Worin besteht der Nutzen der Doppelspindel-/ Dualtechnologie? Was sind die Ziele der Bohr- und Fräsmaschinenhersteller? Die Technologie gewinnt immer mehr an Bedeutung. Ein Schweiz-Asiatischer Vergleich.

Der Bohrprozess ist oft ein „Flaschenhals“ der Leiterplatten-Produktionsprozesse. Neben Automatisierungskonzepten, Linearantrieben wird nun die Doppelspindeltechnologie für starke Produktivitätsverbesserungen der Bohrabteilungen genutzt.

Bei der Doppelspindeltechnologie bohren zwei Spindeln gleichzeitig auf dem gleichen Plattenstapel. Heutige Designs enthalten mehrere Nutzen, z. B. bei Handys. Durch das gleichzeitige Bohren mit zwei Spindeln wird die Bohrzeit um ca. die Hälfte reduziert und somit die Produktivität, auf der gegebenen Stellfläche, verdoppelt.

Vor ca. 20 Jahren begannen Industrieunternehmen Erfahrungen mit der Doppelspindeltechnologie zu sammeln. Führende deutsche Leiterplattenhersteller suchten frühzeitig neue Wege, um die Produktivität zu steigern und in ihrer Produktionskapazität auf gleicher Fläche zu wachsen. Damals waren sie auf der Suche nach Bohrmaschinen mit bis zu 80 Spindeln. Jedoch konnte damals die Spindelposition nicht geändert werden und die Toleranzen erwiesen sich als eine echte Herausforderung. Im Laufe der Zeit wurden Erfahrungen gesammelt und die Technologie, die Maschinen und die Systeme entwickelten sich weiter.

Lange Zeit schien es als ob die Lasertechnologie in der Lage wäre, die herkömmliche mechanische Bearbeitung zu ersetzen. Heutzutage ergänzen sich beide Verfahren nahtlos. Mechanische Leiterplattenverfahren haben einige Vorteile wie einfache Einrichtung und niedrigere Kosten. Mit Bohrmaschinen neuerer Generation und neuen Technologien- wie die der Doppelspindeltechnologie- ist es heute möglich die Bohrproduktivität weiterhin stark zu steigern (bis zu 100%).

Neben der Produktivität sind wachsende Anforderungen an die Leiterplatte die zweite Herausforderung für die mechanische Bearbeitung. Bei neu entwickelten Leiterplatten muss meist mit einer wachsenden Komplexität und kleineren Toleranzen umgegangen werden. Das ist der Grund, warum auch bei der Weiterentwicklung der Doppelspindeltechnologie auf Präzision optimiert wird.

Die nachfolgend getestete Posalux Doppelspindelmaschine erlaubt das Bohren mit zwei unabhängigen X-Achsen. Der größte Vorteil einer Einzelbohrmaschine im Vergleich zu Doppelspindelmaschinen war bisher die Präzision. Heute gibt es jedoch Systeme auf dem Markt, welche nahezu die gleiche Genauigkeit aufweisen. Durch entsprechende konstruktive Maßnahmen wird heute bereits eine Bohrgenauigkeit von +/- 15,0 µm pro Arbeitsstation erreicht.
Ein Vergleichstest kann bei der Beantwortung der Frage helfen, ob die Doppelspindelmaschine eine wirkliche und günstige Alternative zum bisherigen Ansatz ist.
Um mit Ihnen einige nützliche Kundenerfahrungen zu teilen, finden Sie weiter unten die zusammengefassten Ergebnisse eines kürzlich ausgeführten Tests.

Doppelspindelmaschine- Vergleich

Es handelt sich dabei um ein Produkt- und Vergleichstest einer Maschine aus der Schweiz und einer weit verbreiteten japanischen Maschine.

Die schweizer Posalux Bohr- und Fräsmaschine, die zu Vergleichszwecken verwendet worden ist, kann mit 5 oder 6 Bohrstationen, einzeln oder doppelt, konfiguriert werden. Sie ist ausgerüstet mit Bohrspindeln, welche mit bis zu 300‘000 U/min rotieren. Die X- und Y-Achsen bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 75 m/min und beschleunigen mit bis zu 12,0 m/s2, was 1,22g entspricht. Moderne Linearantriebe und digitale Achsenverstärker ermöglichen dabei eine Wiederholgenauigkeit der Position von kleiner ± 2 µm. Die Z-Achse beschleunigt mit 4,1g. Dadurch sind, abhängig vom Bohrhub und den Bohrdaten, Bohrkadenzen von über 850 Hüben pro Minute möglich. Durch den Einsatz von Linearmotoren in allen Achsen wird dabei eine hohe Lebensdauer der Maschine bei einem geringem Aufwand für den Unterhalt erreicht Eine kontaktempfindliche Bohrfunktion, welche eine genaue Erfassung der Plattenoberfläche ermöglicht (Tiefentolleranz
= ± 0,01 mm), bietet eine Alternative zum Laserbohren.

