Die flexible Fertigung erreicht neue Dimensionen. Bestückungsmaschinen erweitern ihr Anwendungsspektrum auf komplexe Dosierfunktionen. Kombinierte Bestückungs-/Dosiermaschinen können Produkte günstiger herstellen als einzelne Maschinen.
von Adrian Schärli, Azular Marketing, für Essemtec AG
Früher waren pneumatische Dosierventile auf Bestückungsmaschinen ein nützliches Zubehör, um sich bei Prototypen die Schablone für den Pastendruck zu sparen. Heute ist das Anwendungsspektrum viel grösser, denn eine moderne SMD-Bestückungsplattform lässt sich auch mit Hightech-Dosiersystemen kombinieren.
Kosten senkend und technologisch vorteilhaft
Ein Bestückungsautomat kann heute zwei bis drei Maschinen in einer sein: Ein Bestücker und bis zu zwei Dosierautomaten. Eine solche Kombination kann die Produktionskosten senken: Die Investitionskosten sind weniger als halb so gross wie bei Einzelmaschinen, der Platz- und Energiebedarf ist bis zu 60% geringer und der Wartungsaufwand ist minimal. Weitere Vorteile ergeben sich aus dem besseren Nutzungsgrad, der Reduktion von Lagerkosten und Bedarfs an Verbrauchsmaterial.
In einer flexiblen Fertigung gibt es oft grosse Unterschiede in der Auslastung einzelner Maschinen. Sieb- und Schablonendrucker zum Beispiel stehen die meiste Zeit ungenutzt herum. Besonders Lotpasten verderben darauf schnell, weil sie Sauerstoff, Temperatur und Luftfeuchtigkeit direkt ausgesetzt sind. Deshalb sollte der Drucker kontinuierlich arbeiten können und möglichst eine ganze Serie auf ein Mal bedrucken, was einen grosser Bedarf an sicheren Lagerplätzen für bedruckte Leiterplatten zur Folge hat. Dazu kommt, dass die Aufwände zur Reinigung und zum Umrüsten eines Druckers im Vergleich gross sind. Anders sieht die Produktion aus, wenn mit einem Dosiersystem gearbeitet wird.
Ein Dosierventil ist kurzer Zeit bereit, schnell gereinigt und auch schnell programmiert. Ausserdem produziert es Just-In-Time; auf Transport und Zwischenlagerung von vorgedruckten Leiterplatten kann verzichtet werden. Das Dosier-Medium ist in der Kartusche dicht verpackt und trocknet weniger schnell aus. Einer der grössten Vorteile des Dosiersytems im Vergleich zum Druckprozess ist aber natürlich seine Flexibilität: mit einem simplen Programmwechsel und Kartuschentausch ist das Umrüsten erledigt.
Komplettfertigung ohne Transport
Kominierte Dosier-/Bestückunsmaschinen werden heute bereits vielerorts eingesetzt, nicht mehr nur in der SMD-Prototypenfertigung. Anwendungen gibt es in der Automobilindustrie, Medizintechnik, ja sogar in der optischen Industrie. Auch in der Elektronik sind weitere Einsatzgebiete dazu gekommen, zum Beispiel werden im Militärbereich Bauteilen zusätzlich zum Löten auch geklebt, damit sie hohen G-Kräften widerstehen können. Ein weiteres Beispiel und ein neuer Trend sind intelligente Leiterplatten.
Intelligente Leiterplatten sind kompakt, hochintegriert, schützen empfindliche Bauteile und ersetzen in machen Fällen gar das Gehäuse. Dazu werden elektronische Bauteile im Innern der Leiterplatte montiert. Dies können einfache Chips sein, ICs, Flipchips oder Dies. Diese werden in Kavitäten auf der Leiterplatte montiert, was mit einer Dosier-/Bestückungsmaschine auf einer Plattform gemacht werden kann: Klebstoff wird dosiert, das Bauteil wird in die Kavität montiert und zum Schluss wird es zum Beispiel mit Leitkleber verbunden oder mit Vergussmasse verkapselt.
