Den Fehlern auf der Spur


Titelthema a:lot 16 - Herbst 2015

In der Elektronikfertigung werden nur diejenigen Firmen und Dienstleister wettbewerbsfähig bleiben, die neueste und komplexe Technologien beherrschen, Bestückungs-, Fertigungs-, Löt- und Prüfprozesse unterstützt durch ein Real-Time Monitoring zuverlässig durchführen, ihre Produktionseinrichtungen so automatisieren und zu Prozessketten verknüpfen, dass sie bei höchster Produktivität beste Qualität produzieren. Letztere muss fortlaufend in der Linie überwacht werden. Traceability ist eine Schlüsselkompetenz für bis zu 30 Prozent mehr Wertschöpfung.

Richtungsweisend bleibt die Vision einer Null-Fehler-Produktion. Dazu müssen vier zentrale Faktoren optimal zusammenpassen: Logistik, Prozess, Qualität und Test. Gefordert sind neue Steuerungs-, Fertigungs- und Qualitätssicherungskonzepte, um bei extrem hohen Taktraten mit höchster Bestückungseffizienz und Fehlerraten im einstelligen ppm-Bereich zu produzieren. Gleichzeitig muss aus Qualitäts- und Haftungsgründen der Verbau einzelner Komponenten bis auf die Ebene der Bestückung exakt dokumentiert werden, um eine lückenlose Rückverfolgung – die Traceability – sicherzustellen, wie sie zum Beispiel der VDMA, der ZVEI, der VDA, der VDI und andere Dachverbände in Normen und neuen Leitfäden empfehlen.
Trotz aller Bemühungen der Produktionsverantwortlichen und der hohen Qualität der Produkte ist es nicht ausgeschlossen, dass Einzelteile oder ganze Serien eines Produktes von Fehlern betroffen sind. Die Hintergründe sind vielfältig. Sie gehen auf Fabrikationsfehler in der Produktion oder Probleme in der Lieferkette zurück, deren Ursachen schnell und treffsicher zu identifizieren und zu eliminieren sind, denn jeder Hersteller haftet für sein Produkt. Auch EMS-Dienstleister sind in der Pflicht, den Eintritt von Schäden soweit als möglich und so früh wie möglich zu verhindern. Einzuhalten sind die Bestimmungen des Produkthaftungsgesetzes, des Geräte- und Produktsicherheitsgesetzes für Verbraucherprodukte. Hinzu kommt die zivilrechtliche Haftung (Gewährleistungsansprüche) und eventuell die strafrechtliche Rechtsverfolgung.

Rechtssicherheit und Risikominimierung durch Rückverfolgung

Traceability ist zunächst ein zentrales Element der Risikovorsorge und des Krisenmanagements. Ziel ist eine möglichst rasche Eingrenzung von Fehlern betroffener Baugruppen im Reklamationsfall. Zu dokumentieren sind alle relevanten Informationen über die verwendeten Komponenten und Materialien, sowohl seitens des Zulieferers als auch in der eigenen Fertigung. Welche Materialien und Halbfabrikate verwendet? Welche Chargen- und Seriennummern verbaut? Durch wen? Wann? Wo? Welche Vorgabe- und Einstellparameter wurden verwendet? Welche Arbeitsplätze und Maschinen wurden genutzt? Wie effektiv war die Bearbeitung? Welche Prozessprobleme traten auf und wie wurden sie gelöst? Welche Qualität wurde erreicht?
Weiterer Dokumentationsbedarf besteht bezüglich der verwendeten Lose, der eingesetzten Produkte und Seriennummern, Produktionsdaten und -parametern, der während der Produktion im Prozess aufgetretenen Probleme, der möglicherweise erfolgten Nacharbeit und anderer relevanter Ereignisse. Diese Daten müssen historisiert im Zugriff sein, damit man jederzeit eine Transparenz bezüglich der verwendeten Komponenten und des Endproduktes erhält. Doch wie geht man am besten vor?
Viele Produktionsunternehmen sind heute schon bemüht, Traceability-Anforderungen in den Griff zu bekommen. Sie arbeiten häufig mit Insellösungen. Medienbrüche, mehrfache Datenhaltung und –pflege sowie der erforderliche Softwareentwicklungs- und Pflegeaufwand verschlingen eine Unmenge an Zeit und stellen weitere Fehlerquellen dar. Nicht selten wird die Komplexität der Aufgabe unterschätzt. Am Ende ist das Ergebnis unbefriedigend. Außerdem werden wertvolle Optimierungspotentiale nicht genutzt, obwohl sich aus zielgerichteten Analysen des erfassten Datenbestands frühzeitig Trends erkennen, Maschinen- und Bearbeitungsparameter rechtzeitig nachführen lassen.

