Fertigungsqualität beim 3D-Laserstrahlschweißen von Blechformteilen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die erzielbare Fertigungsqualität beim 3D-Laserstrahlschweißen von Blechformteilen mit kleinen Krümmungsradien untersucht und in ausgewählten Beispielen dokumentiert sowie Hinweise zur lasergerechten Fertigung von Blechformteilen erarbeitet. Es wurden die drei wesentlichen Verbindungsarten des Laserstrahlschweißens im Karosseriebau untersucht: I-Naht am Stumpfstoß und I-Naht und Kehlnaht am Überlappstoß. Zur Bestimmung der Fertigungsqualität an Schweißverbindungen des Typs I-Naht und Kehlnaht am Überlappstoß mußten erst geeignete Bewertungsrichtlinien definiert werden. Zur Bearbeitung der Blechformteile kamen bekannte und im Rahmen der Untersuchungen neu entwickelte Strategien zur Prozeßführung beim Laserstrahlschweißen an einfachen Formelementen und an Realbauteilen aus Automobilkarosserien zum Einsatz. Die hierbei erzielten Bearbeitungsergebnisse wurden anhand der oben genannten Richtlinien hinsichtlich der erzielten Fertigungsqualität untersucht. Eine gleichbleibende Fertigungsqualität an Außen- und Innenkonturen gleichermaßen konnte unabhängig von den untersuchten Werkstücken durch die Anwendung geeigneter Prozeßführungsstrategien sichergestellt werden. Die Untersuchungen wurden an einer 5-Achsen Portalanlage mit einem 2,2kW-CO2-Laser und einem 6-Achsen Industrieroboter mit einem 1kW Nd:YAG-Laser durchgeführt.Within this thesis the quality of 3D laser welds along contours with small radii at shaped sheet metal parts has been investigated and documented by significant examples. These results were applied to establish design guidelines for laser welding of shaped sheet metal parts. The three most relevant joint geometries for laser welding of sheets in car body production have been investigated during the experiments: Butt weld, lap weld and lap fillet weld. To evaluate the weld quality of lap and lap fillet welds quality levels for imperfections for these joint geometries had to be defined. Shaped sheet metal workpieces - simple, bended parts and complicated deep drawn car body parts - were welded by the application of different processing strategies - some of them already known and others developed during the investigations. The quality of the welding results was evaluated using the above mentioned quality levels. Good weld quality at all welded parts even at complicated parts like small radii could be achieved by the application of suitable processing strategies. The experiments were performed using a 5-axis gantry machine with a 2.2kW CO2-Laser and a 6-axis industrial robot with a 1kW Nd:YAG-Laser

Transiente Prozesse beim Laserstrahlschweißen

Ziel der Arbeit war es, die Wirkzusammenhänge zu verstehen, die am Anfang und Ende eines Laserstrahlschweißprozesses, bei der Bearbeitung von Konturelementen, aber auch während quasistationärer Phasen zu Schweißnahtfehlern fuhren. Die Kenntnis der für diese Fehler verantwortlichen transienten Prozesse war die Voraussetzung für die Entwicklung verbesserter Prozeßführungsstrategien zur Optimierung der Bearbeitungsergebnisse. Grundsätzlich wurden zwei verschiedene Formen transienter Prozesse beim Laserstrahlschweißen unterschieden. Extrinsisch transiente Prozesse treten auf, wenn sich während der Bearbeitung Einflußparameter ändern. Intrinsisch transiente Prozesse werden durch die inhärente Eigendynamik des Laserstrahlschweißprozesses ausgelöst und während des gesamten Schweißprozesses beobachtet. Die Korrelation von Bearbeitungsparametern, Prozeßemissionen und Bearbeitungsergebnis in Verbindung mit FEM-Simulationen der thermomechanischen Vorgänge beim Laserstrahlschweißen ermöglichte die Identifizierung der Ursachen von Bearbeitungsfehlem durch extrinsisch transiente Prozesse. So konnten Prozeßführungsstrategien entwickelt werden, mit denen diese Bearbeitungsfehler weitgehend vermieden werden. Intrinsisch transiente Prozesse wurden erstmals mit Verfahren behandelt, die auf den Grundlagen der Theorie nichtlinear dynamischer Systeme beruhen. Beispielsweise konnten durch eine resonante Anregung des Schweißprozesses Prozeßfluktuationen minimiert und das Bearbeitungsergebnis deutlich verbessert werden.The aim of the thesis was the understanding of the transient processes that lead to welding failures at the beginning and end of the laser beam welding process, during the machining of contour elements or even during quasi stationary phases. This was the basis for the development of improved processing strategies that lead to optimized machining results. Basically two different kinds of transient processes have been separated. Extrinsic transient processes occur, if processing parameters change during the machining. Intrinsic transient are caused by the inherent dynamics of the welding process itself and can be observed during the whole welding process. An identification of the reasons for machining failures caused by extrinsic transient processes was possible by means of a correlation between the machining parameters, process emissions and the machining result in combination with FEM simulations of the thermo-mechanical processes during laser beam welding. So it was possible to develop machining strategies to avoid these machining failures. To characterize and to deal with intrinsic transient processes new methods have been introduced, that base on the theory of nonlinear dynamic systems. For example it was possible to minimize process fluctuations by means of a resonant stimulation of the welding process, so that machining results were improved considerably

