelbett testen, haben wir den großen Nachteil, dass wir für jedes Design einer Baugruppe mindestens einen Adapter benötigen. Das beginnt bereits bei der Baugruppenentwicklung. Wenn man schon in frühen Prototypenstadien umfangreich testen will, so wären dafür stets neue Adapter notwendig. Doch ein Adapterbau ist sehr aufwendig und kostet viel Zeit und Geld. Und waren die Lieferzeiten für Adapter vor der Pandemie noch bei 12 bis 14 Wochen, so liegen diese heute bei ca. 20 Wochen. Ein Flying-Prober Testprogramm ist hingegen auch für komplexe Designs in wenigen Wochen erstellt und stabil – und kann bei Änderungen sehr leicht angepasst werden. Das spart gerade in der Entwicklungsphase sehr viel Zeit und Geld.“
Hinzu kommt eine hohe Produktvarianz mit rund 220 verschiedenen Boardtypen inklusive zahlreicher Varianten. So wurde bereits vor einigen Jahren die Herstellung in zwei Fertigungstypen mit jeweils drei SMT-Linien aufgeteilt: Die hoch automatisierte Renner Fertigung produziert hohe Stückzahlen in kleiner Varianz, während die flexible Fertigung dagegen hoch flexibel kleine Stückzahlen in hoher Varianz produziert, ebenso Prototypen- und Musterserien. Nach Informationen des Unternehmens soll im Frühjahr 2023 eine weitere SMT-Linie die bereits bestehenden ergänzen, um bei gestiegenen Anforderungen weiterhin hochflexibel zu bleiben. Immerhin liegt die Produktionsleistung bei ca. 2 Mio. Baugruppen im Jahr, realisiert in drei Schichten einer Fünf-Tage-Arbeitswoche. Zur Qualitätssicherung stehen dafür unter anderem zahlreiche Testinseln mit fünf SPEA 4060 S1 sowie 10 SPEA 4080 Flying Probe Tester zur Verfügung.
Qualitätssicherung für zuverlässige Baugruppen
Das erste System (Modell 4040) des Testsysteme-Herstellers fand bereits 1999 seinen Weg zu Endress+Hauser, um Prototypen sowie kleine Serien zu testen. Der immense Anstieg an produzierten Baugruppen durch die neue Produktreihe führte im Januar 2012 zum ersten SPEA 4060 Flying Prober, bis 2016 waren acht dieser Modelle in der Fertigung zu finden. „Anfangs hatten wir zwei der SPEA 4060 Flying Probe Tester inline,“ so Andreas Zabel zum Einsatz der Flying Prober. „Doch haben wir dann festgestellt, dass der Tester am Ende einer Bestückungslinie zu keiner optimalen Auslastung führte und entweder einmal zum Bottleneck wurde oder das andere Mal nicht komplett ausgelastet war. Insofern haben wir uns entschlossen, die Systeme in Testinseln, ausgestattet mit jeweils einem Be- und Entlader, zu gruppieren. So konnten wir unsere Flexibilität nochmals erhöhen.“
Aus den ehemals acht 4060 Systemen sind heute noch fünf in der Fertigung zu finden, „da es sich hier noch um die S1-Serie handelt,“ verdeutlicht Andreas Zabel. Doch wird diese Serie nicht mehr hergestellt. Nachdem bei der nachfolgenden S2-Serie wesentliche Teile verändert wurden, war an eine Aufrüstung nicht mehr zu denken. Der Hersteller automatischer Testsysteme hat dennoch mit einem Stock an Ersatzteilen dafür Sorge getragen, dass mit diesen Systemen weiterhin problemlos gearbeitet werden kann. „Dennoch mussten wir Risikomanagement betreiben, haben uns für die Anschaffung der multifunktionalen Flying Probe Systeme Modell 4080 entschieden und phasen die alten Tester nun langsam aus, mit dem Ziel, letztendlich auf nur eine Flying-Probe Testplattform zurückzukommen. Der Grund liegt unter anderem an der unterschiedlichen Software der beiden Testsysteme, so dass unsere Testingenieure im Moment noch gezwungen sind, von den Testprogrammen zwei Versionen zu entwickeln. Noch sind die fünf Modelle des 4060 Tester im Einsatz und werden auch aus Kapazitätsgründen benötigt.“
Benefit durch Wechsel der Verfahrensweise
Die Investition in die SPEA 4080 Tester mit frühem Wechsel auf Flying Prober machen sich im vollen Umfang positiv bemerkbar. Bereits in der Entwicklungsphase der Baugruppen lässt sich feststellen, dass ein Testprogramm schon nach durchschnittlich zwei Wochen betriebsfertig ist. Bei etwa einer neu hinzukommenden Baugruppe monatlich, ein nicht unerheblich eingesparter Zeitfaktor im Vergleich zum Adapter. Bereits der erste Prototyp wird im Unternehmen auf dem Flying Prober getestet. Dadurch erhalten die Abteilungen Entwicklung, Qualitätsmanagement und Produktion direkte Rückmeldungen über die Qualität und Testbarkeit der Baugruppe. Durch Einführung von Lean Innovation in der Entwicklung kommt das Unternehmen aktuell mit zwei Prototypen ans Ziel, die Prototypen-Zykluszeiten und damit Time-to-Market haben sich laut Aussagen von Andreas Zabel um mehr als die Hälfte verkürzt. Als weiterer Vorteil wurde die Flexibilität der Systeme hervorgehoben: Nach Identifikation des Prüflings durch Einscannen des DMC lädt das Testsystem automatisch das entsprechende Testprogramm vom Server.
