AUTOMATISIERUNG DES WECHSELS VON DRUCKSCHABLONEN UND LOTPASTEN ZUR STEIGERUNG DER PRODUKTIVITÄT BEI DER OBERFLÄCHENMONTAGE

Beschleunigung des Produktwechsels
Bei der Hochgeschwindigkeits-Bestückung von Leiterplatten auf einer SMT-Linie und in Fertigungsszenarien, die viele Umstellungen pro Tag erfordern, kann die Automatisierung möglichst vieler Produktwechselaufgaben Zeit sparen und menschliche Fehler vermeiden, die andernfalls zu Produktionsausfällen führen und zusätzliche Zeit zur Behebung erfordern. Ein hilfreiches System wie die automatische Programmumschaltung (Automatic Program Change-over APCO) kann den Programmwechsel schnell durchführen und sicherstellen, dass das richtige Programm auf alle Maschinen in der Linie geladen wird. Was Bauteil-Bestücker betrifft, ist es möglich, Feeder so aufzurüsten, dass mehrere Produkte ohne Umrüstung gefertigt werden können. Wenn eine neue Feeder-Konfiguration benötigt wird, kann diese offline eingerichtet werden, sodass die Feeder rechtzeitig für die Umstellung an die Maschinen gebracht werden können. Der automatische Feederwechsel kann dann dafür sorgen, dass die neuen Komponenten in der Maschine zur Verfügung stehen.

Das Umrüsten des Schablonendruckers ist ein komplizierteres Verfahren, bei dem in der Regel die Paste von der Schablone entfernt werden muss. Die Schablone wird dann gereinigt, entfernt und durch eine Andere ersetzt. Die Unterstützungsstifte werden neu konfiguriert und die Rakel in Grundstellung gebracht. Bild 1 beschreibt die gesamte Abfolge der erforderlichen Einzelschritte. Um die Umstellung auf das neue Produkt abzuschließen, muss die Montage angehalten werden und kann erst wieder aufgenommen werden, wenn alle Maßnahmen abgeschlossen sind. Wie dargestellt, kann der Umstellungsprozess 10 bis 15 Minuten dauern.

Zu diesen Aufgaben gehören Tätigkeiten wie das Entfernen und Ersetzen der Schablone, für die der Bediener in der Regel geschult werden muss, um sie zufriedenstellend ausführen zu können. Im Allgemeinen hat sich die Automatisierung der arbeitsintensiven Aufgaben im Zusammenhang mit einem Produktwechsel beim Schablonendrucker als kompliziert und schwierig erwiesen. Durch eine umfassende Überarbeitung der internen Struktur des Standard-Schablonendruckers hat Yamaha nun den neuen, mit dem Global SMT Award ausgezeichneten YSP10 (Bild 2) mit automatisierten Umrüstfunktionen entwickelt, die den Schablonenwechsel, den Austausch von Unterstützungsstiften sowie die Entnahme und den Transfer der Lotpastenrolle auf die nächste Schablone umfassen.

Der gesamte Umstellungsprozess kann in 3 bis 5 Minuten abgeschlossen werden, und die Produktion kann sofort wieder aufgenommen werden, ohne dass eine weitere Prüfung, Feinabstimmung oder Konditionierung der Lotpaste erforderlich ist. Die in Bild 3 dargestellte Abfolge zeigt, dass sich der Zeitaufwand für den Umstellungsprozess erheblich reduziert hat.

Die Verbindung von Neuem mit Bewährtem
Yamahas 3S-Druckkopf (Swing Single Squeegee) ermöglicht die Optimierung des Rakelwinkels durch Servoeinstellung, um eine optimale Füllung der Schablonenöffnungen mit Paste zu gewährleisten (siehe Bild 4) . Es ist bekannt, dass der Rakelwinkel eine größere Auswirkung auf das Füllen der Schablonenöffnungen hat als andere Parameter wie Rakelgeschwindigkeit und Rakeldruck.

Yamahas 3S-Druckkopf (Swing Single Squeegee) ermöglicht die Optimierung des Rakelwinkels durch Servoeinstellung, um eine optimale Füllung der Schablonenöffnungen mit Paste zu gewährleisten (siehe Bild 4) . Es ist bekannt, dass der Rakelwinkel eine größere Auswirkung auf das Füllen der Schablonenöffnungen hat als andere Parameter wie Rakelgeschwindigkeit und Rakeldruck. Insbesondere können Lösungsmittel, die sich unmittelbar nach Beendigung eines Reinigungszyklus auf der Schablonenoberfläche befinden, bei Wiederaufnahme des Betriebs zu fehlerhaften Lotdepots auf den ersten zu bedruckenden Leiterplatten führen. Der Drucker verfügt über ein System zum Abgleich des Füllgrads der Schablonenöffnungen, das den Rakelwinkel automatisch verändert, um die durch das verbliebene Lösungsmittel bedingten Unterschiede in der Füllung zu kompensieren. Dies hilft, Druckfehler zu vermeiden, ohne dass zusätzliche Maßnahmen oder Verzögerungen beim Trocknen der Schablone erforderlich sind.



Der 3S-Kopf ermöglicht die automatische Optimierung des Rakelwinkels

Der Druckkopf arbeitet mit einer einzigartigen Rakeltechnologie, bei der eine flexible, nur 100 Mikrometer dicke Rakelklinge mit einer 10 Mikrometer dünnen, reibungsvermindernden Beschichtung versehen ist. Diese ist identisch mit der Beschichtung der Zylinderwände von Yamaha-Hochleistungsmotorrädern, um Energieverschwendung zu minimieren und die Lebensdauer zu verlängern. Diese Beschichtung verhindert effektiv die Abnutzung von Rakeln und Schablonen, was nicht nur zu einer verbesserten Wiederholgenauigkeit beiträgt, sondern auch bessere Ergebnisse beim Drucken mit Stufenschablonen gewährleistet und die Gesamtbetriebskosten des Druckprozesses senkt.

