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Intelligenter Materialfluss in der Elektronikfertigung

Andreas Keller • 20. Oktober 2021

Auch die beste High-Speed Maschine nutzt rein gar nichts, wenn sie nicht zur richtigen Zeit mit dem richtigen Material versorgt wird. Ein fehlendes oder ein falsches Teil und schon steht die Produktionslinie – das kostet wertvolle Zeit, vor allem aber auch viel Geld. Während die Linie steht, geht der Bediener den möglichen Fehlerursachen auf den Grund. Begleiten wir daher im Folgenden einmal eine Bauteilrolle auf ihrem Weg vom Wareneingang zum Bestücker.


Die Ursache für falsch bestückte Bauteile liegt vor der Linie 
Schon im Wareneingang können die ersten Fehler passieren: Da bei den Herstelleretiketten kein einheitlicher Kennzeichnungsstandard herrscht, kleben auf einer Rolle meist eine Vielzahl an unterschiedlichen Etiketten. Hier das richtige Etikett und die Produktnummer zu finden, ist die erste Herausforderung im Wareneingang. Da für alle weiteren Prozessschritte ein neues, eindeutiges Etikett für jede einzelne Bauteilrolle erzeugt werden muss, gilt es, die Produktnummer manuell zu übertragen. Schnell wird hierbei aus einem „o“ eine „0“ oder aus einer 2000 eine 20000. Solche Fehler sind allzu menschlich und schnell passiert. Leider haben sie zur Folge, dass auch das beste Materialmanagement und die beste Produktionsplanung versagen – die falsch gelabelte Rolle kann dem Prozess nicht mehr richtig zugeführt werden.

Wurde die Rolle im Wareneingang erfolgreich vereinnahmt, wandert sie ins Lager, wo bereits die unterschiedlichsten Materialien auf zumeist kleinstem Raum gelagert werden – ohne ein ausgeklügeltes Lagersystem ist hier bei der Ein- und Auslagerung das große Suchen angesagt.

Auch der nächste Prozessschritt birgt potenzielle Fehlerquellen: Wird die Rolle für einen Auftrag gebraucht, wird sie aus dem Regal genommen und dem Bestücker zugeführt. Aber wurde überhaupt die richtige Rolle ausgelagert? Das zeigt sich im besten Fall am AOI; im Worst-Case wird die Verwechslung erst nach Auslieferung beim Kunden bemerkt. Das zieht Ärger und Rückrufaktionen nach sich.


Der Unterschied zwischen 4999 und 5000
Wo sind weitere Tücken im Materialfluss? Werfen wir einen Blick auf die Produktion: Wenn nach einer Bestückung noch Bauteile übrig sind, bietet es sich an, diese für einen anderen Auftrag zu verwenden. Gerade wenn Bauteile knapp sind, müssen die vorhandenen Ressourcen voll genutzt werden. Doch obwohl der Bestücker den Verbrauch erfasst, kann es durch ungeplanten Abwurf oder Verluste beim Splicen zu Abweichungen kommen und die Rolle, die noch perfekt für den Auftrag hätte reichen sollen, ist auf einmal leer. Der Unterschied zwischen 4999 und 5000 noch vorhandenen Bauteilen kann hier der Unterschied zwischen vollendetem Auftrag und Linienstillstand sein.


Intelligentes, automatisiertes Materialmanagement beugt Bedienerfehlern vor
Wir haben gesehen: Buchungsfehler, falsche Bestückungen und eine unzureichende Verbrauchserfassung legen eine SMD-Linie schnell lahm. Diese Fehler lassen sich mit einem Materialfluss-Konzept von SmartRep jedoch leicht eliminieren:

Was kann man gegen Fehler im Wareneingang tun? Eine automatisierte Wareneingangslösung, wie die aus dem Hause MODI, reduziert Buchungsfehler und Zahlendreher auf null: Das Herstelleretikett wird automatisch identifiziert und ausgelesen, der Wareneingang im ERP-System verbucht. Eine doppelte Absicherung gegen Fehler bietet die „Readback-Funktion“. Bei der Generierung des neuen Etiketts vergibt das System zudem eine „Unique ID“, mit der die Rolle jederzeit eindeutig identifizierbar ist. 

Close Up von Bauteilrolle auf dem Scanfeld des MODI Wareneingangsscanners

Wareneingang mit dem WES V.4 von MODI: Einfach die Rolle
auflegen, den Rest macht das System 

Mit einem intelligenten Lagersystem wie dem aus dem Hause Inovaxe wird die Ein- und Auslagerung der Rollen nicht nur weniger fehleranfällig, sondern auch effizienter: Durch das chaotische Lagerprinzip können Bauteilrollen an beliebigen freien Plätzen gelagert werden, was eine volle Auslastung aller Stellplätze erlaubt. Auch von langen Suchen nach der richtigen Rolle kann man sich verabschieden: Die Sensoren an den Regalen erkennen, welches Material an welchem Stellplatz eingelagert wird und verbuchen dies direkt im ERP-System. Fehlgriffe bei der Entnahme von Materialien werden vom System verhindert: Mit dem sogenannten „Pick-by-light“-Verfahren zeigen die Regale dem Bediener den Lagerort des gesuchten Materials in der Reihenfolge der Bestückung an und warnen bei etwaigen Fehlgriffen. 