Prozeßintegrierte Qualitätssicherung in der Elektronikproduktion

Unter dem Schlagwort "Qualität produzieren anstatt Qualität erprüfen” hat sich in der Produktionstechnik ein genereller Wandel in den verfolgten Ansätzen zur Qualitätssicherung vollzogen. Diese einfach anmutende Vorgehensweise gestaltet sich in der Elektronikproduktion jedoch weiterhin schwierig. Schon die Spezifikation der Qualität elektronischer Baugruppen ist durch unterschiedliche Anforderungen und Einsatzbereiche der Endprodukte sehr komplex. Die besonderen Problemstellungen der Elektronikproduktion zeigen sich im Zusammenwirken aufeinander folgender Fertigungsschritte und in der hohen Anzahl von Einflußgrößen auf die letztlich erreichte Produktqualität. Physikalisch-chemische Eigenschaften der Bauelemente und Leiterplatten, Kleber- und Lotmaterialien stehen mit den Fertigungsparametern von Lotpasten- oder Kleberauftrag, Bestücken und Löten über die gesamte Prozeßkette verteilt in Wechselwirkung. Der Stand der Forschung ist daher geprägt durch die intensive Auseinandersetzung mit den Qualitätseigenschaften und Versagensmechanismen elektronischer Baugruppen und dem ständigen Streben nach beherrschten Prozessen, die sich an die schnellen Innovationszyklen bei Produkten, Gehäuse- und Verbindungstechnologien anpassen müssen. Die Methoden zur Prozeßsicherung und zur Qualitätsprüfung werden jedoch noch weitgehend isoliert voneinander eingesetzt. Die Qualitätsprüfung wird in der Regel am Ende der Prozeßkette mittels visueller Prüfung und elektrischen Tests durchgeführt. Fehler werden so relativ spät erkannt, die Nacharbeit am fertigen Produkt ist mit hohen Kosten verbunden und die Rückwirkung auf die Prozesse kann zudem erst relativ spät erfolgen. Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung und Integration elektronischer Baugruppen verschärft sich die Problematik der visuellen Prüfung. Neben mangelhafter Treffsicherheit und Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse ist die Korrelation zwischen den verwendeten Sichtprüfkriterien und dem Ausfallverhalten der Baugruppen nicht zweifelsfrei gegeben. Die dadurch unnötig herbeigeführte Nacharbeit führt neben erhöhten Fertigungskosten zur Herabsetzung der Baugruppenqualität. Ziel der vorliegenden Dissertation war daher, die bisher getrennten Aufgabenfelder zur Prozeßsicherung und Qualitätsprüfung in einem geschlossenen Ansatz zusammenzuführen. Es wird eine prozeßintegrierte Qualitätssicherung vorgeschlagen, die der Qualitätssteigerung in der Elektronik bei gleichzeitig reduzierten Fertigungskosten dient. Parallel wird mit den entwickelten Werkzeugen eine durchgängig protokollierte und überwachte Produktion unterstützt. Das systematische Zusammenführen beherrschter Fertigungs- und Prüfprozesse in der Elektronikbaugruppenproduktion wird durch die Vernetzung der Prozeß- und Prüfdaten in einem gemeinsamen Informationsmodell ermöglicht. Das in einer relationalen Datenbank implementierte Informationsmodell ist die Grundlage für darauf aufsetzende Werkzeuge zur Analyse, Optimierung und Regelung der Fertigungsqualität. Um die prozeßintegrierte Erfassung der erforderlichen Prozeß- und Prüfdaten zu erreichen, werden in einem weiteren Schwerpunkt der Arbeit Systemlösungen zur automatisierten optischen Inspektion in der Baugruppenmontage entwickelt. Hierzu werden mögliche Verfahrensansätze analysiert und deren Einsatzpotential aufgezeigt. Mit dem Übergang zu Laser- und Röntgengestützten Inspektionsverfahren können prozeßbegleitend die Fertigungsprozesse deutlich besser charakterisiert und geführt werden. Bestehende Defizite bei der Sichtprüfung durch Prüfpersonal sowie die Schwächen von herkömmlichen CCD-kamerabasierenden Inspektionsverfahren werden hierbei überwunden. Die fertigungsintegrierte 3D-Laserinspektion des Lotpastenauftrags stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer fehlerfreien Produktion reflowgelöteter Baugruppen dar, da dies ein besonders kritischer Fertigungsschritt in der Prozeßkette ist. Die Einsatzfähigkeit der 3D-Laserinspektion erfordert vor allem kurze Prüfzeiten und eine gute informationstechnische Einbindung, die durch eine CAD/CAM-Verfahrenskette für die optische Baugruppeninspektion sichergestellt wird. Mit der Entwicklung einer flexibel automatisierten Röntgeninspektionszelle wird der Elektronikproduktion ein geeigneter Prüfmonitor zur Verfügung gestellt, der sowohl die Aufgabe der Lötstelleninspektion zuverlässig erfüllt, als auch eine sehr gute Überwachung und Führung der Fertigungsprozesse erlaubt. Neben der direkten materialflußtechnischen Integration in die Fertigungslinie, besteht mit der flexiblen Prüfzelle eine interessante Alternative für die Einführung und Qualifizierung neuer Fertigungs-, Gehäuse- und Verbindungstechnologien. Um die verschiedenen Randbedingungen und Anforderungen an eine prozeß-integerierte Qualitätssicherung zu beherrschen, wird mit dem System FuzzCIass ein Werkzeug zu anwenderflexiblen Klassifikation und Regelung der Fertigungsqualität vorgestellt. Im selben Maße erlaubt der Einsatz lernender Verfahren auf der Basis Neuronaler Netze eine weitreichende Anwenderflexibilität. Am Beispiel einer spezifischen Aufgabenstellung zur Lötstelleninspektion mittels Röntgen wird die Tauglichkeit dieses Ansatzes nachgewiesen. Exemplarische Anwendungen der prozeßintegrierten Qualitätssicherung zeigen den Nutzen der entwickelten Werkzeuge und erlauben eine Bewertung der verschiedenen Vorgehensweisen, die stark von den jeweiligen Randbedingungen und eingesetzten Fertigungstechnologien abhängen. Die größten Potentiale lassen sich durch die Berücksichtigung der prozeßintegrierten Qualitätssicherung