Logistik-Exzellenz

Von zentraler Bedeutung ist die zuverlässige Identifikation der Baugruppen, der ein- und ausgehenden Warenströme sowie deren Zusammenführung mit den Auftrags- und Prozesskenndaten. Alle Baugruppen, die zugeliefert oder weiterverarbeitet werden, müssen verlässlich erfasst und identifiziert werden. Diese logistische Herausforderung löst man am besten über die Einbindung von Standardlösungen der Strich-, Datamatrixcodeerkennung oder RFID. Standardinterfaces erlauben eine schnelle und flexible Integration weiterer mobiler Endgeräte und Industriekameras. Einheitliche Etiketten und durchgängige Seriennummern ermöglichen eine problemlose eindeutige Identifikation aller Bauteile, Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe sowie deren Zusammenführung mit den Auftrags- und Prozesskenndaten. Nur so kann von jeder Baugruppe aus rückverfolgt werden, welche Bauteilserien wann und durch wen unter welchen Bedingungen verarbeitet wurden.
Für das Manko der Etikettenablösung im Fertigungsablauf gibt es ideale Alternativen, zum Beispiel das direkte Aufbringen von Lasermarkierungen oder das direkte Bedrucken mit Tintenstrahldruckern. Zusehends wird die Herausforderung eines verlässlichen objektgebundenen Datenflusses aber auch über Funkidentifikationssysteme (RFID) erfolgen. Entsprechende Lesegeräte sind kostengünstig verfügbar für 125 kHz und 13,56 MHz Anwendungen.
Weitere Voraussetzung ist ein permanenter elektronischer Datenaustausch zwischen allen beteiligten Datenbank- und Datenerfassungssystemen, der eine schnelle Reaktion auf eine veränderte Bedarfssituation ermöglicht und einen durchgängigen objektbegleitenden Datenfluss über Firmengrenzen hinweg sicherstellt. Durch Scannereinsatz und Codierung wird sichergestellt, dass Bauelemente Chargen korrekt identifiziert und gerüstet werden, denn das Hauptoptimierungspotential ist in der Leiterplattenbestückung heute nicht mehr das Produktionstempo, sondern der Zeitbedarf für die zahlreichen Rüstvorgänge pro Stunde.


Praxistipps zur Einführung eines Traceability-Systems:

Traceability-Systemeinführungen sind herausfordernde Veränderungsprojekte.
Veränderung und das Betreten von Neuland rufen Ängste hervor. Viele Projektleiter und Führungsverantwortliche unterschätzen die Komplexität einer Systemeinführung und das damit zu stemmende Veränderungsmanagement. Wählen Sie belastbare, fachlich und methodisch kompetente erfahrene Mitarbeiter für das Projektteam aus und nutzen Sie seriöse Beratungsunterstützung, zum Beispiel durch den Integrator.

Setzen Sie ambitionierte Ziele. Sichern Sie sich den Rückhalt des Managements!
Traceability-Einführungen erfordern Überzeugungsarbeit, Zeit und Engagement. Schaffen Sie die nötige Organisations- und Teamstruktur. Entlasten Sie die zentralen Ressourcen! Ohne Management-Support können Sie nicht erfolgreich ans Ziel kommen. Setzen Sie klare Anforderungen und Ziele. Gehen Sie entschlossen vor.