Die kombinierte Wirkung von Rakel und 3S-Kopf ermöglicht hervorragende Ergebnisse bei der Anwendung von Prozessen wie Pin-in-Paste. Der Drucker kann durchkontaktierte Löcher (PTHs) mit einem einzigen Rakel-Druckweg füllen, während andere Systeme mit festem Winkel und starrer Klinge möglicherweise mehrere Durchgänge benötigen. Unternehmen, die bei der Herstellung von Baugruppen, die z. B. große mehrpolige Steckverbinder mit Durchgangslöchern für die Automobilindustrie enthalten, ein effizientes Pin-in-Paste-Verfahren sicherstellen müssen, schätzen die Zeitersparnis sowie die verbesserte Qualität und Wiederholgenauigkeit, die dieses System bieten kann.

Der innere Aufbau des Druckers wurde überarbeitet, um einen automatischen Schablonenwechsel zu ermöglichen. Yamahas vakuumunterstützter Schablonen-Spannmechanismus sorgt für eine hohe Positions- und Wiederholgenauigkeit. Das auf den metallenen Teil der Schablone angewandte Vakuum eliminiert die Auswirkungen jeglicher Verformung des Schablonenrahmens und minimiert Ungenauigkeiten, die durch die Dehnung des Gewebes beim Durchgang der Rakel entstehen können.

Sowohl die Druckmöglichkeiten als auch die Stabilität der Lotdepotformen werden erhöht. Zusätzlich zum Klemm-Mechanismus hilft das grafische, visuelle Ausrichtungssystem des Druckers, die Schablone und die Leiterplatte schnell und intuitiv auszurichten. So wird eine perfekte Ausrichtung von Leiterplatte zu Schablone selbst dann ermöglicht, wenn die Fiducialmarken schlecht oder garnicht vorhanden sind.

Funktionen wie das automatische Einlernen von Unterstützungsstiften haben sich bereits in den letzten Generationen von Schablonendruckmaschinen durchgesetzt. Sie vereinfachen die Programmerstellung, indem sie automatisch die optimalen Positionen für die Unterstützungsstifte bestimmen, um während des Drucks eine Leiterplatten-Unterstützung zu bieten, indem sie CAD-Informationen wie Gerberdaten oder ein hochauflösendes digitales Bild der Leiterplatte nutzen. Die Werkzeug-Suite für automatisierte Umrüstungen erweitert nun diese Möglichkeiten des Druckers um den automatischen Austausch von Unterstützungsstiften, was die optimale Einrichtung der Stifte zur Unterstützung der neuen Leiterplatte weiter vereinfacht.

Die Handhabung der Lotpastenrolle ist ebenfalls automatisiert, um Ineffizienzen beim Umgang mit der restlichen Lotpaste auf der Schablone zum Zeitpunkt des Schablonenwechsels zu eliminieren. Die Paste wird automatisch von der Schablone entfernt und so zurückgehalten, dass die Paste in ihrer Form als Rolle erhalten bleibt. Sie kann dann nach dem Schablonenwechsel auf die Oberfläche der neuen Schablone aufgebracht werden. Vor der Wiederaufnahme des Druckvorgangs wird der Durchmesser der Pastenrolle gemessen und bei Bedarf zusätzliche Lotpaste entsprechend dem PSC-System (Print Stability Control) hinzugefügt. Diese Abfolge an Prozessschritten bietet zwei maßgebliche Vorteile: der Kontakt des Bedieners mit der Paste entfällt, und es wird keine Zeit für die Konditionierung der frisch aufgetragenen Pastenrolle benötigt. Mit dem neuen Programm kann der Druck sofort fortgesetzt werden, sobald die erste Leiterplatte des neuen Auftrags in die Maschine eingelegt wird. Das PSC-System misst den Durchmesser der Pastenrolle regelmäßig während des normalen Betriebs des Druckers, was zur Wiederholgenauigkeit des Prozesses beiträgt, da es eine gleichmäßige Füllung der Öffnungen gewährleistet.

Hochgenaue, integrierte Inspektion
Ein Anwender des YSP10-Druckers in Belgien, der eine Produktionslinie für Automobil-Baugruppen betreibt, stellte fest, dass das in den Drucker integrierte, zweidimensionale Inspektionssystem (2D) eine mit einem dedizierten 3D-Lotpasteninspektionssystem (SPI) vergleichbare Genauigkeit aufweist. Daher kann dieses integrierte 2D-System (Bild 5) zuverlässige Lötpasteninspektionsergebnisse innerhalb der Standardzykluszeit des Druckers gewährleisten. Mit seinem 30 mm x 22,5 mm großen Bildfeld (FOV) und einer Auflösung von 18,7 µm kann dieses System Druckfehler in Finepitch-Lotdepots für Bauteile wie kleine SMD-Chips und BGAs mit 0,5 mm Raster erkennen. Das System löst automatisch eine Schablonenreinigung aus, wenn Probleme mit der Paste erkannt werden.

Fazit
Die Aufgaben im Zusammenhang mit der Produkt-Umstellung des Schablonendruckers waren in der Vergangenheit am schwierigsten zu automatisieren. Während nachgelagerte Aspekte wie Bestückung und Inspektion automatisiert werden konnten, ist das Umrüsten des Schablonendruckers nach wie vor eine arbeitsintensive Aufgabe, die vom Bediener ausgeführt wird. Diese letzte Hürde ist nun überwunden und ermöglicht die Automatisierung der Produktwechsel an allen Maschinen der SMT-Linie, was zu einer höheren Produktivität und Qualität führt.

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