bei der Neukonzeption von Fertigungstechnologien erschließen. Das Beispiel eines kombinierten Bestück- und Laserlötprozesses mit integrierter Prozeß- und Prüfdatenerfassung weist auf die in weiterführenden Arbeiten noch zusätzlich zu erschließenden Potentiale hin.Under the slogan "Produce quality instead of checking quality", a general change in the pursued approaches to quality assurance has taken place in production technology. This simple-looking procedure continues to be difficult in electronics production. Even the specification of the quality of electronic assemblies is subject to different requirements. The special problems of electronics production are shown in the interaction of successive manufacturing steps and in the large number of influencing factors on the product quality ultimately achieved. Physicochemical properties of the components and printed circuit boards, adhesive and solder materials stand with the manufacturing parameters of Order of solder paste or slide, assembly and soldering in interaction across the entire process chain. The state of research is therefore characterized by the intensive examination of the quality properties and failure mechanisms of electronic assemblies and the constant striving for controlled processes that have to adapt to the fast innovation cycles in products, housing and connection technologies. However, the methods for process assurance and quality control are still used largely in isolation from one another. The quality check is usually carried out at the end of the process chain using visual and electrical tests. Errors are thus recognized relatively late, reworking the finished product is associated with high costs, and the effects on the processes can only take place relatively late. Due to the increasing miniaturization and integration of electronic assemblies, the problem of visual inspection is exacerbated. In addition to poor accuracy and reproducibility of the test results, the correlation between the visual inspection criteria used and the failure behavior of the modules is not without doubt. The resulting unnecessary reworking leads not only to increased manufacturing costs but also to a reduction in the quality of the assembly. The aim of the present dissertation was therefore to combine the previously separate tasks for process assurance and quality control in a closed approach. Process-integrated quality assurance is proposed, which serves to increase the quality of the electronics while at the same time reducing manufacturing costs. At the same time, a continuously logged and monitored production is supported with the developed tools. The systematic merging of controlled manufacturing and testing processes in electronics assembly production is made possible by networking the process and testing data in a common information model. The information model implemented in a relational database is the basis for tools based on it for analyzing, optimizing and regulating the manufacturing quality. In order to achieve the process-integrated acquisition of the required process and test data, system solutions for automated optical inspection in the assembly of modules are developed in a further focus of the work. For this purpose, possible procedural approaches are analyzed and their application potential is shown. With the transition to laser and X-ray-based inspection processes, the manufacturing processes can be characterized and guided much better during the process. Existing deficits in the visual inspection by inspection personnel as well as the weaknesses of conventional CCD camera-based inspection procedures are overcome. The production-integrated 3D laser inspection of the solder paste application represents an important step on the way to the faultless production of reflow-soldered assemblies, since this is a particularly critical manufacturing step in the process chain. The usability of the 3D laser inspection requires above all short test times and a good information technology integration, which is ensured by a CAD / CAM process chain for the optical assembly inspection. With the development of a flexibly automated X-ray inspection cell, a suitable test monitor is made available to electronics production, which reliably fulfills the task of solder joint inspection and also enables very good monitoring and control of the manufacturing processes. In addition to the direct material flow integration into the production line, the flexible test cell is an interesting alternative for the introduction and qualification of new production, housing and connection technologies. In order to master the various boundary conditions and requirements for process-integrated quality assurance, the FuzzCIass system is a tool for user-flexible classification and regulation of manufacturing quality. To the same extent, the use of learning methods on the basis of neural networks allows extensive user flexibility. The suitability of this approach is demonstrated using the example of a specific task for solder joint inspection using X-ray. Exemplary applications of process-integrated quality assurance show the usefulness of the tools developed and allow an evaluation of the different procedures, which strongly depend on the respective boundary conditions and the manufacturing technologies used. The greatest potential can be tapped by taking process-integrated quality assurance into account when redesigning manufacturing technologies. The example of a combined assembly and laser soldering process with integrated process and test data acquisition indicates the additional potential to be tapped in further work

