Monitorowanie warunków klimatycznych przy przechowywania pasty lutowniczej

Mówi się, że szewc bez butów chodzi, a hydraulikowi kapią krany. A jak wygląda sprawa z automatyzacją u dostawcy technologii automatyki? Producenci rzadko są w stanie od razu wdrożyć każdą innowację we własnej produkcji. W końcu nowe rozwiązania muszą być dostosowane do aktualnych wyzwań, a moment ich wdrożenia musi być odpowiedni, aby można je było wprowadzić bez zakłócania bieżącej działalności. W zakładzie w Beierfeld firma TURCK zdołała teraz bezpośrednio wdrożyć niedawno wprowadzoną innowację i zautomatyzować obsługę past lutowniczych w produkcji elektronicznej.

W Beierfeld firma prowadzi zakład produkcji płytek drukowanych w technologii SMT, a także wiele innych linii produkcyjnych. Skrót SMT oznacza Surface Mounted Technology (technologia montażu powierzchniowego) i odnosi się do procesu produkcyjnego, w którym elementy, takie jak rezystory lub kondensatory, są lutowane bezpośrednio na płytkę drukowaną – w przeciwieństwie do tradycyjnego procesu THT (Through Hole Technology), w którym elementy z małymi wyprowadzeniami są wkładane przez otwory w płytce drukowanej, a następnie lutowane. W procesie SMT pasta lutownicza jest nakładana bardzo cienką warstwą (<150 mikrometrów) na płytki drukowane za pomocą drukarek. Następnie płytka drukowana jest montowana z komponentami i lutowana w kolejnym procesie reflow.

Warunki klimatyczne przechowywania past lutowniczych mają wpływ na ich jakość

Aby uzyskać jak najlepszą jakość połączeń lutowanych, pastę lutowniczą należy przechowywać w określonym zakresie temperatur. Ponadto otwarte opakowania nie mogą być używane dłużej niż 30 dni. Przed przetworzeniem w drukarce należy je przechowywać w temperaturze pokojowej przez co najmniej cztery godziny, zanim będzie można otworzyć opakowania. Po tym okresie aklimatyzacji, który zapobiega kondensacji, pastę należy mieszać przez 60 do 90 sekund – potrząsając, a nie mieszając. Średnio pasta może być przetwarzana tylko w temperaturze 23–27 stopni Celsjusza – przy wilgotności 40–60 procent (w zależności od producenta). Po wydrukowaniu płytek drukowanych nie może upłynąć więcej niż osiem godzin, zanim płytki zostaną zlutowane w piecu.

Podsumowując, istnieje szereg parametrów, których należy przestrzegać, a ręczna kontrola tych parametrów wymaga dużej uwagi i staranności podczas sporządzania odręcznych notatek. Podobnie jak w przypadku wszystkich procesów wykonywanych przez człowieka, nie ma czegoś takiego jak stuprocentowa pewność, jeśli chodzi o ręczną kontrolę pasty lutowniczej. Jeśli specyfikacje nie są dokładnie przestrzegane, istnieje ryzyko utraty jakości. Pasta nie spełnia wtedy optymalnie swojego zadania, jakim jest ułatwianie procesu topienia i zapobieganie utlenianiu, co skutkuje większą ilością odpadów. Kierownicy produkcji w Beierfeld chcieli zautomatyzować, a tym samym zoptymalizować śledzenie past lutowniczych. Nie tylko w ramach certyfikacji ISO 9001 i IATF 16949, którym podlega firma Turck Beierfeld jako dostawca dla przemysłu motoryzacyjnego, ciągłe śledzenie procesów i półproduktów jest obowiązkowe.

Ręczne śledzenie past lutowniczych

Do tej pory czas umieszczenia produktów w lodówce rejestrowano ręcznie poprzez skanowanie pojemników z etykietami. Wyjmowanie i otwieranie produktów odnotowywano w formie adnotacji na pojemnikach lub w arkuszach dokumentacyjnych. Lodówki były już wyposażone w system monitorowania temperatury wewnętrznej, jednak nie rejestrował on trendów; po prostu wysyłał wiadomość e-mail do działu logistyki, gdy temperatura spadła poniżej lub przekroczyła określony zakres.

Wraz ze swoim zespołem i kierowniczką projektu Lindą Galle, Christian Seliger, odpowiedzialny za dział badań i rozwoju w zakładzie w Beierfeld, zaplanował i wdrożył zautomatyzowany system rejestracji i dokumentacji procesów związanych z obsługą pasty. „Aby osiągnąć szybki sukces projektu nawet podczas trwającej eksploatacji, podzieliliśmy projekt na kilka etapów” – mówi Linda Galle. „Dzięki naszemu podejściu Plan-Do-Check-Act zapewniamy, że każdy etap zostanie pomyślnie zakończony, zanim rozpocznie się kolejny”.

