Löten im Sekundentakt
von Andreas Hohnerlein, Inertec Löttechnologien GmbH
Neuen Anforderungen an industrielles Löten begegnen Andreas und Ernst Hohnerlein mit ihrem patentierten Verfahren zum Schutzgas-Matrizenlöten. Sie entwickelten den Prozess und konstruierten dafür eine industrietaugliche Maschine.
Große Stecker oder mechatronische Baugruppen auf Leiterplatten der neuesten Generation sind Herausforderungen für serientaugliche industrielle Lötverfahren. Lange dominierten mit Schwall- und Miniwellenlötverfahren sequenzielle Ansätze – mit fataler Konsequenz: je größer die Bauteil- respektive Packungsdichte, desto länger die Löttaktzeit. Im Linientakt zu löten, heißt aber, die Taktzeit für die gesamte Baugruppe auf 25 bis 30 Sekunden zu minimieren.
Mit der neuesten Generation von Schöpflötsystemen erfüllen wir bei Inertec gestiegene Anforderungen von Automobilzulieferern an Massenlötsysteme – insbesondere für die Anforderungen der selektiven Verlötung. Unser patentiertes Matrizenlötsystem wird weltweit im Dreischichtbetrieb eingesetzt und ist entsprechend robust konstruiert. Dieses System muss mit allen Restriktionen (verformte Baugruppen) aus den thermischen Vorprozessen zurechtkommen und hat deshalb besondere konstruktive Grundelemente.
Die 2006 neu entwickelte Maschine besteht aus U-förmig angeordneten Flux-, Vorheiz-, Löt-, Abkühl- und Stapelmodulen. Dank hochdynamischer Automatisierung erreicht die Anlage die notwendige Zykluszeit von nur 25 bis 30 Sekunden. Dahinter verbirgt sich vor allem die Prozesszeit des Lötens. Lineartechnik, Antriebs- und Steuerungstechnik sowie Pneumatik von Rexroth sorgen für kurze Nebenzeiten. Die Entscheidung für Rexroth ist schnell erklärt: Einerseits verbindet uns eine langjährig bewährte Partnerschaft. Andererseits ist Rexroth in der Lage, technologieübergreifend eine Lösung aus einer Hand anzubieten – mit Komponenten der Lineartechnik, Pneumatik und den erforderlichen Steuerungskomponenten.
Unser Matrizenverfahren beschleunigt die Verlötung von elektronischen Schaltungen mit Steckern, hohen Bauteilen und bereits in dreidimensionale Gehäuse montierten mechatronischen Baugruppen erheblich. Dazu fahren geometrisch auf die Lötstellen des jeweiligen Bauteils abgestimmte Lötmatrizen von unten durch das bleifreie und flüssige Lot gegen die Unterseite der Leiterplatte und kontaktieren die Lötstellen. Bis zur Entwicklung des Matrizen- oder Schöpflötens erfolgte dieser Schritt manuell oder per Roboter. Das sequenzielle Abarbeiten der einzelnen Lötstellen passte sich aber schlecht in einen modernen Fertigungsfluss ein. Mit unserem Verfahren löten wir dagegen alle Kontaktstellen in einem Takt und eröffnen den Konstrukteuren auch noch die Möglichkeit, die Packungsdichte zu erhöhen.
Simultane Bewegungen
Diesen patentierten Prozess hat Inertec in ein hochproduktives Anlagenkonzept umgesetzt. Werkstückträger mit standardisierten Außenmaßen, aber bauteilspezifischen Schablonen transportieren die Werkstücke durch die gesamte Anlage. Der eigentliche Prozess beginnt im Fluxmodul. Dort benetzen auf die Lötgeometrie angepasste Stempel die späteren Lötstellen. Das aufgetragene Flussmittel verbessert die Verbindungsqualität.
Ein pneumatischer Drehzylinder TRR von Rexroth auf dem Moduldach bewegt simultan die Matrize für das Flussmittel sowie den Niederhalter. Damit gewährleisten wir die für die Qualität wichtige Koplanarität des Bauteils. Denn durch vorhergehende Prozessschritte können thermische Verformungen bei den Bauteilen auftreten. Vier korrosionsbeständige Rexroth-Wellen mit je zwei Kugelbüchsen führen die simultane Bewegung. Die wartungsarmen und einfach zu montierenden Kugelbüchsen bilden mit den an beiden Enden gelagerten Wellen frei tragende Linearführungen. Inertec setzt im Fluxmodul Segment-Kugelbüchsen ein. In der nicht rostenden Ausführung besteht der Führungskäfig aus Polyamid; Kugeln, Segmente und Metallhalteringe sind dagegen aus korrosionsbeständigem Stahl.