Prozesse und Systeme zur Bestückung räumlicher elektronischer Baugruppen (3D-MID)

Die kontinuierliche Verbesserung bestehender Produktionsabläufe kann die langfristige Sicherung von Marktpositionen in dem durch zunehmenden Wettbewerb und anhaltenden Preisverfall charakterisierten Umfeld der Elektronikproduktion allein nicht gewährleisten. Ergänzend müssen die Rationalisierungspotentiale durch Einsatz neuer Technologien ausgeschöpft werden. Die mit wachsendem Interesse verfolgte Technologie der räumlichen elektronischen Baugruppen (3D- MID) kann für ein wirtschaftlich bedeutendes Anwendungsspektrum durch die Integration mechanischer und elektronischer Funktionen einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Verbesserung der Wettbewerbssituation leisten. Das prognostizierte starke Marktwachstum der räumlichen Schaltungsträger wird zur Zeit noch durch fehlende Lösungen zum wirtschaftlichen Aufbau dreidimensionaler elektronischer Baugruppen geprägt. Ziel dieser Dissertation ist es daher, Prozesse und Systeme zur Bestückung räumlicher elektronischer Baugruppen zu entwickeln, um die Voraussetzung für die vollständige Nutzung der beachtlichen Rationalisierungspotentiale dieser Technologie zu schaffen. Aus aktuellen Marktprognosen zur weiteren Entwicklung der räumlichen Baugruppen und einer systematischen Analyse der erforderlichen Funktionen wurden die Zielgrößen für die Montagesysteme und die prozeßrelevanten Eigenschaften der Fügepartner definiert. Darauf aufbauend wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Prozeßführung des Pastenauftrags und der Bestückung unter den neuen Randbedingungen durchgeführt und dokumentiert. Die Bestückung räumlicher Baugruppen erfordert im allgemeinen die Handhabung der Fügepartner in sechs Freiheitsgraden, wobei die aus der Flachbaugruppenfertigung bekannten hohen Anforderungen an Mengenleistung und Präzision berücksichtigt werden müssen. In einer systematischen Analyse möglicher Kinematiken wurde die Verteilung der erforderlichen Freiheitsgrade auf getrennte Handhabungssysteme für Bauelemente und Schaltungsträger als diejenige Möglichkeit bestimmt, die unter Beachtung aller Randbedingungen die beste Erfüllung der konträren Ziele gewährleistet. Die anschließende Optimierung dieses Grundkonzepts führte zu einer Lösung, die eine dreiachsige Manipulation der Schaltungsträger im Arbeitsraum ermöglicht und die Fügebewegung der oberflächenmontierbaren Bauelemente mit zwei, voneinander unabhängigen, Bestückungswerkzeugen realisiert. In umfangreichen experimentellen Analysen wurden die Einsatzpotentiale marktverfügbarer Bestückungs- und Robotersysteme bestimmt. Dabei wurde die Prognose der kinematischen Analyse bestätigt, daß sich hierdurch nur suboptimale Lösungen, mit jeweils spezifischen Stärken, realisieren lassen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden Ansätze zur modularen Erweiterung von Hard- und Software existierender Bestückungsautomaten aufgezeigt und experimentell verifiziert. Das realisierte System bietet eine kostengünstige Möglichkeit, räumliche Baugruppen mittlerer geometrischer Komplexität zu bestücken. Um die noch bestehenden Grenzen zu erweitern, wurde mit ingenieurwissenschaftlichen Methoden ein Bestückungssystem für räumliche Baugruppen nach dem oben genannten Konzept entwickelt. Mit der prototypisch realisierten Versuchszelle lassen sich Baugruppen mit bis zu 150 mm Wandhöhe bei beliebig geneigten Prozeßflächen auch bei begrenzter Länge der Fügenormalen mit hoher Mengenleistung und Präzision bestücken. Dazu werden die Prozeßflächen der Schaltungsträger mit einer aus zwei kardanisch gelagerten Rahmen bestehenden Handhabungseinrichtung in die Horizontale geschwenkt und über eine integrierte Hubachse auf die optimale Bestückungshöhe positioniert. Zur weitgehenden Elimination der prozeßbedingten Nebenzeiten für Aufnahme, Zentrierung und Test der elektronischen Bauelemente arbeiten die beiden unabhängigen Bestückungswerkzeuge alternierend. Dabei ist der eine Bestückungskopf als vierachsiges Präzisionswerkzeug ausgelegt, um die Möglichkeit zur präzisen Bestückung auch hochpoliger Bauelemente bereitzustellen. Der andere verfügt über zusätzliche Freiheitsgrade, um auch Schaltungsträger mit begrenzter Länge der Fügenormalen bestücken zu können. Die Bestückung wird von einer Steuerung mit drei Prozessoren und integrierter Kollisionsvermeidung koordiniert und kann komfortabel über eine CAD/CAM Verfahrenskette mit standardisierten Schnittstellen programmiert werden. Die entwickelte Kinematik wurde, unter Beachtung der prozeßspezifischen Randbedingungen, auch an den Einsatz in einem System zum sequentiellen Auftrag von Verbindungsmedien in räumliche Baugruppen angepaßt und deren Einsatzmöglichkeit in einer Versuchszelle experimentell nachgewiesen. Damit ist die Grundlage für weiterführende Arbeiten zur Optimierung der Verbindungstechnik in räumlichen Baugruppen geschaffen. Die komplexen Interdependenzen der prozeßbezogenen Kenngrößen erfordern eine ganzheitliche Optimierung der Gestaltung räumlicher Baugruppen. Mit der Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien unter den besonderen Aspekten der Prozeßschritte Pastenauftrag und Bestücken wurde zum Abschluß