Selektivlöten von elektronischen Bauteilen

Beim Steuerungssystem ALNEA-ZEUS unterstützt Roboterpräzision die Null-Fehler-Produktion.

Reduktion der Produktionszeit um 50 Prozent

Die ALNEA Sp. z.o.o. mit Stammsitz in Warschau bietet ihren Kunden die individuelle Entwicklung und Produktion von mechanischen, elektrischen oder pneumatischen, halb- oder vollautomatischen Testgeräten an. Spezialisiert hat sich das polnische Unternehmen dabei auf den selektiven Lötprozess. Die vor Jahren von ALNEA entwickelte Steuerung ALNEA-ZEUS bedurfte jedoch einer grundlegenden Erneuerung, um auch zukünftig die vom internationalen Fachverband der Leiterplatten- und Elektronikindustrie (IPC) geforderten Standards garantieren zu können.

Die neue Version des Löt-Steuergerätes sollte auf sämtliche Prozessparameter zugreifen können, wie z.B. die Bereitstellung relevanter Materialien für das Lötverfahren, deren exakte Positionierung oder das Verhindern von Löt-Tropfen außerhalb des Arbeitsbereiches. Realisiert hat ALNEA die Neuentwicklung in enger Zusammenarbeit mit KUKA Roboter aus Augsburg. Dank eines KUKA KR AGILUS Roboters konnten die Präzision des Lötverfahrens deutlich verbessert, Fehlerquellen eliminiert und die Produktionszeit um 50 Prozent reduziert werden.

Die Löttechnik der sogenannten Trough-Hole-Technology (THT) erfordert ein Höchstmaß an Präzision. Die variablen Parameter wie Flussmittelmenge, Vorheizzeit und -temperatur, Benetzungszeit oder Löttemperatur haben entscheidenden Einfluss auf die Qualität. Zudem müssen materialbedingte Einflüsse berücksichtigt werden. Die kleinen Strukturen und geringen Abstände zu Bauteilen, die nicht benetzt werden dürfen, erlauben keine Fehler. Reparaturprozesse sind bei der THT zeit- und kostenintensiv und oft nicht reproduzierbar, teilweise sogar gar nicht erlaubt.

Das Ziel der Elektronikbranche ist daher der Null-Fehler-Prozess. „Ein zuverlässig kontrollierter Selektivlötprozess ist dabei der entscheidende, erste Schritt in Richtung der Null-Fehler-Produktion bei unseren Kunden“, so Krzysztof Kamiński, Präsident der ALNEA Sp. Z.o.o..

Fehlervermeidung durch Prozessüberwachung und Korrektur

Eine wesentliche Ursache für Fehler im Selektivlötprozess sind Lötbrücken, die beispielweise beim bleifreien Löten durch das geringere Gewicht der Lötlegierung entstehen oder ein ungenügender Flussmittelauftrag. Alle damit verbundenen Prozessschritte sollten daher zuverlässig überwacht werden. Falsch oder ungenau positionierte Baugruppen können im Selektivlötprozess ebenfalls zu Problemen führen. Auch die Überwachung deren Position und ihre eventuelle Korrektur sind entscheidend.

Die für diesen Lötprozess erforderliche Präzision kann nur ein moderner Roboter garantieren

Krzysztof Kamiński, Präsident der ALNEA Sp. Z.o.o.

Neben der Weiterentwicklung der Steuerung war es für ALNEA daher notwendig, einen Roboter zu installieren, der den Lötvorgang ausführt und die Komponenten exakt positioniert. Auf der Suche nach dem geeigneten Modell entschied sich ALNEA für die Zusammenarbeit mit KUKA. „Ausschlaggebend waren für uns das stimmige Preis-/Leistungsverhältnis und die ausgezeichnete technische Unterstützung des KUKA Teams“, erklärt er.

Die KUKA Steuerung KR C4 erfüllte zudem die Forderung von ALNEA, dass die Kontrolle des Prozesses über ein einfaches Bediengerät erfolgen muss. Denn dessen offene Architektur unterstützt die problemlose, technische Integration in vorhandene Maschinenumgebungen.