W pierwszej części zadaniem początkowym było monitorowanie i centralne rejestrowanie warunków klimatycznych panujących w lodówkach, drukarkach oraz stacjach roboczych służących do podgrzewania wstępnego. System musi generować odpowiednie komunikaty lub alarmy po osiągnięciu wartości krytycznych. W kolejnej fazie projektu ma zostać wdrożona obsługiwana przez RFID rejestracja pojemników z pastą lutowniczą oraz połączenie z systemem realizacji produkcji (MES).

Warunki panujące wewnątrz lodówek są monitorowane za pomocą systemu monitorowania stanu IM18-CCM50 firmy TURCK. Każda z pięciu lodówek zawiera jeden z tych monitorów szafy sterowniczej z wbudowanym komputerem z systemem Linux. Zintegrowane czujniki mierzą odległość do drzwi lodówki oraz temperaturę wewnątrz szafy. Urządzenia mogą również mierzyć wilgotność, ale nie ma to znaczenia w tym zastosowaniu, ponieważ w lodówkach przechowywane są wyłącznie zamknięte pojemniki z pastą.

Z drugiej strony temperatura i wilgotność w drukarkach mają z pewnością znaczenie, dlatego te parametry są tam rejestrowane przez kombinowany czujnik temperatury i wilgotności CMTH. Każda z trzech oddzielnych drukarek pasty lutowniczej jest wyposażona w jeden z tych czujników monitorujących warunki, natomiast kolejny rejestruje warunki panujące na stanowisku roboczym, gdzie pasty są przechowywane w celu aklimatyzacji. Każdy czujnik CMTH jest podłączony do kompaktowego mastera TBEN-S IO-Link, który przesyła dane do sieci produkcyjnej. Zarządzany przełącznik IP67 TBEN-L5-SE-M2 integruje również wszystkie moduły IM18-CCM50 z siecią produkcyjną.

Dzięki otwartemu systemowi operacyjnemu Linux urządzenia IM18-CCM50 są przystosowane do instalacji oprogramowania dostosowanego do potrzeb konkretnego producenta (OEM), co pozwala użytkownikom na wdrażanie własnych rozwiązań programowych. Stanowią one mózg systemu, który przechowuje dane oraz komunikuje się z czujnikami, siecią i chmurą TURCK. W celu monitorowania lodówek na platformie monitorowania stanu instalowane są wyłącznie sterowniki sieciowe i skrypty do gromadzenia danych z czujników. Urządzenia IM18-CCM50 przesyłają dane ze zintegrowanych czujników oraz czujników CMTH bezpośrednio do chmury TURCK Cloud za pośrednictwem sieci Ethernet.

Przejrzyste pulpity nawigacyjne w chmurze TURCK przedstawiają warunki pogodowe

W ramach pierwszej fazy projektu monitorowania pasty lutowniczej zapewniono obecnie automatyczną kontrolę zgodności temperatur w chłodziarkach, na stanowisku aklimatyzacyjnym oraz w drukarkach z określonymi specyfikacjami. Czas przechowywania i pobierania past jest obecnie nadal rejestrowany ręcznie lub poprzez skanowanie kodów QR na pojemnikach. W przypadku wzrostu wilgotności lub temperatury pracownicy mogą to zobaczyć na pulpicie nawigacyjnym w chmurze TURCK. Oprócz aktualnych wartości można również zidentyfikować długoterminowe trendy. Wykrywanie trendów i korelacje między seriami danych mogłyby być w przyszłości analizowane przez system MES, który ma zostać podłączony.

„Wdrożone właśnie rozwiązanie do monitorowania stanu oparte na module IM18-CCM stanowiło jedynie pierwszy krok na drodze do w pełni zautomatyzowanego monitorowania przechowywania i wykorzystania past lutowniczych. W kolejnym etapie projektu połączymy nasz system MES, kończąc w ten sposób cyfryzację i automatyzację naszej produkcji. Pozwoli nam to utrzymać najwyższy poziom jakości nawet przy maksymalnej wydajności oraz uniknąć niepotrzebnych kosztów związanych z przeterminowanymi pastami lutowniczymi” – podsumowuje dotychczasowe wyniki Christian Seliger.

Perspektywy: płynne śledzenie pasty lutowniczej z wykorzystaniem technologii RFID

W drugim etapie rozbudowy system śledzenia past zostanie wdrożony bezpośrednio za pomocą tagów RFID umieszczonych na każdym pojemniku, co pozwoli również na rejestrowanie prawidłowego procesu aklimatyzacji przed otwarciem pojemników. Ponieważ urządzenia IM18-CCM komunikują się bezpośrednio z systemem MES, który steruje zleceniami produkcyjnymi dla drukarek, system może natychmiast sprawdzić, czy używany pojemnik z pastą był prawidłowo przechowywany i aklimatyzowany przed nadrukowaniem płytek drukowanych, a w przypadku naruszenia warunków zablokować jego użycie. Jeśli wszystkie dane są dostępne w systemie MES, można z niego uzyskać również dalsze informacje, na przykład w celu zidentyfikowania słabych punktów i źródeł błędów.