Kühles Töpfchen bewahren

Die Klimabedingungen der Lotpastenlagerung seiner SMT-Elektronikfertigung überwacht Turck Beierfeld mit einem System aus dem eigenen Haus – mit IM18-CCM50-Schaltschrankwächtern, CMTH-Condition-Monitoring-Sensoren und Daten-Dashboards über Turck Cloud Solutions.

Für die Elektronikfertigung am Standort Beierfeld suchte Turck nach einer Lösung zur automatischen Überwachung der Klima­bedingungen bei der Lagerung und Verarbeitung von Lotpasten. In einem ersten Projektabschnitt realisierte man mit Hilfe­ der hauseigenen Condition-Monitoring-Plattform IM18-CCM50 eine durchgehende Überwachung von Temperatur, Türschluss und Luftfeuchte in den Kühlschränken sowie den Lotpasten-druckern. Die Klimadaten während der Pastenverarbeitung werden heute kontinuierlich erfasst, in der Turck Cloud gespeichert und auf grafischen Dashboards dargestellt. 

Einer Redensart zufolge hat der Schuster 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. 

Klima beeinflusst Qualität 

Um die bestmögliche Qualität der Lötverbindung zu ­erreichen, muss die Lotpaste in einem bestimmten Temperaturbereich lagern. Insgesamt dürfen geöffnete Behälter nicht länger als 30 Tage genutzt werden. Vor der Verarbeitung im Drucker müssen sie mindestens 4 h bei Raumtemperatur lagern, bevor die Behälter geöffnet werden dürfen. Im Anschluss an diese Akklimatisation, durch die Kondensation vermieden wird, muss die Paste noch rund 60 bis 90 s aufgemischt werden – und zwar geschüttelt, nicht gerührt. Die Paste darf im Durchschnitt nur bei 23 bis 27 °C verarbeitet werden – bei einer Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60 %. 

Alles in allem müssen also eine Reihe von Para­metern eingehalten werden, deren manuelle Kontrolle und Protokollierung durch handschriftliche Notizen viel Aufmerksamkeit und Sorgfalt erfordert. Wie bei allen manuellen Prozessen gibt es auch bei der 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 verhindern, nicht optimal, es wird mehr Ausschuss produziert. 

Das Tracking der Lotpasten wollten die Produktionsverantwortlichen in Beierfeld automatisieren. 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 registriert. Die Kühlschränke hatten zwar bereits eine Temperaturüberwachung, die jedoch keine Trends aufgezeichnet hat, sondern lediglich bei Über- oder Unterschreitung des definierten Temperaturbereichs eine E-Mail
an die Logistik auslöste.

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 Meldungen oder Alarme generieren. Im nächsten Projektabschnitt soll die RFID-gestützte Erfassung der Lotpastendosen und eine Anbindung an ein 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 Temperatur und die Luftfeuchte in den Druckern sind durchaus relevant, sodass dort der kombinierte Temperatur-Feuchte-Sensor CMTH diese Variablen erfasst. Jeder der drei separat stehenden Drucker 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 in das Produktions-Netzwerk ein. 

Die IM18-CCM50 sind mit ihrem offenen Linux-Betriebssystem zur Installation OEM-eigener Software ausgelegt, sodass Anwender ihre eigenen 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

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 durch Scannen der QR-Codes erfasst. Wenn Feuchte oder Temperatur ansteigen, erkennen die Mitarbeiter dies auf dem Dashboard in der Turck-Cloud. Neben den aktuellen Werten lassen sich dort auch Langzeittrends erkennen.

„Die jetzt umgesetzte Condition-Monitoring-Lösung 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 unserer Produktion komplettieren. So können wir die Qualität auch bei maximaler Auslastung auf höchstem Niveau halten und unnötige Kosten durch überlagerte Lot­pasten vermeiden“, zieht Christian Seliger eine Zwischenbilanz. 

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.

Autor: Klaus Ebinger, Leiter Produktmanagement Interfacetechnik, Hans Turck GmbH & Co. KG

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