dieser Arbeit ein Beitrag für einen integrierten Ansatz zur systematischen Erarbeitung der funktionsund kostenoptimalen Gestaltung räumlicher Baugruppen geleistet, der in einer weiterführenden Arbeit entwickelt wird.The continuous improvement of existing production processes cannot guarantee the long-term securing of market positions in the environment of electronic production, which is characterized by increasing competition and a continuing drop in prices. In addition, the rationalization potential must be exploited through the use of new technologies. The technology of spatial electronic assemblies (3D-MID), which is being followed with increasing interest, can make a significant contribution to the sustainable improvement of the competitive situation for an economically significant range of applications by integrating mechanical and electronic functions. The forecasted strong market growth of the spatial circuit carriers is currently characterized by the lack of solutions for the economical construction of three-dimensional electronic assemblies. The aim of this thesis is therefore to develop processes and systems for the assembly of spatial electronic assemblies in order to create the prerequisites for the full exploitation of the considerable rationalization potential of this technology. The target values for the assembly systems and the process-relevant properties of the joining partners were defined from current market forecasts for the further development of the spatial assemblies and a systematic analysis of the required functions. Building on this, extensive experimental investigations into the process management of the paste application and the assembly under the new boundary conditions were carried out and documented. The assembly of spatial assemblies generally requires the joining partners to be handled in six degrees of freedom, whereby the high demands on volume output and precision known from the manufacture of flat assemblies must be taken into account. In a systematic analysis of possible kinematics, the distribution of the required degrees of freedom on separate handling systems for components and circuit carriers was determined as the option that ensures the best fulfillment of the conflicting goals, taking all boundary conditions into account. The subsequent optimization of this basic concept led to a solution that enables a three-axis manipulation of the circuit carriers in the work area and realizes the joining movement of the surface-mountable components with two, independent, assembly tools. Extensive experimental analyzes were carried out to determine the application potential of available assembly and robot systems. The forecast of the kinematic analysis was confirmed that only suboptimal solutions, each with specific strengths, can be realized. Based on these findings, approaches for modular expansion of hardware and software of existing automatic placement machines were shown and experimentally verified. The implemented system offers a cost-effective way to assemble spatial assemblies of medium geometric complexity. In order to expand the still existing limits, an assembly system for spatial assemblies based on the concept mentioned above was developed using engineering methods. The prototype test cell can be used to assemble modules with a wall height of up to 150 mm with any inclined process area, even with limited length of the joining standards, with high volume output and precision. For this purpose, the process surfaces of the circuit carriers are pivoted into the horizontal using a handling device consisting of two gimbal-mounted frames and positioned at the optimum assembly height via an integrated lifting axis. The two independent assembly tools work alternately to largely eliminate the process-related idle times for picking up, centering and testing the electronic components. One of the assembly heads is designed as a four-axis precision tool to provide the option of precisely assembling even multi-pole components. The other has additional degrees of freedom in order to also be able to equip circuit carriers with a limited length of the joining standards. The assembly is coordinated by a controller with three processors and integrated collision avoidance and can be conveniently programmed using a CAD / CAM process chain with standardized interfaces. The kinematics developed was adapted to use in a system for the sequential application of connecting media in spatial assemblies, taking into account the process-specific boundary conditions, and their possible application in an experimental cell was demonstrated experimentally. This creates the basis for further work on optimizing the connection technology in spatial assemblies. The complex interdependencies of the process-related parameters require a holistic optimization of the design of spatial assemblies. With the development of design guidelines under the special aspects of the process steps of paste application and assembly, a contribution was made to the conclusion of this work for an integrated approach to the systematic development of the functionally and cost-optimal design of spatial assemblies, which will be developed in a further work