Bei Endress+Hauser Flow wurden viele Baugruppen von älteren Testplattformen mittlerweile auf Flying Prober migriert. „Noch haben wir zwei Bereiche, wo Flying Probe Systeme nicht einsetzbar sind. Zum einen die Limitierung bei der Spannung, die bis 100 Volt geht und zum anderen beim Abgleich unserer speziellen Verstärker-Baugruppen.“ Nicht zu vergessen der Hinweis darauf, dass mittlerweile ein First Pass Yield von durchschnittlich 98 % über sämtliche Testsysteme vorgewiesen werden kann.
Hauptbestandteil des Prüfkonzepts ist das multifunktionale Flying Probe System SPEA 4080 mit acht Probes. Durch den Einsatz dieser Testsysteme können die Baugruppen über ihren gesamten Lebenszyklus mit einem einzigen System geprüft werden – von der Entwicklung über den ersten Prototyp bis hin zum Serientest mit hohen Stückzahlen. Das Flying Probe System testet mit insgesamt 8 Probes zeitgleich die Ober- und Unterseite des Boards und bietet höchste Mess- und Kontaktiergenauigkeit bei maximaler Geschwindigkeit. Neben dem ICT werden unter anderem Kurzschlusstests, Clustertests, Boundary-Scan, Kommunikationstests und andere Funktionstests mit Power On durchgeführt. Die SPEA-MPU (Multi-Probe-Unit) bietet zusätzliche Flexibilität und Testtiefe. Die MPU ist eine zusätzliche mechanische Kontaktiereinheit, die auf verschiedenen Achsen des Systems positioniert wird. Insgesamt können vier MPUs genutzt werden – oben und unten. Mit der MPU werden zusätzlich verschiedene externe Signale auf die Baugruppe gebracht, z. B. Power, Boundary Scan, Kommunikationssignale wie UART (z. B. RS485), I2C, SPI etc. Die Anordnung der Pins ist variabel und kann kundenspezifisch konfiguriert werden.
Kommunikation als Basis guter Zusammenarbeit
Die langjährige Kooperation mit dem Testsystemehersteller basiert neben hohem Vertrauen in gleichem Maße auf der offenen Kommunikation beider Unternehmen, wozu der Teamleiter der Testabteilung viel Positives zu erzählen hat: „SPEA hat stets ein Ohr für unsere Anliegen und setzt unser Feedback durch Einsatz eigener Entwicklungsressourcen um. Jeder Kunde hat seine eigenen speziellen Anforderungen, so dass die Systeme oftmals modifiziert werden müssen, wie eben auch bei uns. So werden die Systeme stets weiterentwickelt, wovon dann auch andere profitieren.“ Der Hersteller war zudem einer der ersten, der nicht nur den Funktionstest im Flying Prober, sondern auch die Multi-Probe-Units in Zusammenarbeit mit Endress+Hauser mit anbieten konnte. „Speziell der Funktionstest war für unsere Qualitätssicherung ein wertvolles Feature, um neben dem Test einzelner Bauteile auch die Funktion einer gesamten Baugruppe oder eines Clusters prüfen zu können. Das versuchen wir so weit wie möglich komplett mit dem Flying Probe zu prozessieren, ein zu dieser Zeit komplett neuer Bereich innerhalb Flying Probe. Als klassisches ICT-System mit relativ wenigen Prüfnadeln bestand vorher nur die Möglichkeit, einzelne Bauteile zu testen. Um verschiedene Kommunikationsschnittstellen auf dem Flying Probe fahren zu können, haben wir ebenfalls gemeinsam einen Highspeed Port Multiplexer zur Kommunikation mit Baugruppen via MPU entwickelt und patentiert. Zudem konnten wir in Zusammenarbeit mit SPEA die Automatisierung vorantreiben, um den Testprozess flexibel zu gestalten, und ein Flottenmanagement autonomer mobiler Transportfahrzeuge für monotone Arbeiten aufbauen zu können.“ Die gute Zusammenarbeit baut auf den schnellen und flexiblen Reaktionen von Stefano Ghibò, Sales Manager und Lorenzo Reato, Customer Manager bei SPEA und zeigt: Gute Zusammenarbeit benötigt intensive Kommunikation! (Doris Jetter)
SMTconnect, Stand 4A.124
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