Eingelagerte Bauteilrollen in einer smarten Lagerlösung von Inovaxe

Den vollen Überblick über das Inventar mit Lagerlösungen von Inovaxe 

Wie aber vermeidet man Linienstillstand durch Bauteilmangel? Dass Bauteile beim Bestücken oder Splicen verloren gehen, ist nicht zu verhindern. Mit einer Röntgenbauteilzählung kann aber exakt nachvollzogen werden, wie viele Bauteile tatsächlich noch auf der Rolle sind. So ist die Bauteilzählung mit dem HAWKEYE1000 schnell und präzise: der Zählvorgang dauert weniger als 10 Sekunden und ist in nur vier Schritten erledigt. Jede gescannte Rolle erhält automatisch ein neues Etikett, das generiert wird, sobald die Rolle dem Bauteilzähler entnommen wird – Fehler beim Etikettieren sind somit ausgeschlossen. 

Röntgenbauteilzählung: Röntgenbild und Zählergebnis nebeneinander

Rolle und Zählergebnis - exakt gezählt in unter 10 Sekunden 

Eine runde Sache wird das Materialmanagement, wenn neben dem ERP-System noch eine Materialmanagement-Software zum Einsatz kommt. Mit solch einer Software-Lösung, die die Schnittstelle zwischen dem Shop-Floor und dem ERP-System darstellt, können unter anderem die Produktionsplanung erstellt, Material reserviert und Mindestbestände definiert werden. Da hier die Bestände auf Unique-ID Ebene geführt werden, kann zudem die Erstellung neuer Etiketten im Prozess, wie z.B. nach der Bauteilzählung, entfallen.   

Wer seine Fertigung zukunftsfähig aufstellen will, der muss auch an das Material Management denken. 