Laserstrahljustieren mit Excimer-Lasern - Prozeßparameter und Modelle zur Aktorkonstruktion

Das Laserstrahljustieren stellt ein innovatives Montageverfahren dar. Es ermöglicht, die Montagekosten von Mikrokomponenten signifikant zu reduzieren. Dieses Buch informiert den Entwickler und Konstrukteur über die Umsetzung dieses Prozesses bei der Produktentwicklung und gibt dem Prozessingenieur einen Leitfaden zur erfolgreichen Umsetzung dieser Technologie.Laser beam adjustment is an innovative assembly process. It enables the assembly costs of micro components to be significantly reduced. This book informs the developer and designer about the implementation of this process in product development and gives the process engineer a guide to the successful implementation of this technology

Integriertes Automatisierungskonzept für den flexiblen Materialfluß in der Elektronikproduktion

Die Senkung der Kosten, insbesondere der Lohnkosten, durch weitere Automatisierung und die Sicherung einer optimalen Produktqualität mit Hilfe weiterer Rechnerunterstützung im Produktionsmanagement, sind die wesentlichen Aufgaben zur Festigung des Produktionsstandortes Deutschland. Der Schlüsseltechnologie Elektronik kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu. Dies zeigt sich in einer weiterhin zunehmenden Elektronifizierung im Automobil- und Maschinenbau und auch in neuen Absatzmärkten für innovative Produkte der Telekommunikation. Trotz eines hohen Automatisierungsgrades des eigentlichen Prozesses, der Bestückung von Leiterplatten, fehlte bisher eine Lösung zur logistischen Integration der hochautomatisierten Bestücklinien in ein gesamtheitliches Automatisierungskonzept. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Materialflußsystems zur automatisierten Ver- und Entsorgung der Elektronikproduktion. Hierzu wurden im Vorfeld am Markt verfügbare Transportsysteme anhand der spezifischen Anforderungen der Elektronikproduktion untersucht. Als Ergebnis bleibt festzuhalten, daß die meisten der derzeit verfügbaren automatisierten Transportmittel ihre vorrangige Anwendung im Maschinenbau und der Automobilproduktion finden. Hier bestehende Lösungen wurden lediglich an die Randbedingungen der Leiterplattenbestückung adaptiert, wobei eine integrative Vernetzung zwischen Produktionsprozess und Produktionslogistik fehlt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen und der Leitlinie Vereinfachen-Automatisieren- Integrieren folgend, wurden Überlegungen zur automatisierungsgerechten Materialflußgestaltung angestellt. Die Optimierung der Wertschöpfung bildet hier die zentrale Zielsetzung der Betrachtung. Um den wesentlichen Faktor Durchlaufzeit in der Wertzuwachskurve weiter zu reduzieren wurde eine Unterstützung der Materialbewirtschaftung konzipiert. Die Bildung eines virtuellen Puffers, der physisch als eine Einheit vorliegt, welchen datentechnisch jedoch jede Produktionslinie als ihren eigenen Puffer einbinden kann, unterstützt die Minimierung der Durchlaufzeit und die Flexibilitätsanforderungen hinsichtlich der Auftragsreihenfolge. Die konzeptionellen Überlegungen resultieren in einem Anforderungsprofil für die Mobile Handhabungseinheit. Das daraus realisierte Transportsystem basiert auf einem Elektrohängebahnsystem. Das Trägerfahrzeug wurde um ein lagegeregeltes Antriebsmodul und eine Scherenhubachse zur Handhabung der Transporthilfsmittel erweitert. Die realisierte Antriebs- und Steuerungslösung bildet die Grundlage für ein flexibles, intelligentes und hochdynamisches Transportmittel. Der Handhabungseinheit verleiht es eine hohe Positioniergenauigkeit zur direkten Maschinenbedienung. Ergänzt wird das Konzept durch ein Materialflußleitsystem: Den Kern des Materialflußleitsystems bildet eine Datenbank, in der Informationen über die vorhandenen Transportsysteme, Produktionsstrukturen und Auftragsspektren abgelegt sind. Des weiteren dient sie zur Erfassung und Auswertung der logistischen Betriebsdaten. Schwerpunktmäßig wurde bei der Entwicklung der Module darauf geachtet, eine unternehmensweite Kommunikation, insbesondere auch mit den mobilen Subsystemen, zu realisieren. Die bereitgestellte logistische Datenbasis erlaubt die Erweiterung des Leitstandsbegriffes um die Komponenten "Planung und Optimierung" und "Controlling”. Mit Hilfe dieser Module ist über die kurzfristige Reaktion hinaus auch die mittelfristige und strategische Optimierung der Produktion erreichbar. Dem Produktionsfaktor "Information” kommt hierbei eine wesentliche Bedeutung zu. Die Information stellt zum einen das verbindene Medium zwischen den Bereichen und zum anderen die Basis zur Synchronisation dar. Die Implementierung von modularen und flexiblen Softwaresystemen ist die Basis für eine weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit von Automatisierungslösungen. In der Logistik muß hier der Schwerpunkt insbesondere im Bereich der dispositiven Datenverarbeitung liegen. Bei der Umsetzung des Materialflußkonzeptes in der Modellfabrik des Institutes bestätigte sich die Erfordernis einer ganzheitlichen Betrachtung der Produktion bei Logistikprojekten. Zur Schaffung einer durchgängig automatisierten Transportkette wurden die Schnittstellenkomponenten in den Produktionsablauf mit eingebunden. Es mußte jedoch festgestellt werden, daß eine Vielzahl peripherer Komponenten in ihren lokalen Ablaufzyklen ungenügend auf ein übergreifendes Konzept abgestimmt sind und Schnittstellen zur Integration der Peripherie oftmals fehlen. Die Wirtschaftlichkeitsanalyse der Mobilen Handhabungseinheit ergab ein optimales Einsatzspektrum im Bereich mittlerer Transportmengen (bis ca. 60 THM/h) und kurzer Transportentfernungen (bis ca. 300 m). In diesem Bereich, in welchem die Handhabungsfunktion überwiegt, läßt sich das volle Ratiopotential durch die Materialflußautomatisierung erschließen. Durch den ganzheitlichen Systemverbund ist hiermit ein erfolgreicher Automatisierungsansatz vorgezeichnet. Mit dem in der vorliegenden Arbeit gewählten Ansatz wurde das Ziel eines durchgängig automatisierten Produktionsdurchiaufes erreicht. Zukünftige Arbeiten müssen ergänzend dazu den Bereich der Systemperipherie erschließen: Zur weiteren Optimierung des Betriebsmitteleiensatzes sind konkrete Lösungsvorschläge