Die große Kluft


Titelthema a:lot 25 - Winter 2017

Im Konzert der großen Elektronikhersteller spielen deutsche Unternehmen höchstens die zweite oder dritte Geige. Während die großen Stückzahlen in Asien produziert werden, haben sich hierzulande viele Unternehmen darauf spezialisiert, schnell und flexibel auch kleine Mengen herzustellen. Doch auch dieser Markt ist hart umkämpft. Oft stehen nicht Qualität und technische Möglichkeiten im Fokus, sondern schlicht die Kosten. Mittelfristig werden aber neue Technologien den Markt nachhaltig verändern.

Wenn im November die Productronica in München ihre Pforten öffnet, wird es wieder ein wahres Feuerwerk an Innnovationen geben. Auch im Bereich der Handlöttechnik werden zahlreiche Hersteller ihre Hightech-Geräte präsentieren. Die Versprechen der Hersteller für ihre meist hochpreisigen und komplexen Geräte sind immer gleich: hohe Qualität, Anschluss an Industrie 4.0, Traceability usw. Die Schlagwörter eben, die seit einiger Zeit die Elektronikfertigung beherrschen.
Die Realität in den Betrieben sieht oft anders aus. Hightech-Geräte sind manchmal ausdrücklich nicht gerne gesehen. So mancher Betriebsleiter wünscht sich sogar analoge Geräte mit Drehknopf zurück. Die Gründe dafür sind vielfältig, ein wichtiger sind die Kosten. „Um überhaupt im Wettbewerb bestehen zu können, müssen viele Elektronikhersteller knallhart rechnen“, berichtet ein Insider. Da gibt es die Kalkulation einfach nicht her, eine zwei- oder gar dreistellige Anzahl an Arbeitsplätzen mit Lötstationen auszustatten, die um ein Vielfaches teurer sind als eine einfache.

Wenn das Marketing am Markt vorbei entwickelt

Aber auch das Personal ist ein wichtiger Grund. Fachkräfte sind rar und werden händeringend gesucht. Einfache Handlötarbeiten werden deshalb oftmals von angelerntem Personal durchgeführt – meistens Frauen – das als Seiteneinsteiger zum Löten gekommen ist. Für sie sind aufwendige und komplexe Handlötgeräte häufig weder sinnig noch handhabbar. Eine zuverlässige Handlötstation, die einfach zu bedienen und preiswert ist, reicht in vielen Fällen aus.
Viele Werker haben sich im Laufe der Zeit auch so an ihr Arbeitsgerät gewöhnt, dass der Umstieg auf ein anderes Gerät zumindest vorübergehend zu einer Verschlechterung der Arbeitsergebnisse führt. Das hat manchmal auch damit zu tun, dass neue Maschinen zwar schick aussehen und mit vielen Features ausgestattet, aber dennoch nicht alltagstauglich sind. Einige Touchscreens beispielsweise lassen sich gar nicht mit den Handschuhen bedienen, die viele Werker während der Arbeit tragen müssen.

Lötmaschinen haben einen schlechten Ruf

Die von vielen Herstellern angebotene Vernetzbarkeit der Geräte wird häufig noch unterschätzt. Im Sinne von Industrie 4.0 und Traceability wird sie immer häufiger gefordert und ist eine Voraussetzung für die Belieferung von OEM. Auch wenn die Vernetzbarkeit in Bereichen, die nicht sicherheitssensibel sind, zurzeit nicht unbedingt nötig ist, sollte man bei der Ausstattung neuer Arbeitsplätze darauf achten, dass sich das schon bald ändern könnte. Hochwertigere Geräte sind nicht zuletzt in dieser Beziehung eine Investition in die Zukunft.
Es gibt zwar auch Lötmaschinen für kleine Losgrößen ab Stückzahl eins, allerdings haben auch sie nach Ansicht vieler Anwender den Nachteil hohe Anschaffungs- und Unterhaltskosten zu verursachen. Ihre Anschaffung lohne sich deshalb oftmals nur dann, wenn ein Dauerbetrieb gewährleistet werden könne und nur wenige Umrüstungen vorgenommen werden müssten. Immerhin, so die Argumentation der Skeptiker, erfordern Lötmaschinen neben dem Kapitaleinsatz auch ein gewisses Know-how für die Bedienung, Stellfläche sowie Zeit, um alle Programmierungen und Einstellungen vorzunehmen.

Community Boards für’s Rapid Prototyping

Embedded-Entwickler haben es nicht leicht. Die Designzyklen werden immer kürzer, die Qualitätsanforderungen immer höher und die Produkte immer komplexer. Um die Machbarkeit ihrer Ideen zu testen, setzen viele Entwickler auf Community Boards, von denen das Rasperry PI das wohl bekannteste und beliebteste ist. Allerdings haben diese Boards verschiedene Nachteile. Sie sind in der Regel nicht für die industrielle Fertigung hergestellt und erfüllen deshalb nicht die entsprechenden Anforderungen, zum Beispiel eine Belastbarkeit im Temperaturspektrum zwischen minus 40 und plus 85 °C.