Die Software arbeitet nach 2 verschiedenen Methoden. Dabei können auch bestehende Teileprogramme ohne Änderungen verwendet werden. Der erste Modus ist ideal, wenn in X-Richtung eine gerade Anzahl von gleichen Nutzen auf einer Platte gebohrt wird; Dadurch wird die Produktivität verdoppelt. Je nach Layout können auch ungerade Zahlen von Nutzen bearbeiten werden, wobei dabei die Produktivität etwas verringert wird. Nutzt man jedoch ein entsprechendes Aufnahmesystem, welches das Spannen der Platten in X- oder Y-Richtung erlaubt, wird dies wirtschaftlich interessanter.
Der zweite Modus eignet sich zum Bohren von Platten, welche keine einzelnen, gespiegelte, gedrehte oder eine ungerade Anzahl von Nutzen aufweisen. Die Software berechnet die zu bohrenden Positionen so, dass möglichst viele Löcher mit beiden Spindeln gebohrt werden können. Es wird der optimale Bohrweg berechnet, um möglichst kurze Programmlaufzeiten zu erreichen. Je nach Layout wird damit eine Erhöhung der Produktivität von 50% bis 100% erreicht, siehe auch nachfolgende Testresultate.
In beiden Fällen errechnet die Software die Werkzeugstandzeiten und optimiert den Bohrzyklus so, dass alle Werkzeuge zu 100% abgenutzt werden. Dadurch werden keine teuren Werkzeuge mehr weggeworfen, welche nur zum Teil abgenutzt wurden.

Damit optimale Ergebnisse erreicht, werden, werden Referenzbohrungen mit nur einer Spindel gebohrt. Die Toleranz wird im Produktionsprozess automatisch geprüft und der Bediener wird direkt informiert. Um die Wartung zu vereinfachen, werden die Daten zusätzlich grafisch dargestellt. Spindelabstandseinstellungen werden durch die Softwareunterstützung nur noch ausgeführt, wenn diese erforderlich sind. Der Wartungsvorgang dauert dann jeweils nur 5 bis 10 Minuten.
Die Software der asiatischen Maschine kombiniert diese Funktionen nicht in einem Softwaremodul. Ein zweiter Schritt und separates Modul muss ausgeführt werden, um ein neues NC-Programm fertig zu stellen.

Im vorliegenden Projekt wurde die Prozessfähigkeit cpk und die Produktivität der asiatischen Einzelmodulmaschine mit der schweizer Maschine verglichen. Ein durchschnittlicher Vorteil von
-49% wurde ermittelt.

Um höchste Qualität und Messergebnisse zu erreichen, sollten Umweltbedingungen konstant gehalten werden. Hier liste ich nur einige der Test- und Produktionsbedingungen auf:

Wie bei allen Bohrprozessen sollte die Raumtemperatur stabil sein. Eine maximale Temperaturschwankung von ± 1°C sollte angestrebt werden. Die absolute Temperatur sollte mit einer Mindesttemperatur von +20°C und einer maximalen Temperatur von +25°C gehalten werden. Druckluft sollte mit >7,5 bar bei 1410 Nl/min bereitgestellt werden. Das im Test benutzte Kühlwasser hatte eine Temperatur kleiner 14°C und einen Durchsatz von 60 l/min bei 3,5 bar.
Vakuum mit einem Druck von -220 mbar, ein Durchsatz von 15 Nm3/min und eine ‚ebene’ Bodenoberfläche von kleiner 4mm/m und einer Mindeststärke von 500 mm (ohne Antistatik) sind weitere wichtige Faktoren.


Wie geht es in der Forschung und Entwicklung weiter?

Während einer meiner letzten Besprechungen, sprach Herr Van der Klink (Technischer F+E- Leiter des schweizer Herstellers) mit mir über Testergebnisse, Schlussfolgerungen und weitere Strategien.
Das Unternehmen arbeitet, angesichts der steigenden Kundenanforderungen in Bezug auf Produktivität, Kosten und Kapazität (bei begrenztem Raum), an einigen bedeutenden Initiativen.