Klein, schnell und präzise: der KUKA KR 6 R900

ALNEA entschied sich für einen KR 6 R900 aus der KR AGILUS Serie als Prototyp. Die Serie überzeugt durch extreme Geschwindigkeiten bei gleichzeitig hoher Wiederholgenauigkeit und Präzision. Durch den symmetrischen Aufbau nutzen die KR AGILUS Roboter das Arbeitsvolumen optimal aus. Ihre extrem schlanken Konturen für den Einsatz in beengten Räumen hat KUKA durch eine Energiezuführung im Inneren ermöglicht.

Der KR 6 R900 gewährleistet nicht nur höchste Präzision und Arbeitsgeschwindigkeit bei platzsparender Bauweise. Mit einer Traglast von bis zu 6 kg und einer maximalen Reichweite von 900 mm schafft der Roboter zudem eine Wiederholungsgenauigkeit von weniger als ± 0,03 mm und ist damit ideal für die Anforderungen des Lötprozesses geeignet. Grundsätzlich können neben dem KR 6 R900 aber auch andere KUKA Robotermodelle mit dem neuen ALNEA-ZEUS Steuerungssystem kombiniert werden.

Im Einsatz für Alnea: KUKA Schweißzelle mit KR AGILUS — Lötzelle mit dem KR 6 R900.

Befehle direkt über das Bediengerät

„Bei der Integration der roboterbasierten Automatisierungslösung musste die Kommunikation zwischen dem Steuergerät der Lötvorrichtung und des Roboter-Steuergerätes optimal aufeinander abgestimmt werden“, erläutert Kamiński eine Herausforderung. Dafür habe man ein Software-Paket zur Kontrolle der Parameter des Selektiv-Lötprozesses sozusagen in das Gedächtnis des Roboters geladen. Kunden von ALNEA können somit via KUKA smartPAD Bediengerät den Roboter direkt im Produktionsprozess ansteuern.

Via Ethernet-Kommunikation werden Befehle an das ALNEA-ZEUS Steuerungsgerät übermittelt. Das Kontrollgerät führt dann auf Basis der spezifischen Hard-und Software des jeweiligen Kunden den Befehl aus. Die Lösung kommt ohne ein PLC oder HMI Panel aus und benötigt auch sonst keine zusätzlichen Schnittstellen.

Das Ergebnis: 50 Prozent kürzere Prozesszeit bei gleichzeitiger Fehlerminimierung

Der KUKA KR 6 R900 erfüllt präzise die an ihn gestellten Aufgaben im Selektivlötprozess: Zum einen steuert er die Bewegungen des Lötkolbens, zum anderen hält er die Platine in einer fixierten Position. Dank der von ALNEA entwickelten, roboterbasierten Automatisierungslösung können heute alle Parameter des Selektivlötprozesses über das Bediengerät zuverlässig überwacht werden. Zudem werden alle Daten, die der KUKA Roboter liefert, in das System eingespeist und genutzt.

Dazu gehören u. a. die Überwachung der Zuführung von Komponenten und deren Positionierung sowie die Ansteuerung weiterer externer Ausrüstungen. Dies hat nicht nur zu einer spürbaren Minimierung der Fehler beigetragen, sondern auch zu einer deutlichen Produktivitätssteigerung. „Die Prozesszeit haben wir mit der neuen Lösung um 50 Prozent verkürzt“, betont Kamiński.

Dank der Überwachung des Prozesses über das Bediengerät sei nicht zuletzt der Trainingsbedarf für die Mitarbeiter der Kunden überschaubar. Es müssen nun nicht mehr drei verschiedene Personen eingesetzt werden: Prozess-, Roboter- und Steuerungsspezialisten. Nach einer kurzen Schulung kann auch der Werker den Prozess und den Lötroboter steuern.

Der Roboter sichert die Platine und steuert den Lötkolben — Der Roboter hält die Platine am Platz und steuert die die Bewegung des Lötkolbens.

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