Ein weiterer Klassiker unter den idealen Anwendungen für Kombimaschinen sind Folientastaturen. Auf solche werden LEDs und Schnappscheiben bestückt, dosiert wird meistens ein Klebstoff und ein Leitkleber. Da sich flexible Folien nur mühsam transportieren und fast nicht zwischen lagern lassen, ist eine Kombimaschine mit Vakuumtisch ideal, denn darauf können alle Fertigungsschritte auf einmal gemacht werden: Kleber Dosieren, Bestücken und Leitkleber dosieren. Wird ein UV-Klebstoff verwendet, dann kann sogar auch dieser noch ausgehärtet werden, bevor die Folie wieder bewegt wird.
Das richtige Dosierventil
Die Auswahl an möglichen Dosierventilen, die auf Bestückungsmaschinen einsetzbar sind, ist gross (siehe Kasten). Einfache Zeit/Druck-Ventile lassen sich kombinieren mit hochgenauen, berührungslosen Jetventilen, Nadelventilen, Schraubenvenilen, Schieberventilen und weiteren. Dazu gibt es geheizte Ventile, gekühlte Ventile, Sprayventile und verschiedenste Dosiernadeln und spezielle Ventilvarianten.
Jet-Dosierventile und Piezo-Flow-Ventile (PFV) sind die genausten. Das Jetventil kann einzelne Tröpfchen mit nur zwei Nanoliter schiessen, ein PFV-Dosiersystem erzeugt Lotpastenpunkte mit nur 100 µm Durchmesser. Wer grosse Volumen benötigt, zum Beispiel zum Vergiessen oder um eine LED-Linse herzustellen, für den sind Schrauben- Zeit/Druckventil- oder Jetventile eine Möglichkeit.
Die Auswahl sollte unbedingt zusammen mit einem erfahrener Spezialisten getroffen werden, denn die Entscheidung hängt von vielen Faktoren ab: Dem zu dosierenden Medium, den benötigten Volumen, dem Endprodukt und den Umgebungsbedingungen.
Grenzen und Ausblick
Ein wichtiger Grundsatz ist: Auf Kombimaschinen laufen Dosier- und Bestückungsprozesse immer nacheinander ab. Dies erhöht einerseits die Ausnutzungsziffer einer Maschine, limitiert aber natürlich den Gesamtausstoss. Solche Lösungen eignen sich daher weniger für die Volumenproduktion, sehr gut hingegen für Pilotlinien, Prozess- und Entwicklungslabors, Schulen und Universitäten, Kleinserienproduktionen und Spezialanwendungen.
Eine prozessbedingte Limitierung kann die Form des Dosierpunktes sein, der immer rund oder oval ist. Bei SMD-Anwendungen kann dies zum Beispiel stören, denn die Lötpads sind ja rechteckig und können mit einem Dispenser nicht bis in die Ecken Lotpaste ausgefüllt werden. Der Druckprozess mit Schablonen oder Sieben ist hier immer im Vorteil, weil dieser eine vollständige Padbenetzung erzwingen kann.
Die Entwicklung geht im Moment vor allem in die Richtung von 2D- und 3D-Bahnsteuerungen des Dosierventils, die auf Bestückungsautomaten bisher nicht möglich waren. Mit den neusten Bestückungsplattformen, zum Beispiel der Paraquda von Essemtec, wird es aber in Zukunft auch möglich sein, Lininenmuster zu dosieren, genau wie auf einem normalen Dispensautomaten. Die Unterschiede zwischen einer Kombimaschine und einzelnen Spezialmaschinen werden also wegfallen, sodass auch noch komplexere Produkte auf einer einzigen Plattform produziert werden können, zum Beispiel 3D-MIDs. Die Zeiten, in der ein Dispenser auf dem Bestücker ein reines Prototypen-Werkzeug war, sind damit endgültig vorbei.
Übersicht Standard-Ventile, die auf Bestückungsautomaten einsetzbar sind.
