Klimaüberwachung von Lotpastenlagerung

Einer Redensart zufolge hat der Schuster bekanntlich die schlechtesten Schuhe und beim Klempner tropft der Wasserhahn. Wie steht es also um die Automatisierung eines Automatisierungstechnikanbieters? Nur selten können die Hersteller jede Innovation sofort in der eigenen Produktion einsetzen. Schließlich müssen neue Lösungen zum einen auf die aktuellen Herausforderungen passen, zum anderen muss auch das Timing stimmen, um neue Lösungen im laufenden Betrieb implementieren zu können. Am Standort Beierfeld konnte TURCK jetzt eine kürzlich vorgestellte Innovation direkt umsetzen und das Handling von Lotpasten in der Elektronikfertigung automatisieren.

In Beierfeld betreibt das Unternehmen, neben vielen anderen Produktionslinien, eine SMT-Fertigung für Leiterplatten. SMT steht für Surface Mounted Technology und bezeichnet ein Produktionsverfahren, bei dem Bauteile wie etwa Widerstände oder Kondensatoren direkt auf eine Leiterplatte gelötet werden – im Unterschied zum traditionellen THT-Verfahren (Through Hole Technology), bei dem Bauteile mit kleinen Drahtstiften durch Löcher in der Leiterplatte gesteckt und dann verlötet werden. Beim SMT-Verfahren wird Lotpaste von Druckern sehr dünn (<150 Mikrometer) auf die Leiterplatten aufgebracht. Die so bedruckte Leiterplatte wird daraufhin mit den Bauteilen bestückt und im anschließenden Reflow-Verfahren verlötet.

Klimabedingungen der Lotpasten beeinflussen Qualität

Um die bestmögliche Qualität der Lötverbindung zu erreichen, muss die Lotpaste in einem bestimmten Temperaturbereich lagern. Insgesamt dürfen geöffnete Behälter zudem nicht länger als 30 Tage genutzt werden. Vor der Verarbeitung im Drucker müssen sie mindestens vier Stunden bei Raumtemperatur lagern, bevor die Behälter geöffnet werden dürfen. Im Anschluss an diese Akklimatisation, durch die Kondensation vermieden wird, muss die Paste noch 60 bis 90 Sekunden aufgemischt werden – und zwar geschüttelt, nicht gerührt. Die Paste darf im Durchschnitt nur bei 23 - 27 Grad Celsius verarbeitet werden – bei einer Luftfeuchtigkeit von 40 - 60 Prozent (je nach Hersteller). Nach dem Bedrucken der Leiterplatten dürfen wiederum nicht mehr als acht Stunden vergehen, bis die Leiterplatten im Ofen verlötet werden.

Alles in allem müssen also einige Parameter eingehalten werden, deren manuelle Kontrolle durch handschriftliche Notizen viel Aufmerksamkeit und Sorgfalt erfordert. Wie bei allen menschlichen Prozessen gibt es auch bei der manuellen Lotpastenkontrolle keine hundertprozentige Sicherheit. Werden die Vorgaben nicht exakt eingehalten, drohen Qualitätseinbußen. Die Paste erfüllt dann ihre Aufgabe, den Schmelzvorgang zu erleichtern und Oxidation zu verhindert, nicht optimal, es wird mehr Ausschuss produziert. Das Tracking der Lotpasten wollten die Produktionsverantwortlichen in Beierfeld automatisieren und damit optimieren. Nicht zuletzt im Rahmen der ISO 9001- sowie der IATF 16949-Zertifzierung, denen Turck Beierfeld als Zulieferbetrieb der Automobilindustrie unterliegt, ist ein durchgehendes Tracking der Prozesse und Vorprodukte vorgeschrieben.

Manuelles Tracking der Lotpasten

Bislang wurden die Zeitpunkte der Einlagerung im Kühlschrank manuell durch Scannen der Pastenbehälter erfasst. Entnahme und Öffnung wurden durch Notizen auf den Behältern oder Dokumentationsbögen registriert. Die Kühlschränke hatten bereits eine interne Temperaturüberwachung, die jedoch keine Trends aufgezeichnet, sondern lediglich bei Über- oder Unterschreitung des definierten Temperaturbereichs eine E-Mail an die Logistik ausgelöst hat.

Gemeinsam mit seinem Team und Projektleiterin Linda Galle hat Christian Seliger, verantwortlich für den Geschäftsbereich Research and Development am Standort Beierfeld, die automatisierte Erfassung und Dokumentation des Pasten-Handlings geplant und umgesetzt. „Um schnelle Projekterfolge auch im laufenden Betrieb erreichen zu können, haben wir das Projekt in mehrere Abschnitte geteilt“, sagt Linda Galle. „Mit unserem Plan-Do-Check-Act-Ansatz stellen wir sicher, dass jeder Abschnitt für sich erfolgreich abgeschlossen wird, bevor der nächste begonnen wird.“

Im ersten Abschnitt galt es, zunächst die Klimabedingungen der Kühlschränke sowie der Drucker und des Arbeitsplatzes zum Vorwärmen zu überwachen und zentral zu dokumentieren. Bei kritischen Werten muss das System entsprechende Meldungen oder Alarme generieren. Im nächsten Projektabschnitt soll die RFID-gestützte Erfassung der Lotpastendosen und eine Anbindung an ein Manufacturing Execution System (MES) umgesetzt werden.