Erstens wird das sogenannte „Product Design for Supply Chain“ verfolgt. Am Anfang stand das Ziel Kundenkosten und Prozesszeiten zu verkürzen. Während der letzten Jahre hat sich die Produktivität verdoppelt und Kundeninvestitionen für die gleiche Spindelleistung wurde um 30% reduziert. Dies wurde durch das Doppelspindel-Produktdesign (mit mehr Spindeln auf einer Maschine) und durch Anpassung der internen F+E- Prozesse erreicht. Die Zielrichtung war „schneller und billiger“ und wurde nun erweitert auf mehr Kundenoptionen mit gleicher oder besserer Leistung, z. B. mehr Spindeln auf der gleichen Aufstellungsfläche.

Die zweite F+E- Initiative ist „Design für höchste Präzision“. Auf der Technology Roadmap des Unternehmens und der Controlling Matrix habe ich ein aktuelles Projekt gesehen, dessen Ziel und Fokus es ist, mit der Doppelspindeltechnologie Toleranzen mit bis zu +/- 3,0 um zu erreichen (verglichen mit Einzelspindelmaschinen).
„Selbstverständlich ist das ein aggressiver Meilenstein. Jedoch möchten wir den Abstand gegenüber besseren Einzelspindelmaschinen noch weiter verbessern. Wenn wir unser Ziel erreichen, können noch dichtere und komplexere Produkte bearbeitet werden“, erklärte Herr Van der Klink.
„Wir arbeiten bei Projekten eng mit unseren Kunden zusammen“, sagte er. „Dies in Verbindung mit der Tatsache, dass wir ca. 15% vom Umsatz für F+E ausgeben, wird sicherstellen, dass wir in der Zukunft unsere technologische Führerschaft erhalten und weiterentwickeln werden. Neben höherer Geschwindigkeit und höchster Qualität verbessern wir dabei die Wartungs- und Prozesskosten für unsere Kunden."

Zusammenfassend

Die Doppelspindeltechnologie ist ideal für das Bohren symmetrischer Nutzen. Jedoch können durch sie auch die Leiterplatten-Designprozesse beeinflusst werden, um damit die Produktivitätsergebnisse noch weiter zu verbessern. Mit einer geraden Anzahl von Nutzen auf der Platte kann die Produktivität um bis zu 100% erhöht werden. Einige Doppelspindelmaschinen sind nicht nur zum Bohren von Microvias geeignet, sondern auch für Fräsprozesse. Das Doppelfräsen ist bislang nur möglich, wenn das Design eine gerade Anzahl Nutzen hat, anderenfalls muss ein manueller Frässchritt hinzugefügt werden.

Bei einem Durchschnittplattenmix reduziert ein Doppelspindelsystem die Bohrzykluszeit auf einen Wert zwischen 60 bis 100% (Das Ergebnis ist abhängig vom Layout) im Vergleich zu einer Maschine (gleichen Typs) im Einzelmodus.

Die Doppelspindeltechnologie unterstützt die Produktivität, die Prozessstabilität und einfach implementiertes Kapazitätswachstum.

Schlüsselmärkte für diese Maschinen sind u. a.: Industriedesign, Telekommunikation sowie Nischenmärkte wie beispielsweise optoelektronische Produkte, Uhren und Hörhilfen.

Ein Doppelspindelsystem belegt die Hälfte der Aufstellungsfläche zweier Standardmaschinen. Sollte es erforderlich sein, die Bohrleistung im gleichen Gebäude/ Bereich zu erhöhen, kann ein Doppelspindelsystem 100% mehr Leistung hinzufügen, ohne weiteren Platzbedarf oder Investitionen für ein neues Gebäude. Von einem Investitionsstandpunkt aus betrachtet, macht dies eine Doppelspindelmaschine viel kostengünstiger.

In Bezug auf Qualität liefern die derzeitigen Maschinen bereits sehr gute Ergebnisse. Allerdings, wenn ein Bohr- oder Prozessproblem auftritt, wird es sich wahrscheinlich auf der doppelten Menge an Spindeln und Leiterplatten zeigen.

Die Doppelspindeltechnologie bietet eine kostengünstige und prozesseffiziente Lösung für Bohr- und Fräsabteilungen, da sie für Großserien hoher Packungsdichte auf Fünf- bis Sechsspindelmaschinen und Losgrößen für Kleinserien, sowie Protoypen-Entwicklung für eine bis drei Stationen konstruiert und gebaut ist.

Fussnote:
Die schweizer Maschine PX im Test ist eine Bohrmaschine Posalux Ultra Speed G-line. Posalux ist ein führender schweizer Hersteller. Das Unternehmen baut High-Tech-Bohr- und Fräsmaschinen für die Leiterplattenindustrie und spezielle Erodier- und Laserbohrmaschinen für die Bearbeitung von Bohrungen in Düsen für Benzin- oder Dieseleinspritzsystemen für die Kfz-Industrie.
Die Maschine H im Test ist eine Einzelbohrmaschine eines bedeutenden japanischen Herstellers.