Schnelles Handling
Vom Fluxmodul aus befördert ein Transportsystem die Bauteile in einem festen Takt durch das Vorheizmodul, das die Leiterplatten stufenweise auf die optimale Prozesstemperatur erhitzt, ohne die empfindlichen Bauteile zu beschädigen. Am Eingang zum Lötmodul übernimmt eine Servoachse den Werkstückträger. Dazu greifen vier über einen Pneumatikzylinder OCT betätigte Greifbacken den Werkstückträger und legen ihn in das Lötmodul ein. Die Lötmatrizen fahren durch die Maske nach oben und kontaktieren die Lötstellen, während gleichzeitig ein Niederhalter die Koplanarität der Baugruppe gewährleistet und kritische Komponenten fixiert. Vor jedem Lötvorgang reinigt eine Skimmerpumpe die Zinnoberfläche von Restoxiden, bevor der Lötvorgang unter Schutzgasatmosphäre beginnt.
Die Stempelbewegung führt ein Rexroth-Servoantrieb über einen Kugelgewindetrieb durch. Das Stempelwerkzeug führt Inertec an der Außenseite der Maschine über zwei Rexroth-Wellen mit je zwei Kugelbüchsen. Nach dem Lötvorgang entnimmt eine Servoachse den Werkstückträger und transportiert ihn quer zum Kühlmodul. Dafür werden zwei Rexroth-Compact-Module für die z- und y-Achse eingesetzt. Sie bestehen aus einem äußerst kompakten Präzisions-Aluminiumprofil mit einer Alu-Blechabdeckung sowie einer umlaufenden Spaltdichtung aus PU-Band zum Schutz der Einbauelemente.
Für die lange y-Achse nutzt Inertec die Zahnriemenausführung des Compact-Moduls CKR, um mit der hohen Dynamik die Nebenzeiten zu reduzieren. Über eine Standard-Verbindungsplatte mit Easy-2-combine-Eigenschaft ist ein weiteres Compact-Modul CKK mit Kugelgewindetrieb für die z-Achse formschlüssig und ohne Justieraufwand anmontiert. Über den mittig zwischen zwei Kugelschienenführungen platzierten Kugelgewindetrieb reduziert Rexroth die Bauhöhe bei dieser Ausführung. Der Kugelgewindetrieb mit spielfreiem Mutternsystem gewährleistet eine hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit.
Das Kühlmodul übernimmt den Werkstückträger direkt aus dem Greifer. Die abgekühlten Baugruppen puffert die Maschine in einem Stapelmodul, das sie nach dem First-in-frst-out-Prinzip freigibt. Damit gewährleisten wir, dass bei Produktwechseln die Bauteile in der richtigen Reihenfolge abfließen.
Aufeinander abgestimmte Komponenten
In der Inertec-Maschine arbeiten drei Rexroth-Servoantriebe, die eine übergeordnete Rexroth-SPS-Steuerung koordiniert. Die Controller-basierte Steuerungshardware IndraLogic L40 kommuniziert über Ethernet mit dem Kleinbedienterminal IndraControl VCP 20 von Rexroth. Die Luftaufbereitung für die insgesamt zehn Pneumatikzylinder im Flux- (TRR), Löt- (OCT) und Stapelmodul (RTC) übernimmt die Wartungseinheit NL von Rexroth. Sie reinigt die Hauptluft mit einer Filtereinheit mit fünf Mikrometern Filterfeinheit und fasst die Einzelprozesse der Luftaufbereitung Filtern, Regeln und Entwässern in einer Baugruppe zusammen. Bei den modular aufgebauten Wartungseinheiten lassen sich einzelne Teile auch im eingebauten Zustand austauschen.
In zwei Minuten umgerüstet
Eine Besonderheit der Maschine: Der Produktwechsel erfolgt im laufenden Betrieb. Dazu wechselt der Bediener im Fluxmodul Matrize und Niederhalter, während das Lötmodul die vier Bauteile im Vorheizmodul abarbeitet. Die Umrüstung dauert über Schnellwechseleinrichtungen weniger als zwei Minuten und nach vier Leertakten ist das Fluxmodul wieder betriebsbereit. Nun wechselt der Bediener am Lötmodul Matrize, Maske und Niederhalter. Über einen unverlierbaren, kodierten Stecker meldet er dem System, welches Bauteil jetzt in das Modul einfährt. Nach nur vier Leertakten kommen die mit Flussmittel benetzten und aufgeheizten neuen Werkstücke an der Station an. Und der Prozess läuft rund um die Uhr weiter.
Autor:
Andreas Hohnerlein, Geschäftsführer, Inertec Löttechnologien GmbH
www.inertec.de
Weitere Informationen:
www.boschrexroth.com/linearsysteme
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