Die Überwachung des Klimas der Kühlschränke wurde mit TURCKs Condition-Monitoring-System IM18-CCM50 umgesetzt. Je einer dieser Schaltschrankwächter mit integriertem Linux-Rechner befindet sich in jedem der fünf Kühlschränke. Sie erfassen mit ihren integrierten Sensoren den Abstand zur Kühlschranktür und die Temperatur im Schrank. Die Erfassung der Luftfeuchte beherrschen die Geräte auch, allerdings spielt das in dieser Applikation keine Rolle, da nur geschlossene Pastenbehälter in den Kühlschränken stehen.

Die Temperatur und die Luftfeuchte in den Druckern sind hingegen durchaus relevant, sodass dort der kombinierte Temperatur-Feuchte-Sensor CMTH diese Variablen erfasst. Jeder der drei separat stehenden Lotpastendrucker verfügt über einen dieser Condition-Monitoring-Sensoren, ein weiterer erfasst die Bedingungen am Werkplatz, auf dem die Pasten zur Akklimatisation gelagert werden. Jeder CMTH-Sensor ist an einem kompakten TBEN-S-IO-Link-Master angeschlossen, der die Daten ins Produktionsnetzwerk überträgt. Der gemanagte IP67-Switch TBEN-L5-SE-M2 bindet alle IM18-CCM50 ebenfalls in das Produktions-Netzwerk ein.

Die IM18-CCM50 sind mit ihrem offenen Linux-Betriebssystem zur Installation OEM-eigener Software ausgelegt, sodass Anwender ihre eignen Softwarelösungen implementieren können. Sie bilden das Gehirn des Systems, das speichert und kommuniziert – mit den Sensoren, dem Netzwerk und der TURCK Cloud. Zur Überwachung der Kühlschränke sind auf der Condition-Monitoring-Plattform lediglich Netzwerktreiber sowie Skripte zum Einsammeln der Sensordaten installiert. Die Daten der integrierten Sensoren wie auch der CMTH-Sensoren überträgt das IM18-CCM50 direkt per Ethernet in die TURCK Cloud.

Übersichtliche Dashboards in der TURCK Cloud zeigen Klimabedingungen

Diese erste Projektphase des Lotpasten-Trackings stellt heute automatisiert sicher, dass die Temperaturen in den Kühlschränken, am Akklimatisations-Arbeitsplatz sowie in den Druckern den Vorgaben entsprechen. Die Zeitpunkte der Ein- und Auslagerung der Pasten werden derzeit noch manuell dokumentiert, bzw. durch Scannen der QR-Codes auf den Behältern erfasst. Wenn Feuchte oder Temperatur ansteigen, erkennen die Mitarbeiter dies auf dem Dashboard in der TURCK Cloud. Neben den aktuellen Werten lassen sich auch Langzeittrends erkennen. Eine Trenderkennung und Korrelationen zwischen den Datenreihen könnte in Zukunft durch das anzubindende MES analysiert werden.

„Die jetzt umgesetzte Condition-Monitoring-Lösung auf Basis des IM18-CCM war nur der erste Schritt auf dem Weg zu einer vollautomatisierten Überwachung der Lagerung und Verwendung von Lotpasten. Im Folgeprojekt werden wir unser MES anbinden und so die Digitalisierung und Automatisierung unserer Produktion komplettieren. So können wie die Qualität auch bei maximaler Auslastung auf höchstem Niveau halten und unnötige Kosten durch überlagerte Lotpasten vermeiden“, zieht Christian Seliger Zwischenbilanz.

Ausblick: RFID-gestütztes lückenloses Lotpasten-Tracking

In der zweiten Ausbaustufe wird das Tracking der Pasten direkt mit RFID-Tags auf jeder Dose umgesetzt, was gleichzeitig die Erfassung der korrekten Akklimatisation vor der Öffnung der Behälter ermöglicht. Da die IM18-CCM-Geräte dann direkt mit dem MES kommunizieren, das die Produktionsaufträge für die Drucker steuert, kann das System unmittelbar prüfen, ob der eingesetzte Pastenbehälter korrekt gelagert und akklimatisiert wurde, bevor die Leiterplatten bedruckt werden oder im Falle verletzter Bedingungen eine Verwendung sperren. Wenn alle Daten im MES vorliegen, könnten auch weitere Informationen daraus gewonnen werden, um beispielsweise Schwachstellen und Fehlerquellen aufzudecken.