Ventil Mögliche Anwendungen
Pneumatikventil Medien mit mittlerer Viskosität, auch für 2K-Kleber und gefüllte
Medien
Nadelventil Niedrige Viskosität, auch gefüllte Medien
Schieberventil (PFV) Hochgenaues Lotpastenventil, auch sehr dünnflüssige Medien
Schraubendispenser Medien mittlerer bis hoher Viskosität, auch für gefüllte Medien
Jet-Dosierventil Berührungslos, auch für sehr dünnflüssige und gefüllte
Medien ausser Lotpaste
von Adrian Schärli, Azular Marketing, für Essemtec AG
Früher waren pneumatische Dosierventile auf Bestückungsmaschinen ein nützliches Zubehör, um sich bei Prototypen die Schablone für den Pastendruck zu sparen. Heute ist das Anwendungsspektrum viel grösser, denn eine moderne SMD-Bestückungsplattform lässt sich auch mit Hightech-Dosiersystemen kombinieren.
Kosten senkend und technologisch vorteilhaft
Ein Bestückungsautomat kann heute zwei bis drei Maschinen in einer sein: Ein Bestücker und bis zu zwei Dosierautomaten. Eine solche Kombination kann die Produktionskosten senken: Die Investitionskosten sind weniger als halb so gross wie bei Einzelmaschinen, der Platz- und Energiebedarf ist bis zu 60% geringer und der Wartungsaufwand ist minimal. Weitere Vorteile ergeben sich aus dem besseren Nutzungsgrad, der Reduktion von Lagerkosten und Bedarfs an Verbrauchsmaterial.
In einer flexiblen Fertigung gibt es oft grosse Unterschiede in der Auslastung einzelner Maschinen. Sieb- und Schablonendrucker zum Beispiel stehen die meiste Zeit ungenutzt herum. Besonders Lotpasten verderben darauf schnell, weil sie Sauerstoff, Temperatur und Luftfeuchtigkeit direkt ausgesetzt sind. Deshalb sollte der Drucker kontinuierlich arbeiten können und möglichst eine ganze Serie auf ein Mal bedrucken, was einen grosser Bedarf an sicheren Lagerplätzen für bedruckte Leiterplatten zur Folge hat. Dazu kommt, dass die Aufwände zur Reinigung und zum Umrüsten eines Druckers im Vergleich gross sind. Anders sieht die Produktion aus, wenn mit einem Dosiersystem gearbeitet wird.
Ein Dosierventil ist kurzer Zeit bereit, schnell gereinigt und auch schnell programmiert. Ausserdem produziert es Just-In-Time; auf Transport und Zwischenlagerung von vorgedruckten Leiterplatten kann verzichtet werden. Das Dosier-Medium ist in der Kartusche dicht verpackt und trocknet weniger schnell aus. Einer der grössten Vorteile des Dosiersytems im Vergleich zum Druckprozess ist aber natürlich seine Flexibilität: mit einem simplen Programmwechsel und Kartuschentausch ist das Umrüsten erledigt.
Komplettfertigung ohne Transport
Kominierte Dosier-/Bestückunsmaschinen werden heute bereits vielerorts eingesetzt, nicht mehr nur in der SMD-Prototypenfertigung. Anwendungen gibt es in der Automobilindustrie, Medizintechnik, ja sogar in der optischen Industrie. Auch in der Elektronik sind weitere Einsatzgebiete dazu gekommen, zum Beispiel werden im Militärbereich Bauteilen zusätzlich zum Löten auch geklebt, damit sie hohen G-Kräften widerstehen können. Ein weiteres Beispiel und ein neuer Trend sind intelligente Leiterplatten.
Intelligente Leiterplatten sind kompakt, hochintegriert, schützen empfindliche Bauteile und ersetzen in machen Fällen gar das Gehäuse. Dazu werden elektronische Bauteile im Innern der Leiterplatte montiert. Dies können einfache Chips sein, ICs, Flipchips oder Dies. Diese werden in Kavitäten auf der Leiterplatte montiert, was mit einer Dosier-/Bestückungsmaschine auf einer Plattform gemacht werden kann: Klebstoff wird dosiert, das Bauteil wird in die Kavität montiert und zum Schluss wird es zum Beispiel mit Leitkleber verbunden oder mit Vergussmasse verkapselt.