Analysieren Sie zuerst sorgfältig. Konzentration auf das Wesentliche!
Die Prozessanalyse und -definition sind für den Projekterfolg, die Systemauswahl und -anpassung entscheidend. Häufig bestimmt Aktionismus die Systemeinführung. In der Konse-quenz wird vorschnell ein falsches oder überspezifiziertes Konzept verfolgt. Analysieren Sie Ihre Ist- und Soll-Prozesse sorgfältig, denn nur ein effizienter und bedarfsgerechter Systemeinsatz wird angenommen. Priorisieren Sie klar und stellen Sie auf den Prüfstand, was Sie wirklich brauchen und wo Sie umgehend handeln müssen.

Schaffen Sie keine Datenfriedhöfe!
Übertriebener Ehrgeiz beim Sammeln von Daten führt zu einer nicht mehr beherrschbaren Datenflut. Ebenso das Sammeln ungenauer oder zu umfangreicher Informationen. Richten Sie Ihr Augenmerk auf die unmittelbaren Kerndaten der Arbeitsprozesse.

Treffsicher Identifizieren - Eindeutig Codieren.
Von entscheidender Bedeutung für den Erfolg eines Traceability-Systems ist die Durchgängigkeit und Integrität automatisch erfasster Daten über Firmengrenzen hinweg – vom Lieferanten bis zum Kunden. Sie brauchen zuverlässige Identifikationstechnologien. Setzen Sie auf Standards und hochwertige Scanner-Hardware!

Keine Angst vor Transparenz!
>Die durch eine Prozessanalyse und die Einführung eines Traceability Systems erzielte Transparenz wird gefürchtet und kann schmerzhaft sein. Machen Sie sich klar: Sie sind nicht schlechter, sondern nur transparenter geworden. Schwachstellen sind dazu da, um schnell behoben zu werden.

Schrittweise zum Ziel!
Versuchen Sie, zu Beginn nicht zu viele Maschinen und Prozesse gleichzeitig einzubinden. Es ist ratsam, sich zunächst schwerpunktbezogen auf störanfällige Anlagen zu konzentrieren, erste Erfahrungswerte zu sammeln, bevor man „in die Fläche“ geht.

Expertenrat muss nicht teuer sein
Projektleitern einer IT-Systemeinführung mangelt es oft an Erfahrung oder Sie haben Angst vor der vor Ihnen stehen Herausforderung. Das direkte Gespräch mit Endanwendern und Partnern ist für einen effizienten Wissensaufbau wichtig. Nutzen Sie Erfahrungswerte und binden Sie Experten ein!


Prozess-Exzellenz

Daneben spielen die Bestückungsmaschinen und die schnelle Analyse ihrer Performancedaten in Echtzeit eine Schlüsselrolle; ebenso der Nutzungsgrad der Anlagen und die zu verarbeitenden Materialien, die in der Regel von verschiedensten OEM-Lieferanten in unterschiedlichen Losgrößen bereitgestellt werden. Sie hängen häufig in besonderem Maße von Umgebungsbedingungen ab, zum Beispiel von thermischen Einflüssen, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Lichteinfall, Reinheitsgrad etc. Und auch der Faktor Mensch als Fehlerquelle ist nicht zu unterschätzen. Dort, wo seine manuellen Eingriffe eliminiert werden können, ergeben sich erheblich geringere Fehlerraten.