für eine Standardisierung der Materialbereitstellung zu entwickeln. Ziel muß dabei die Vision einer flexibel automatisierten Rüstung der Bestücklinien sein. Gerade im Bereich der Schnittstellengestaltung der Materialbereitstellung ist Entwicklungsbedarf zu sehen. Insbesondere die Einbindung der Schnittstellen in einen kontinuierlichen Produktionsablauf erfordert eine flexible Ablaufprogrammierung sowie offene Schnittstellen zur Kommunikation zwischen den Systemen. Einen letzten Schwerpunkt weiterer Forschungsaktivitäten stellt die betriebsbegleitende Simulation dar. Mit ihrem Einsatz ist es möglich die kontinuierliche Optimierung der Produktionsstrukturen zu unterstützen und einen optimalen Produktionsablauf zu gestalten.Lowering costs, especially wage costs, through further automation and ensuring optimal product quality with the help of additional computer support in production management are the main tasks for consolidating Germany as a production location. The key electronics technology is of particular importance here. This can be seen in the increasing electronification in automotive and mechanical engineering and also in new sales markets for innovative telecommunications products. Despite a high degree of automation of the actual process, the assembly of printed circuit boards, a solution for logistically integrating the highly automated assembly lines into a holistic automation concept has so far been lacking. The aim of the present work was the development of a material flow system for the automated supply and disposal of electronics production. For this purpose, transport systems available on the market were examined beforehand based on the specific requirements of electronics production. As a result, it can be said that most of the automated means of transport currently available are primarily used in mechanical engineering and automobile production. Existing solutions were only adapted to the boundary conditions of the PCB assembly, whereby there is no integrative network between the production process and production logistics. Building on this knowledge and following the guideline Simplify-Automate-Integrate, considerations were made regarding the automation-compatible material flow design. The optimization of the added value forms the central objective of the consideration. In order to further reduce the essential factor throughput time in the growth curve, a support for material management was designed. The formation of a virtual buffer, which is physically available as a unit, but which each production line can incorporate in terms of data technology as its own buffer, supports the minimization of throughput time and the flexibility requirements regarding the order sequence. The conceptual considerations result in a requirement profile for the mobile handling unit. The resulting transport system is based on an electric monorail system. The carrier vehicle was expanded to include a position-controlled drive module and a scissor lift axis for handling the transport aids. The implemented drive and control solution forms the basis for a flexible, intelligent and highly dynamic means of transport. The handling unit gives it a high positioning accuracy for direct machine operation. The concept is supplemented by a material flow control system: The core of the material flow control system is a database in which information about the existing transport systems, production structures and order spectra is stored. It is also used to record and evaluate the logistical operating data. When developing the modules, special attention was paid to implementing company-wide communication, especially with the mobile subsystems. The logistical database provided enables the concept of a control center to be expanded to include the components "planning and optimization" and "controlling." With the help of these modules, the medium-term and strategic optimization of production can be achieved in addition to the short-term response. The production factor "Information" is of crucial importance here. On the one hand, the information represents the connecting medium between the areas and on the other hand the basis for synchronization. The implementation of modular and flexible software systems is the basis for a further increase in the performance of automation solutions. In logistics, the focus must be on the area of planning data processing. The implementation of the material flow concept in the model factory of the institute confirmed the need for a holistic view of production in logistics projects. To create a fully automated transport chain, the interface components were integrated into the production process. However, it had to be ascertained that a large number of peripheral components in their local execution cycles are insufficiently coordinated with a comprehensive concept and interfaces for the integration of the periphery are often missing. The economic analysis of the mobile handling unit showed an optimal range of applications in the area of medium transport quantities (up to approx. 60 THM / h) and short transport distances (up to approx. 300 m). In this area, in which the handling function predominates, the full ratio potential can be tapped through the material flow automation. Thanks to the holistic system network, a successful automation approach is hereby sketched out. With the approach chosen in the present work, the goal of a fully automated production run was achieved. Future work must also open up the area of system peripherals: In order to further optimize the resource set, specific solutions for standardizing the material supply must be developed. The goal must be the vision of flexibly automated armament of the assembly lines. There is a need for development, particularly in the area of interface design for material provision. In particular, the integration of the interfaces in a continuous production process requires flexible process programming and open interfaces for communication between the systems. The last focus of further research activities is in-house simulation. With its use it is possible to support the continuous optimization of the production structures and to design an optimal production process