DragonBoard 410c mit umfangreichem Support
Oftmals ist auch die Langzeitverfügbarkeit der Boards und/oder der einzelnen Komponenten nicht sichergestellt. Darüber hinaus ist die Lieferkette häufig nicht dokumentiert, weshalb der Einsatz dieser Produkte in sensiblen Bereichen von vorneherein ausgeschlossen ist. Die genannten Nachteile führen immer wieder dazu, dass es beim Übergang vom Prototyp zum Serienprodukt zu Problemen kommt, die aufwendig behoben werden müssen. Um dem zu entgehen, haben viele Unternehmen deshalb eigene Boards hergestellt, was aber ebenfalls einen hohen Zeit- und Kostenaufwand nach sich zieht.
Bereits vor zwei Jahren hat Arrows deshalb das DragonBoard 410c vorgestellt. Es ist eines der ersten ARMv8-64-Bit-Entwicklungsboards weltweit, das in großen Stückzahlen hergestellt wird. Durch seinen relativ niedrigen Preis von unter 100 Euro erleichtert es vielen Elektronik-Entwicklern die Arbeit wesentlich. Inzwischen wird von Arrows und einigen anderen Unternehmen ein umfangreicher Support für das DragonBoard 410c angeboten. Auf der Plattform www.96boards.org stehen Entwicklern zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, darunter auch eine Reihe von Betriebssystemen wie Android, Windows 10 IoT und Debian Linux.


Kollege Roboter, übernehmen Sie!

Diese Argumente halten sich hartnäckig, obwohl viele Maschinenhersteller längst erkannt haben, dass insbesondere im Prototyping und in der Kleinserienfertigung ein großes Potenzial für sie liegt. Sie haben darauf mit der Entwicklung entsprechender Maschinen reagiert. „Unsere Selektivlötanlage Smart-Select 35/25 ist aufgrund ihrer geringen Anschaffungs- und Betriebskosten eine echte Alternative zum Handlöten“, sagt zum Beispiel Manfred Berberich von ATF aus Collenberg. Diese Maschine ist modular aufgebaut und kann deshalb auch bei normalen Türbreiten aufgebaut werden, zum Beispiel in Ingenieurbüros.
Ob diese kleinen Lötmaschinen letztlich den Durchbruch schaffen, wird aber wohl wesentlich von einer anderen technischen Entwicklung abhängen. Jüngst veröffentlichte die International Federation of Robotics (IFR) eine Prognose, der zufolge in den nächsten Jahren in der industriellen Fertigung ein wahrer Roboterboom zu erwarten ist. Etwa 1,7 Millionen zusätzliche Roboter erwartet der Verband alleine in den nächsten drei Jahren. Die meisten davon werden zwar in Asien und vor allem in China eingesetzt, aber auch die deutsche Elektronikfertigung wird sich diesem Trend nicht verschließen können.

Inhouse PCB-Prototyping: Ätzen oder Fräsen

In einem schnelllebigen Markt muss man schnell reagieren. Insbesondere beim Prototyping von Leiterplatten ist das eine Herausforderung. Zwar bieten Job-Shops entsprechende Dienste an, allerdings steigen ihre Preise drastisch an, je schneller es gehen muss – wenn denn überhaupt eine kurzfristige Umsetzung gewährleistet werden kann. Hinzu kommt, dass man kostbares Wissen in einer sehr frühen Phase des Projekts außer Haus geben muss. Ein Risiko!
Eine gute Möglichkeit, diese Kosten und Risiken zu vermeiden, ist, das PCB-Prototyping im eigenen Haus durchzuführen. Doch was sich so einfach anhört, ist in der praktischen Umsetzung eine Glaubensfrage. Es stehen nämlich im Wesentlichen zwei Verfahren zur Auswahl, zwischen denen ein beinahe religiöser Wettstreit entbrannt ist. Beide Seiten behaupten vehement, das bessere Verfahren zu haben und belegen das jeweils mit einer Reihe von Argumenten.