Test-Exzellenz

Letzten Endes zählt das erfolgreiche Durchlaufen der Funktionstests. Faktoren wie „Design-for-Testability“ und die fortlaufende Inline-Qualitätskontrolle spielen im Blick auf eine Null-Fehler-Fertigung eine zentrale Rolle, denn wer erst am Ende der Wertschöpfungskette prüft, ist zu spät dran. Bei Produkten im Kostenbereich weniger Cent kann keine aufwendige Fehlersuche erfolgen. Bei den in der Elektronik üblichen Stückzahlen summiert sich der entstandene Schaden aber trotzdem schnell ins Uferlose, insbesondere bei Rückrufaktionen.
Anforderungen wie eine lückenlose Dokumentation und Rückverfolgbarkeit aller Komponenten und relevanter Prozessdaten sind heute Standard. Wichtig ist in Zukunft: Prozesskenndaten müssen kontinuierlich in Echtzeit überwacht und analysiert werden.
Eine AOI-Einheit überprüft Bauteilsitz, korrekte Bauteilablage, die Güte der Lötstellen und die Unversehrtheit elektrisch leitender Verbindungen auf der Leiterplatte. Leistungsfähige Kameras und Bildverarbeitungssysteme kommen im Rahmen der produktionsintegrierten 100%-igen Qualitätskontrolle überall zum Einsatz, wo mit hohem Tempo zuverlässig eine Bewertung relevanter Prüfmerkmale erfolgen muss. Sie sind ideale Datenlieferanten für MES-Umgebungen, wenn sie reibungslos miteinander kommunizieren.

Exzellente Qualität

Die Prozesskontrolle in der Elektronikproduktion 2020 muss über das bloße Gewinnen statistischer Kennzahlen hinaus erweitert werden. Wenn man feststellt, dass ein Fehler passiert ist, dann ist es schon zu spät. Wer wirklich eine Null-Fehler-Fertigung haben möchte, muss Fehler von vorneherein vermeiden. MES-Nutzer profitieren bei diesem Bestreben von ihrem immensen Datenbestand und nutzen diesen zur Prozessoptimierung. Möglich wird dadurch ein pro-aktives Qualitätsmonitoring, das durch analytische Exzellenz ein immenses Optimierungspotential eröffnet, indem es Testergebnisse der einzelnen Maschinen verknüpft und daraus Analysen zieht, denn das Ziel einer Null-Fehler-Produktion ist nur durch eine optimale Prozessverkettung zu erreichen.
Die Erfassung und Auswertung der Prozess- und Produktionsdaten in Echtzeit über Inline Messsysteme und die automatisierte Kennzahlenanalyse liefert unabdingbare Ansatzpunkte zur Feinoptimierung der Produktionsabläufe und der Produktqualität. Anhand statistischer Datenanalysen lassen sich frühzeitig Trends erkennen, Maschinen- und Bearbeitungsparameter nachführen. Deutlich erkennbar wird, bei welchem Prozessschritt die meisten Fehler entstehen, wo Rüst- und Stillstandszeiten allzu häufig auftreten. Über die Traceability-Umgebung wird das Störungsmanagement effizienter gestaltet und die Ausbeute bedeutsam verbessert. Produktionsprozesse organisieren sich selbst. Probleme werden autonom gemeistert. Somit können rechtzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Eine weitere Optimierung der Wertschöpfungskette über die IT Systeme der Produktions- und Auftragssteuerung lässt sich auf dem Weg effizienter, Unternehmensebenen übergreifender Kommunikation erreichen. So wird durch die Anbindung der Produktionssysteme an die Koordinierungsebenen ein effizientes Zusammenspiel von Fertigungssystemen und betriebswirtschaftlicher Planung sichergestellt; zum Beispiel der Abgleich mit Bestell-, Auftrags- und Lieferantendaten aus dem ERP-System, die Rückmeldung von Maschinenzeiten, Auftragsan- und -abmeldungen, die Dokumentation qualitätsrelevanter Zwischenschritte etc.

Unser Autor: Dr.-Ing. Markus Glück ist Professor für Produktionsmesstechnik an der Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Hochschule Augsburg sowie Geschäftsführer der Technologie Centrum Westbayern GmbH – einem Produktionsmechatronik An-Institut der Hochschule. Als Initiator eines Innovationsnetzwerks „Produktion 2020“ und im Rahmen seiner aktuellen Forschungsarbeit beschäftigt er sich intensiv mit den Herausforderungen der Industrie 4.0.


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