Laserstrahlhartlöten mit Zweistrahltechnik

Das Ziel der Arbeit war es, grundlegendes Wissen über das flußmittelfreie und automatisierte Laserstrahlhartlöten von Blechformteilen mit Zweistrahltechnik zu erarbeiten. Es wurde ein Hartlötsystem bestehend aus zwei Nd:YAG-Lasern, einem 6-Achsen-Gelenkarmroboter sowie einer Lotdraht und Schutzgaszuführung aufgebaut. Die entwickelte online Prozeßregelung, basierend auf der Erfassung der Blechoberflächentemperatur, ergänzte die Anlage. In den grundlegenden Untersuchungen zur Prozeßführung wurde die Anordnung der Laserstrahlen zum Verbindungsstoß sowie die Lot- und Schutzgaszuführung für die Zweistrahltechnik optimiert. Die eingehende Untersuchung der Verbindungseigenschaften insbesondere auch räumlich orientierter Nähte zeigte, daß sehr gute Verbindungsqualitäten hinsichtlich Benetzungen und Füllgrad im Spalt sowie geringer Verzug und hohe Festigkeiten erzielt werden können. Die Verwendung von zwei Laserstrahlquellen, die unabhängig voneinander in ihrer Ausgangsleistung geregelt werden können, erlaubt eine gezielte und für beide Stoßpartner separate Energieeinbringung. Dadurch lassen sich Temperaturprofile für verschiedene Stoßformen über die Fokuslagen, die Einstrahlwinkel und die Anordnung der Laserstrahlwirkflächen zum Spalt optimal einstellen. Das vorgestellte Laserstrahlhartlötverfahren schafft damit eine Basis für eine industrielle Umsetzung der räumlichen Hartlötbearbeitung von Blechformteilen.The aim of this thesis is to obtain basic knowledge about automated and flux free laser beam brazing of formed sheet metal parts with double beam. The brazing system was composed of two Nd:YAG-lasers, a 6-axis-articulated robot as well as a filler metal and a shielding gas supply. In addition an online process control was developed, based on the detection of the surface temperature. In fundamental investigations of the process the arrangement of the laser beams as well as of the filler metal and the shielding gas supply were optimized. Intensive studies of the joint quality have shown good results concerning wetting and filling degree. Besides small thermal distortion occurred and high strength could be obtained. Applying two laser beam sources allows a controlled and separate in-coupling of the laser beam energy for each part of the joint. Thus different temperature profiles at the joints investigated can be optimal designed through the variation of focal position, angle of beam incidence and the arrangement of the laser beam working spots to the joint or the gap. The laser beam brazing technique presented delivers basic knowledge for the realization in industry

PPS meets Workflow:Proceedings zum Workshop vom 9. Juni 1998

Trotz des bereits vor über einem Jahrzehnt postulierten „Computer Integrated Business“ wurde eine prozeßorientierte Integration innerhalb administrativer (indirekter) Bereiche und die Verbindung zu Werkstattbereichen (direkten Bereichen) sowie zu Zulieferern und Logistikdienstleistern nur in Teilaspekten betrachtet. Zwar existieren betriebswirtschaftlich-konzeptuelle Überlegungen hierzu, marktreife informationstechnische Lösungen, welche eine flexible und transparente, an Geschäftsprozessen orientierte Integration von Funktionen der Auftragsabwicklung unterstützen, sind derzeit allerdings kaum verfügbar. Ein vielversprechender Lösungsansatz hierzu findet sich mit Workflowmanagementsystemen in der sog. Office Automation. Workflowmanagement bezeichnet die aktive, auf Prozeßmodellen basierende Steuerung von Geschäftsprozessen. Obwohl Workflowmanagement somit analog zur Produktionssteuerung im Werkstattbereich als Aufgabe der Prozeßsteuerung angesehen werden kann, erfolgte die Entwicklung bisher weitgehend unabhängig voneinander. Ziel des Workshops „PPS meets Workflow“ ist es, ausgehend von der gemeinsamen Aufgabe der automatisierten Prozeßsteuerung, Synergiepotentiale von PPS und Workflowmanagement aufzuzeigen und an praktischen Beispielen kritisch zu diskutieren

Prozeßkontrolle beim Laserstrahl-Mikroschweißen

Der Inhalt der Arbeit zielt auf die Schaffung von gebrauchsfertigen Technologielösungen, die für industriell genutzte Nd: YAG-Laser Mikroschweißsysteme eine Steigerung sowohl der technischen Verfügbarkeit als auch der Schweißqualität herbeiführen. Dazu wurde ein neuartiges, multisensorielles Diagnostiksystem zur Strahlführung und -formung entwickelt. Auf Basis von trainierten Neuronalen Netzen sowie der Fuzzy-Technologie konnten im Anschluß robuste Werkzeuge für die automatische Prozeßüberwachung und Prozeßkontrolle geschaffen werden. Durch die abschließende Entwicklung von Lösungswegen für eine Online-Steuerung des Mikro-Schweißprozesses kann die laufende Minimierung der Fehlerquote bzw. Sicherstellung einer ausreichenden Schweißnahttiefe beim Einzelpuls Überlappstoß gewährleistet werden.The content of the thesis aims at the creation of ready-to-use technology solutions which bring about an increase in both technical availability and welding quality for industrially used Nd: YAG laser micro-welding systems. For this purpose, a new, multisensory diagnostic system for beam guidance and shaping was developed. Based on trained neural networks and fuzzy technology, robust tools for automatic process monitoring and process control could then be created. The final development of solutions for online control of the micro-welding process ensures that the error rate is minimized and that the depth of the weld seam is sufficient for the single pulse lap joint