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Die wichtigsten Verfahren sind DPM und Klebeetiketten Eine der bekanntesten Möglichkeiten der Kennzeichnung von Leiterplatten ist die Verwendung von Klebeetiketten (Aufkleber oder auch Labels genannt). Verwendet wird dabei meist ein weißes Trägermaterial, welches vorab mit einer Information in Form eines 1D oder 2D Codes bedruckt wurde. Der nachweisliche Trend der Kennzeichnung geht hin zum DPM-Verfahren. DPM steht hierbei für „Direct Part Marking“. Beim DPM wird die Kennzeichnung dauerhaft auf dem jeweiligen Produkt (Leiterplatte, Baugruppe) aufgebracht. Als DPM-Verfahren hat sich dabei die Laserbeschriftung durchgesetzt. In der Regel kommt dabei ein CO2-Lasersystem zum Einsatz, welches beim Beschriftungsprozess einen Farbumschlag im Lötstoplack erzeugt. Wie wir alle wissen ist nichts wirklich perfekt, so auch hier. Beide Verfahren bringen in ihrer Anwendung und im Hinblick auf den gesamten Produktlebenszyklus entsprechende Vor- und Nachteile mit sich. Wo Licht da auch Schatten: Die Vor- und Nachteile liegen auf der Hand Schauen wir uns mal das Aufbringen von Etiketten näher an. Im ersten Moment und gerade bei kleiner Stückzahl sehen wir oft den Einsatz von Etiketten als eine kostengünstige Lösung. Werden diese von Hand aufgeklebt, müssen wir uns über die Kosten und die Fehlermöglichkeiten sicher Gedanken machen. Daher bringt man heutzutage die Etiketten überwiegend direkt mit dem Bestücker auf. Dies hat zur Folge, dass eine mögliche Datenerfassung erst ab der Mitte des Fertigungsprozesses erfolgt. Alle unsere vorgeschalteten Prozesse werden somit für die spätere wichtige gesamtheitliche Prozessvalidierung nicht erfasst. Wir setzen typisch sog. Labelfeeder ein, die der Bestückungsanlage die Aufkleber wie ein Bauteil zur Verfügung stellen. Dadurch reduzieren wir natürlich den so dringend benötigten Stellplatz auf der Bestückungsanlage um teilweise bis zu sieben Spuren. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Rüstungen und könnte im Einzelfall sogar dazu führen, dass wir ein Produkt nicht komplett mit einer Rüstung produzieren können. Zudem erhöhen sich durch das Setzen eines oder mehrerer Etiketten mittels Bestückungsmaschine auch die Taktzeiten, da Etiketten langsamer bestückt werden müssen. Final hat dies Auswirkungen auf unseren gesamten Fertigungsprozess. Die meist vorgedruckten Etiketten müssen bei einem Produktwechsel auch oft umgerüstet werden, da es produktabhängig verschiedene Anforderungen und Einschränkungen gibt. Oftmals ist der Platz auf der jeweiligen Leiterplatte nicht ausreichend vorhanden und so wird lediglich nur ein Barcode auf den Nutzenrand aufgebracht und nicht jeweils auf alle Einzelschaltungen, was nach dem Vereinzelungsprozess zu einer unvollständigen und nicht mehr nachvollziehbaren Prozesskette führt. Eine solche vereinfachte Kennzeichnung deckt zwar manchmal den reinen internen Prozess zur Datenerfassung ab, am Ende müssen wir uns aber alle überlegen, ob dies unserem Anspruch an Qualität und Liefertransparenz gerecht wird. Immer die Konsequenz aus dem Gesamten dabei beachten. Gewisse technische Einschränkungen sind zudem zu überprüfen. Wir wissen, dass Etiketten kleiner 5x5mm nicht mehr prozesssicher platziert und gelesen werden können. Auf kleinen Etiketten ist natürlich auch weniger Inhalt möglich. Um einen Code muss mindestens ein umlaufender Rand von gut 1mm freigehalten werden um ihn später sauber lesen zu können. Besteht der Wunsch oder die Idee die Etiketten bereits vor der SMT Linie auf die Leiterplatte aufzubringen, müssen wir ein paar weitere Faktoren beachten. Einer davon ist der Druckprozess. Man stelle sich vor, dass ein ca. 100µm dickes Etikett auf die Leiterplatte aufgebracht wird. Eine klassische Druckschablone ist i.d.R. ca. 100-130µm dick. Nun trifft die Schablone auf das 100µm dicke Etikett und verursacht so an und um diese Stelle einen erhöhten Absprung. Dieser führt zu einer ungewollt höheren Aufbringung von Lotpaste, was gerade bei FinePitch zu Fehlern führt. Am Ende ist es auch eine Kostenfrage. Die Kosten für Etiketten steigen mit zunehmender Menge und Varianten. Zudem bedarf es hitzebeständiger und teurer Etiketten (sog. Kapton-Material) für einen prozesssicheren Einsatz im Lötprozess. Nur diese halten einen teilweise zweimaligen Durchlauf durch den Lötofen aus. Eine langfristige Berechnung über die Stückzahlen sollte hier immer vorgenommen werden, um so andere Verfahren wie die Laserbeschriftung auch in Betracht zu ziehen. Ein klarer Vorteil von Aufklebern ist dabei das sehr gute Kontrastverhältnis. Auf ein weißes Etikett wird ein schwarzer Inhalt gedruckt. Auch bei einem späteren Beschichtungsverfahren (Bsp. Schutzlackierung) der Baugruppe kann meist der Inhalt noch sehr gut gelesen werden. Der wichtigste Faktor aber ist, Etiketten können abfallen und somit verlieren Sie alle Informationen. Kommen wir zum DPM-Verfahren und schauen uns dabei die Laserbeschriftung genauer an. Die Laserbeschriftung kommt am Anfang einer SMT Fertigung zum Einsatz. Meist als inlinefähige Anlage direkt in der SMT Linie vor dem Drucker oder als autarke automatisierte „Beschriftungsinsel“ vor der Linie oder bereits im Wareneingang. Die Taktzeiten pro Beschriftung sind sehr kurz. Die Qualität der Beschriftung wird im System gleich nach dem Aufbringen überprüft. Neben dem hohen Durchsatz steht auch die Flexibilität der Kennzeichnung im Fokus einer modernen Laserbeschriftungsanlage. Der Inhalt kann frei definiert und zur Kennzeichnung entsprechend produktspezifisch ausgeführt werden. In der Größe der Kennzeichnung und dem Inhalt sind Sie praktisch frei und so ist eine individuelle Kennzeichnung je nach verfügbarem Platz auf der Leiterplatte umsetzbar. Definitiv verbleibt die Kennzeichnung dauerhaft auf der Leiterplatte und kann nur mechanisch zerstört werden. So sind Sie für alle Fälle auf der sicheren Seite.
2 CuttingMaster von LPKF
von Stefanie Marszalkowski 13. Januar 2021
Die LPKF Laser & Electronics AG blickt zurück auf ein Jahr erfolgreicher Zusammenarbeit mit der SmartRep GmbH: Seit 2019 ist SmartRep exklusiver Partner für die LPKF-Lasernutzentrennsysteme in der D-A-CH Region. SmartRep konnte bereits zahlreiche Anfragen generieren und mehrere Projekte erfolgreich abschließen. Vor allem der Schweizer EMS-Markt zeigte großes Interesse an der Lasernutzentrenntechnologie. „SmartRep hat sich mit seiner langjährigen Erfahrung und guter Branchenkenntnis als die richtige Wahl für einen Vertriebspartner erwiesen“, sagt Thorne Lietz, Senior Sales Manager bei LPKF.
Smarte SMD-Lagerlösungen bei Deltec
von Dr. Julia Traut 17. November 2020
Keine Suchzeiten für Bauteilrollen, geringer Platzaufwand, einfache Bedienung – so lassen sich die Vorteile kurz zusammenfassen, die DELTEC Automotive durch die Umstellung des Lagers für Highrunner-Produkte auf die smarten Regale von INOVAXE erreichte.
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