La P&P vista da un EMS

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La P&P vista da un EMS

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Le Pick & Place sono sistemi che prelevano (Pick) determinati componenti da una posizione per depositarli (Place) in un’altra. La scelta della giusta tecnologia non è poi così semplice. Una testimonianza di esperienza vissuta e quindi di pro e contro non teorici, ma reali

Le Pick & Place, oggi di utilizzo comune per chi produce e assembla apparati elettronici, sono in uso da molti decenni per posizionare componenti a montaggio superficiale (SMT).

Le prime applicazioni risalgono agli anni ’60, in particolare per il settore militare da dove si sono poi diffuse per la “produzione di massa” agli inizi degli anni ’80, andando via a via a sostituire (dove possibile) quella dei tradizionali componenti ad inserzione (THT – throught hole tecnology). di Michele Mansi (MAR-ITA) La P&P vista da un EMS Non a caso le prime industrie produttrici di Pick & Place sono le stesse che già producevano macchine inseritrici per il montaggio dei componenti ad inserzione.

Il concetto delle due tecnologie è pressoché lo stesso: prelevare un componente avente una ben precisa coordinata, per depositarlo (o inserirlo) presso un’altra altrettanto definita e precisa coordinata (secondo un programma o sequenza di montaggio).

In ambo i casi i componenti sono alloggiati su “caricatori” specifici che per la tecnologia SMD sono stati oggetto di costante evoluzione, di pari importanza delle prestazioni relative alla precisione di piazzamento e di velocità delle macchine.

Sul mercato cominciarono a comparire tecnologie per la produzione sempre più performanti; in origine realizzate dagli stessi produttori delle inseritrici THT (ad esempio Panasonic col suo brand Panasert, Blakell Systems poi EuroPlacer o Dynapert), i quali avevano già la necessità di produrre in volumi ed con un’ottica industriale: macchine da linea, ad alta velocità con teste a revolver o torretta rotante come le chip-shooter.

La tecnologia era inizialmente costosa, sebbene di natura prettamente meccanica: i componenti venivano prelevati e poi centrati meccanicamente tramite delle squadrette montate sui quattro lati della testa di prelievo e la programmazione della attività di assemblaggio veniva fatta tipicamente in autoapprendimento (inserendo nel programma le coordinate una ad una, posizionandosi in corrispondenza e confermandole). Il cambio scheda veniva fatto manualmente fissandola su un sistema a spine. Il riconoscimento ottico dei fiducial inizierà a diffondersi molti anni dopo.

Negli anni ’90, quando ancora erano presenti produzioni ad alti volumi (computer, telefonia, automotive) le principali aziende erano attrezzate con linee ad elevata automazione mentre la stragrande maggioranza delle piccole e medie aziende era dotata di P&P meccaniche ed off-line.

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Un percorso di scelte

Italo e Gabriella Mansi, fondatori di MAR-ITA, già dai primissimi anni ’90 hanno creduto nella tecnologia SMT, acquistando la loro prima Pick & Place, una Contact System Quad, monotesta meccanica.
Una macchina il cui ricordo fa sorridere, con una velocità di qualche centinaio di componenti-ora, col limite ai chip 1812 e 1206, oltre a qualche SO e QFP, ma con passi oggi ridicoli Il passo successivo fu l’introduzione di macchine della stessa fascia, tre TWS (brand italiano nato sul finire degli anni ’90), ma con un numero di feeder superiore.
L’esperienza accumulata rese ben presto evidente quanto la variabile della movimentazione manuale dei semilavorati fosse troppo rischiosa, introducendo possibili difetti pre e post montaggio. Abbandonando la filosofia off-line il passo successivo fu una macchina in linea Philips Topaz di prima generazione.
Avendo come obiettivo principale la produzione di piccoli e medi volumi, diventava rilevante ridurre i tempi di set-up. Questo ha portato ad affiancare alla Topaz, sebbene con filosofie diverse, una Mydata MY12.
La coevoluzione tecnologica e commerciale di Mar-ita si è oggi stabilizzata con l’adozione di quattro macchine Yamaha (già Assembléon e prima ancora Philips).
Ormai quasi tutte le macchine sono in linea, dotate di centratura ottica e di programmazione off-line. La scelta tiene conto di caratteristiche che ne differenziano la tecnologia e la filosofia di conduzione:
  • mercato di riferimento;
  • utilizzo on-line o off-line;
  • tipi di feeder;
  • modi e tempi di set-up;
  • velocità di piazzamento e produttività.