Ein weiterer Klassiker unter den idealen Anwendungen für Kombimaschinen sind Folientastaturen. Auf solche werden LEDs und Schnappscheiben bestückt, dosiert wird meistens ein Klebstoff und ein Leitkleber. Da sich flexible Folien nur mühsam transportieren und fast nicht zwischen lagern lassen, ist eine Kombimaschine mit Vakuumtisch ideal, denn darauf können alle Fertigungsschritte auf einmal gemacht werden: Kleber Dosieren, Bestücken und Leitkleber dosieren. Wird ein UV-Klebstoff verwendet, dann kann sogar auch dieser noch ausgehärtet werden, bevor die Folie wieder bewegt wird.
Das richtige Dosierventil
Die Auswahl an möglichen Dosierventilen, die auf Bestückungsmaschinen einsetzbar sind, ist gross (siehe Kasten). Einfache Zeit/Druck-Ventile lassen sich kombinieren mit hochgenauen, berührungslosen Jetventilen, Nadelventilen, Schraubenvenilen, Schieberventilen und weiteren. Dazu gibt es geheizte Ventile, gekühlte Ventile, Sprayventile und verschiedenste Dosiernadeln und spezielle Ventilvarianten.
Jet-Dosierventile und Piezo-Flow-Ventile (PFV) sind die genausten. Das Jetventil kann einzelne Tröpfchen mit nur zwei Nanoliter schiessen, ein PFV-Dosiersystem erzeugt Lotpastenpunkte mit nur 100 µm Durchmesser. Wer grosse Volumen benötigt, zum Beispiel zum Vergiessen oder um eine LED-Linse herzustellen, für den sind Schrauben- Zeit/Druckventil- oder Jetventile eine Möglichkeit.
Die Auswahl sollte unbedingt zusammen mit einem erfahrener Spezialisten getroffen werden, denn die Entscheidung hängt von vielen Faktoren ab: Dem zu dosierenden Medium, den benötigten Volumen, dem Endprodukt und den Umgebungsbedingungen.
Grenzen und Ausblick
Ein wichtiger Grundsatz ist: Auf Kombimaschinen laufen Dosier- und Bestückungsprozesse immer nacheinander ab. Dies erhöht einerseits die Ausnutzungsziffer einer Maschine, limitiert aber natürlich den Gesamtausstoss. Solche Lösungen eignen sich daher weniger für die Volumenproduktion, sehr gut hingegen für Pilotlinien, Prozess- und Entwicklungslabors, Schulen und Universitäten, Kleinserienproduktionen und Spezialanwendungen.
Eine prozessbedingte Limitierung kann die Form des Dosierpunktes sein, der immer rund oder oval ist. Bei SMD-Anwendungen kann dies zum Beispiel stören, denn die Lötpads sind ja rechteckig und können mit einem Dispenser nicht bis in die Ecken Lotpaste ausgefüllt werden. Der Druckprozess mit Schablonen oder Sieben ist hier immer im Vorteil, weil dieser eine vollständige Padbenetzung erzwingen kann.
Die Entwicklung geht im Moment vor allem in die Richtung von 2D- und 3D-Bahnsteuerungen des Dosierventils, die auf Bestückungsautomaten bisher nicht möglich waren. Mit den neusten Bestückungsplattformen, zum Beispiel der Paraquda von Essemtec, wird es aber in Zukunft auch möglich sein, Lininenmuster zu dosieren, genau wie auf einem normalen Dispensautomaten. Die Unterschiede zwischen einer Kombimaschine und einzelnen Spezialmaschinen werden also wegfallen, sodass auch noch komplexere Produkte auf einer einzigen Plattform produziert werden können, zum Beispiel 3D-MIDs. Die Zeiten, in der ein Dispenser auf dem Bestücker ein reines Prototypen-Werkzeug war, sind damit endgültig vorbei.
Übersicht Standard-Ventile, die auf Bestückungsautomaten einsetzbar sind.
Ventil Mögliche Anwendungen
Pneumatikventil Medien mit mittlerer Viskosität, auch für 2K-Kleber und gefüllte
Medien
Nadelventil Niedrige Viskosität, auch gefüllte Medien
Schieberventil (PFV) Hochgenaues Lotpastenventil, auch sehr dünnflüssige Medien
Schraubendispenser Medien mittlerer bis hoher Viskosität, auch für gefüllte Medien
Jet-Dosierventil Berührungslos, auch für sehr dünnflüssige und gefüllte
Medien ausser Lotpaste
