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Koh Young Systeme in fünf Linien bei ebm-papst

Dr. Julia Traut • 2. Februar 2022

Flexibler Maschinenpark hilft in aktueller Bauteilknappheit
Unterschiedlich große, komplexe Leiterplatten und zugleich niedrige Taktzeiten – diese Anforderungen hatte der Luft- und Antriebstechnikexperte ebm-papst aus Mulfingen als er sich 2018 auf die Suche nach optischen Inspektionssystemen machte. Nach Benchmark und Praxistest rüstet das Unternehmen aus Baden-Württemberg nun sukzessive die SMD-Linien mit 3D SPI- und AOI-Systemen von Koh Young aus und profitiert bei der aktuellen Bauteilknappheit von der Bedienungsfreundlichkeit der Systeme.

Am Reparaturarbeitsplatz werden die vom AOI detektierten Fehler verifiziert. (c) ebm Papst

Einen hohen Auftragseingang und eine gute Auslastung verzeichnet der Bereich Elektronikfertigung von ebm-papst in Mulfingen. Nur der Bauteilmangel macht zu schaffen: Häufig ist nicht genügend Material auf Lager, um Aufträge komplett zu produzieren. Dann heißt es flexibel agieren – Teilmengen produzieren, häufig umrüsten. Das gelingt vor allem durch einen flexiblen Maschinenpark. Seit 2018 werden die acht SMD-Linien sukzessive mit SPI- und AOI-Systemen von Koh Young ausgerüstet. Auf fünf Linien erfolgt die optische Prüfung des Druck- und Bestückprozesses bereits in 3D.


Bei 500 verschiedenen Produkten pro Woche ist Verfahrensentwickler Markus Wagner froh, dass die Programmierung der Koh Young Systeme so unkompliziert ist: „Aufgrund der aktuellen Bauteilknappheit haben wir auch Brokerware im Einsatz. Da kann es natürlich sein, dass die Polarität oder Geometrie sich im Vergleich zum Standardbauteil verändert haben“, erklärt er. „Dann sparen wir sehr viel Zeit beim Anpassen der Programme, weil sich die Koh Young Systeme die neuen Daten selbst ziehen. Wir müssen also nicht jede Anlage und jedes Programm separat anfassen.“


Mit Messdaten Prozess analysieren                 

Circa 30.000 gefertigte Leiterplatten gehen bei ebm-papst täglich vom Band. Seit die Koh Young Systeme im Einsatz sind, konnte die Qualität maßgeblich nach oben geschraubt werden: „Da wir aus der 2D-Welt kamen, konnten wir durch die SPI-Ergebnisse unseren Druckprozess maßgeblich verbessern: Dieser war sehr schwimmend. Durch die SPI-Messdaten konnten wir unmittelbar nachvollziehen, wie sich beispielsweise eine Veränderung des Rakeldrucks oder der Einsatz einer neuen Schablone auf das Druckergebnis ausgewirkt hat. Das war ein sehr großer Fortschritt für uns“, erklärt Tobias Brand, Verfahrensentwickler bei ebm-papst.


Zuvor habe man partiell eine 2D Inspektion im Drucker genutzt und offline mit Tischgeräten geprüft. Ab 2018 wurden die Linien dann sukzessive mit Inline-Prüfsystemen von Koh Young nachgerüstet. „Nun haben wir eine 100-prozentige Kontrolle“, sagt Wagner.