Mercato di riferimento

Ogni azienda ha un proprio dna, una sua politica commerciale e una storia che la guidano nei cambiamenti.
Chi approccerà inizialmente la tecnologia SMT con molta probabilità opterà per una crescita prudente con una collocazione off-line, dove il requisito principale potrebbe non essere la velocità bensì il valore economico dell’investimento. Questo consente di impadronirsi della tecnologia, di produrre e acquisire clienti. Un approccio con un rischio economico relativamente limitato non preclude un eventuale crescita verso macchine più performanti; passaggio non obbligato qualora il mercato sia di nicchia, sia in termini di quantità che di semplicità dei prodotti (PCB monofaccia, bassa difficoltà di assemblaggio con chip fino a 0603 o 0402, SO o QFP). In questi casi macchine off-line, con caricatori meccanici e velocità di piazzamento di poche migliaia di componenti-ora potrebbero soddisfare egregiamente le necessità.
I mercati sono oggi estremamente variegati e per ognuno di essi cambiano le necessità, con esigenze anche diametralmente opposte tra loro: • campionature di bassa difficoltà (prodotti consumer);
  • campionature con alta difficoltà (prodotti professionali di alta gamma e industriali);
  • piccoli e medi lotti di schede completamente differenti tra loro;
  • piccoli e medi lotti di schede molto simili tra loro (per layout e componentistica); 
  • alti volumi con discreto mix produttivo;
  • alti volumi con basso mix produttivo.
A seconda di ognuna corrisponderanno delle caratteristiche più o meno marcate nella scelta della P&P, come riportato nella seguente matrice.

I feeder

Esistono fondamentalmente due famiglie di caricatori o feeder: quelli meccanici (con parti pneumatiche) e quelli elettronici detti anche intelligenti. Per i primi l’avanzamento del componente ad ogni presa avviene per l’appunto tramite un sistema di ingranaggi meccanici. La precisione di avanzamento è data perciò dall’insieme delle tolleranze del meccanismo.
I feeder elettronici dispongono di un’intelligenza locale che consente di poterli codificare, di essere riconosciuti dal corpo macchina una volta inseriti (presenza e posizione), di essere programmati (passo d’avanzamento e dati riguardanti i componenti caricati ecc.); dispongono inoltre del controllo del movimento di avanzamento, che risulta così estremamente preciso e che consente alla Pick & Place di trovare, in fase di presa, anche i componenti più piccoli.
I feeder sono posizionati in macchina in base a locazioni predefinite dal programma di assemblaggio, singolarmente o mediante trolley già configurati fuori linea.

 

macchine on-line

macchine off-line

 

Feeder meccanici

 

Feeder elettronici

set-up

velocità di piazzamento / produttività

campionature di bassa difficoltà

 

X

X

 

 

 

campionature con alta difficoltà

 

X

 

X

 

 

piccoli / medi lotti di schede completamente differenti tra loro

X

 

 

X

X

 

piccoli/ medi lotti di schede molto simili tra loro

X

 

X

X

X

 

alti volumi basso mix produzione

X

 

 

X

 

X

alti volumi basso alto mix produzione

X

 

 

X

X

X

In Mar-ita la sostituzione delle linee di montaggio con Pick & Place di ultima generazione è avvenuta per poter montare componenti fine-pitch e ultrafine-pitch, inclusi i chip 01005.
Le macchine preesistenti, nonostante fossero ancora perfettamente performanti, avevano si la possibilità di posizionare con precisione componenti di queste dimensioni, ma essendo dotate di caricatori di tipo meccanico mancavano della necessaria precisione di presa, generando di conseguenza uno scarto intollerabile con gli standard di efficienza e di qualità vigenti in azienda.
L’utilizzo di feeder intelligenti concorre nel determinare un altro fattore determinante per un numero sempre più alto di assemblatori, che è quello della velocità di set-up.
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Il set-up o allestimento di macchina