Welches Verfahren ist das beste?
Bei der klassischen Methode des Ätzens geht man von fotobeschichtetem Basismaterial aus, das dann in den Schritten Belichten, Entwickeln, Ätzen und Durchkontaktieren bearbeitet wird. Dieses Verfahren wurde jahrzehntelang auch in der Großserienfertigung praktiziert und ist deshalb mit allen seinen Vor- und Nachteilen bestens bekannt und dokumentiert. Beim Prototyping hat dieses Verfahren den Vorteil, dass sich damit die Serienfertigung bereits sehr gut abbilden lässt. Dadurch werden Komplikationen beim Übergang weitgehend vermieden. Da das Verfahren sehr einfach ist, lässt es sich sehr gut auch von weniger qualifizierten Mitarbeitern umsetzen.
Auf der anderen Seite werden Fräsbohrplotter als zeitgemäße Methode der Leiterplattenbearbeitung angepriesen. Bei ihnen werden die Lötaugen und Leiterbahnen mechanisch in das Kupfer graviert. Die Maschinen sind in der Regel einfach zu bedienen, benötigen dazu aber qualifiziertes Personal. Da für sie keine Chemie vorgehalten und gepflegt werden muss, gilt das Verfahren als sehr sauber. Allerdings ist noch nicht geklärt, ob und wie der abgefräste Kupferstaub entsorgt werden muss und ob er eventuell gesundheitsschädlich ist. Für Anwendungen, die noch genauer sein müssen, werden Lasersysteme verwendet, bei denen die Kupferschicht verdampft wird.

Beraten lassen und ausprobieren
Welches Verfahren im Einzelfall das beste ist, hängt von den konkreten Anforderungen und Gegebenheiten ab, aber auch von der persönlichen Einstellung. Unternehmen, die darüber nachdenken, das PCB-Prototyping zukünftig selbst durchzuführen, sollten deshalb alle Vor- und Nachteile sorgfältig gegeneinander abwägen und sich die Verfahren vorführen lassen. Wichtige Ansprechpartner sind die Firmen Bungard (www.bungard.de) für das traditionelle Verfahren und LPKF (www.lpkf.de) für die Fräsbohrplotter. Beide stellen auch auf der Productronica in Halle B3 aus.


Roboter werden immer flexibler

Robotic Process Automation (RPA) verspricht eine höhere Qualität und Produktivität bei gleichzeitig niedrigeren Kosten. Sie ist immer dann umsetzbar, wenn wiederkehrende Prozesse durchgeführt werden, die auf festen Regeln basieren und keine menschliche Entscheidung erfordern. Zudem muss der Prozess einen digitalen Auslöser haben und durch digitale Daten gesteuert werden. Nicht zuletzt ist ein hohes Prozessvolumen nötig, um die gewünschten Ziele zu erreichen.
Haben diese Kriterien bisher den Einsatz von Robotern in der Elektronikfertigung erschwert oder sogar verhindert, wandelt sich zurzeit das Bild. Roboter werden immer flexibler. Sie lassen sich besser und schneller auf kürzere Produktzyklen einstellen und können sogar ganz verschiedene Aufgaben übernehmen. Dadurch werden Standzeiten minimiert und die Effektivität erhöht. Noch steckt der Einsatz von Robotern, die das Handlöten übernehmen, in den Kinderschuhen. Aber schon jetzt sind sich viele Experten darüber einig, dass Kollege Roboter die Zukunft gehört und das Handlöten mehr und mehr in den Hintergrund gedrängt wird.

Virtuell und augumented reality auf dem Weg in die Industrie

Auch andere technische Errungenschaften halten zunehmend Einzug in die industrielle Fertigung und werden sie nachhaltig verändern. Im Sommer stellte das Unternehmen macio die App „arra“ vor. Mit ihrer Hilfe können Platinen gescannt und über einen QR-Code eindeutig identifiziert werden. Die App erkennt digital vermerkte Fehler und blendet sie mittels augumented reality (AR, erweiterte Realität) auf dem Bildschirm eines Tablets in das reale Abbild der Platine ein. Das reale und das virtuelle Bild verschmelzen so miteinander.
Was sich zunächst nach Spielerei anhören mag, bietet in der Praxis zahlreiche Vorteile. Da der Fehler genau lokalisiert wird, kann die Reparatur sofort an der richtigen Stelle durchgeführt werden. Die einzelnen Reparaturschritte sowie die dafür benötigten Werkzeuge kann sich der Reparatur-Mitarbeiter über ein Kontextmenü einblenden lassen. Zur besseren Bearbeitung kann er sich auch ein Röntgenbild der Platine perspektivisch korrekt zeigen lassen und so in das Werkstück hineinschauen. Bei Bedarf kann er sich auch Anmerkungen machen oder Kollegen per Video-Chat um Ihre Meinung bitten.

Fazit

Die Prototypen- und Kleinserienfertigung ist einer der Innovationstreiber der Elektronikfertigung. Ihre technischen Möglichkeiten sind schon heute enorm, allerdings werden sie aufgrund der hohen Kosten vielfach nicht genutzt. Robotic Process Automation (RPA) und Virtuell Reality (VR) werden vermehrt auch in diesem Bereich zum Einsatz kommen und ihn nachhaltig verändern. Unternehmen, die langfristig wettbewerbsfähig bleiben wollen, sollten sich rechtzeitig mit den neuen Trends auseinandersetzen.

Text: Volker Neumann