Bei der AOI-Implementierung konstatierte Markus Wagner ähnliche Prozessverbesserungen: „Wir haben keine Serienfehler mehr, denn wenn zum Beispiel eine Pipette verschlissen ist und getauscht werden muss, dann merke ich das sofort, da laufen nicht noch weitere Leiterplatten mit demselben Fehler durch.“


Beim Benchmark waren echte, wiederholgenaue Messwerte, geringe Pseudofehlerraten und die hohen Taktzeitanforderungen die wichtigsten Kriterien für das Mulfinger Unternehmen. Aus Gründen der Vernetzbarkeit und Bedienungsfreundlichkeit bevorzugte ebm-papst einen Equipment-Hersteller, der sowohl am SPI als auch am AOI die Anforderungen bedienen kann. Hinzu kommt, dass ebm-papst mit sehr großen Leiterplatten arbeitet: 400mm x 400mm Platinen sind bei dem weltweit führenden Hersteller von Ventilatoren und Motoren keine Seltenheit. „Die Dichte der Bauteile ist bei der optischen Prüfung also weniger das Problem, sondern die lange Zeit der Verfahrwege“, sagt Tobias Brand. Da seien einige Systemhersteller im Benchmark schon herausgefallen. Koh Young konnte mit seinem Performance-Modell aSPIre3 überzeugen, das sich durch Vielseitigkeit und Geschwindigkeit auszeichnet.

ebm Papst produziert am Standort Mulfingen mit acht SMD-Linien. Sukzessive werden diese mit Koh Young Inspektionssystemen ausgestattet.

©ebm Papst

In nur 2 Jahren amortisiert

Dabei haben sich die Systeme durch den hohen Durchsatz – Markus Wagner rechnet mit einem Linientakt von durchschnittlich 15-20 Sekunden – in nur zwei Jahren amortisiert. Was Druck- und Bestückprozess angeht, sind die acht Linien am Standort Mulfingen verschieden aufgebaut, um sowohl Highrunner-Produkte als auch High-Mix-Low-Volume oder besonders große Platinen adäquat produzieren zu können. Die Systeme von Koh Young decken alle diese Anforderungen ab, weshalb ebm-papst nach einem erfolgreichen Testlauf 2018 bereits vier weitere Linien mit der aSPIre3 und der Zenith UHS von Koh Young ausstattete. „Das verleiht uns große Flexibilität, denn die Prüfprogramme werden nur einmal zentral erstellt und laufen auf allen Linien – ganz egal, auf welcher Linie ich produziere, überall wird das Ergebnis auf gleiche Weise mit den gleichen Maßstäben geprüft“, sagt Wagner. 


Des Weiteren profitiert man von der einheitlichen Datenstruktur: „Für die Linienbedienerin und den Mitarbeiter am Reparaturplatz ist es wichtig, dass die Fehlerbewertung übersichtlich und einheitlich ist: Meldet das AOI einen Fehler, kann die Bedienerin ganz einfach und schnell noch mal die SPI-Daten aufrufen, um die Lötstelle genauer in Augenschein zu nehmen“, erklärt Brand. „Und natürlich bietet die Fehlerauswertung im Reklamationsfall eine schnelle Rückverfolgung“, ergänzt Wagner.


Sehr große, schwere Platinen

Ebm-papst hat das Auto-Verification-Tool von Koh Young im Einsatz, um neben den jährlichen Kalibrierungen und Wartungen regelmäßig die Messgenauigkeit der SPI-Systeme zu prüfen. „Eine große Stärke der Koh Young-Anlagen ist, dass sie Leiterplattenverwölbungen von bis zu 5mm in ihren Messungen berücksichtigen“, erklärt Nikolai Knapp von SmartRep. „Weil ebm-papst viele große, schwere Leiterplatten produziert, wurden die SPI und AOI-Systeme zusätzlich mit einer flexiblen Mittenunterstützung ausgestattet, damit die Platinen nicht durchhängen können. Dies sichert hochpräzise Prüfergebnisse.“ SmartRep ist exklusiver Distributor von Koh Young in Deutschland, Österreich und der Schweiz und hat ebm-papst bei dieser Investitionsentscheidung begleitet. Dank des zuverlässigen Supports der SmartRep-Techniker und der soliden Arbeitsweise des Systems konnte somit ein neuer Inhouse-Standard geschaffen werden. 

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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.
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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