La fase di allestimento macchina riveste quasi sempre un’alta importanza in quanto determina la velocità di passaggio da un codice prodotto ad un altro, in altre parole quantifica il tempo in cui la macchina rimane ferma e non è produttiva.
Questi tempi morti concorrono nel conteggio dei costi nel breve periodo, allungando il ritorno dell’investimento: più la macchina rimane non produttiva più aumentano i costi e meno velocemente si ripaga.
Questo aspetto è quanto mai importante per chi opera in un mercato con frequenti cambi di produzione su base giornaliera; quanto prima si riesce a passare da una produzione all’altra, tanti più lotti si riescono a processare nel corso del turno di lavoro.
Per dei set-up rapidi, oltre ad una mirata organizzazione aziendale, occorre anche la Pick & Place pensata con idonee caratteristiche, tra tutte: rapidità nel passaggio da un lotto al successivo riattrezzando la macchina col cambio feeder, oppure avendo in macchina un alto numero di feeder che possano coprire il fabbisogno di più codici prodotto (o il più possibile), o caricando i feeder coi componenti maggiormente utilizzati per poi intervenire caricando i componenti richiesti per ultimare l’assemblaggio.
Va poi considerato il proliferare delle varianti dei componenti che, a parità di valore, hanno caratteristiche diverse: dalle case alla resistenza alla temperatura, dal voltaggio alla tolleranza ecc.
Capita ad esempio che un normalissimo condensatore da 100 nF, utilizzato in una moltitudine di schede, abbia oggi decine di varianti.

La difficoltà nella scelta tra più soluzioni

La soluzione di avere sempre caricati in macchina i codici di componenti di utilizzo comune è senza dubbio una bella idea: evitare di caricare e scaricare bobine di frequente utilizzo equivale indubbiamente ad un risparmio di tempo, soprattutto se i tempi di produzione dei lotti sono molto brevi (e con essi il tempo di lavoro effettivo della macchina).
I feeder elettronici dispongono di un’intelligenza locale che consente di poterli codificare, di essere riconosciuti dal corpo macchina una volta inseriti (presenza e posizione) e di essere programmati
È una scelta che però non ripaga tutti gli utilizzatori. È validissima per chi ha una produzione propria per cui può decidere, in fase progettuale, di condividere uno “zoccolo duro” di componenti; utilizzare una versione base di PCB che si differenzia nei vari codici in funzione dei componenti montati. Anche in questo caso fondamentale è avere piccoli lotti.
All’inizio del duemila Mar-ita provò a percorrere la strada del set-up “semi-fisso”, ma non fu una scelta vincente. A volte i componenti in macchina si trovavano posizionati nei punti più distanti rispetto alla posizione del PCB, perciò la testa doveva percorrere metri per prelevarli e depositarli, facendo crollare la produttività.
Lavorare con una macchina non ottimizzata che non garantisca gli spostamenti il più brevi possibili, significa ottenere un tempo ciclo lungo e quindi maggiori costi.
Mantenere un set up fisso per risparmiare pochi minuti nell’avviamento ha poco senso se poi li si perde con un tempo ciclo più lungo.
Il nuovo orientamento è stato verso set-up specifici per ogni lotto, organizzando i set-up sul modello dei pitstop delle gare di formula uno, con più operatori che caricavano e scaricavano i feeder in macchina, mentre altri preparavano la serigrafia e la linea.
Ma anche questa soluzione costringeva a un elevato impiego di risorse umane. La soluzione trolley fu la scelta più efficiente: preparazione del’intero set-up fuori linea e cambio rapido dei carrelli.
In assoluto la soluzione più efficace ed efficiente.
Un aiuto è arrivato dallo sviluppo dei software di ottimizzazione delle linee; non solo quelli dedicati alla produzione del singolo codice, ma anche quelli per pianificare produzioni nell’arco di giorni oppure di più articoli simili.
Questa soluzione, simile a quella abortita e legata all’esperienza MY12, è oggi molto efficiente, tanto più se relazionata alle ridotte dimensioni delle nuove macchine. Compatte e modulari, sfruttano teste multiple per percorrere tragitti sempre più brevi, inclusi quelli di riconoscimento ottico dei componenti.
Nel ciclo produttivo di Mar-ita le Pick & Place non sono macchine isolate, ma entrano a far parte del sistema 4.0 all’interno del quale dialogano con “la fabbrica”, comunicando dati di consumo componenti, dati di produzione e dati relativi alla tracciabilità pressoché in tempo reale, dando all’Ufficio Qualità la completa supervisione del processo produttivo.

Articolo scritto da Michele Mansi

PCB Magazine Maggio 2021

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