Linia do prototypów elektroniki - czy opłaca się w nią inwestować?
W procesie opracowywania urządzeń elektronicznych prototyp ma znaczenie fundamentalne - wyniki testów wykonanych na prototypie przesądzają bowiem o kolejnych krokach, podejmowanych przez przedsiębiorstwo. Z tego też względu możliwość szybkiego wytworzenia serii egzemplarzy testowych determinuje szanse firmy na utrzymanie pożądanego tempa rozwoju. Czy opłaca się zlecić całość prac wyspecjalizowanemu partnerowi EMS? A może lepiej byłoby zainwestować w linię do produkcji prototypów?
Rola procesu prototypowania w cyklu rozwoju produktu
Najistotniejsze zadanie prototypów – przynajmniej w zdecydowanej większości przypadków – to walidacja koncepcji projektowej oraz weryfikacja zastosowanych rozwiązań technicznych. Intensywne testy są ukierunkowane zarówno na wykrycie potencjalnych błędów (sprzętowych lub programowych), jak i problemów natury użytkowej. W przypadku urządzeń, które mają trafić do szerokiego grona odbiorców, niezbędne jest sprawdzenie doświadczeń użytkownika na reprezentatywnej grupie testerów. Zebranie informacji, pozyskanych dzięki prototypowi, pozwala znacząco zredukować ryzyko problemów, które – wykryte dopiero po wdrożeniu produktu – byłyby niemożliwe do usunięcia albo ich naprawa okazałaby się niezwykle kosztowna. Praktyka pokazuje, że błędy, pozostawione w wyniku nie dość rzetelnego przeprowadzenia testów przedwdrożeniowych, często okazują się katastrofalne w skutkach zarówno dla kondycji finansowej przedsiębiorstwa, jak i jego reputacji w oczach użytkowników, inwestorów oraz partnerów biznesowych.
EMS – rozwiązanie najprostsze, ale czy zawsze najlepsze?
Jedną z opcji, wykorzystywanych przez niektóre firmy projektujące elektronikę, jest zlecenie produkcji kontraktowej firmie z branży EMS. Takie rozwiązanie ma oczywiście szereg zalet – wystarczy bowiem przekazać kompletną dokumentację (projekt PCB, listę materiałową BOM, projekt stosu warstw, etc.), a po pewnym czasie otrzymujemy gotowe, zmontowane i wstępnie przetestowane egzemplarze urządzenia. W przypadku produkcji masowej na poziomie tysięcy sztuk, opartej na dokładnie zwalidowanym projekcie, ta ścieżka istotnie może okazać się najbardziej opłacalna i… najwygodniejsza.
Nie należy jednak zapominać, że uruchomienie produkcji kontraktowej zawsze wiąże się z szeregiem kosztów wstępnych – przygotowaniem programów sterujących dla maszyn pick&place, kompletowaniem zapasu komponentów, czy wreszcie – obsługą logistyczną całego przedsięwzięcia. Zlecający nie ma jednak dokładniejszego wglądu w postęp procesu, najczęściej nie może także w dynamiczny sposób dokonywać drobnych korekt, np. zmienić wartości lub typu komponentu, jeżeli z jakichś przyczyn zajdzie taka potrzeba. Obrazowo można więc powiedzieć, że raz uruchomiona „machina” produkcyjna EMS ma sporą bezwładność - rozwiązanie to zdecydowanie nie nadaje się więc do zastosowania w przypadku intensywnie rozwijanych produktów, w fazie przed osiągnięciem dojrzałości technologicznej - niezbędnej do wdrożenia do produkcji masowej.
Jakie zalety ma produkcja elektroniki we własnym zakresie?
Przedsiębiorcy świadomi wszystkich wymienionych powyżej problemów korzystają coraz częściej z diametralnie innej ścieżki. Zamiast zlecać produkcję prototypów zewnętrznym podmiotom, decydują się bowiem na inwestycję we własną linię produkcyjną, rzecz jasna w odpowiednio pomniejszonej skali. Takie rozwiązanie ma szereg bardzo istotnych zalet.
Doskonała dynamika pracy
Możliwość szybkiego uruchomienia produkcji prototypu (zarówno pojedynczego, jak i krótkiej serii urządzeń) oraz przerwania lub zmodyfikowania procesu w dowolnym momencie, daje niezwykłą elastyczność decyzyjną i pozwala sprawnie reagować na modyfikacje projektu, wynikające np. z prowadzonych równolegle testów wcześniejszej wersji urządzenia czy też gwałtownych zmian stanów magazynowych komponentów. Ta zaleta ma szczególne znaczenie dla biur projektowych oraz przedsiębiorstw prowadzących intensywne prace R&D, gdyż właśnie w takich firmach liczba prowadzonych projektów oraz implementowanych modyfikacji jest szczególnie duża – mając do dyspozycji kompletną linię produkcyjną, przedsiębiorcy mogą uruchomić montaż w ciągu zaledwie kilku godzin, co jest całkowicie nieosiągalne w przypadku wykorzystania zewnętrznego parku maszynowego.
Pełne bezpieczeństwo IP
Produkcja we własnym zakresie umożliwia zredukowanie (praktycznie do zera) ryzyka wycieku informacji wrażliwych, co ma pierwszorzędne znaczenie zarówno w przypadku projektów innowacyjnych we wczesnej fazie rozwoju, jak i w branżach, w których wymóg zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa informacji jest wpisany w charakter prowadzonej działalności (np. projektowanie aparatury militarnej).
Elastyczność w zakresie optymalizacji DFM
Możliwość obserwowania całości procesu montażu urządzenia daje konstruktorom niebywale dokładny wgląd w specyfikę danego projektu i pozwala na wprowadzenie niezbędnych poprawek, ułatwiających montaż, zmniejszających ryzyko błędów produkcyjnych, a nawet redukujących koszty produkcji masowej. W połączeniu z wykorzystaniem odpowiedniego sprzętu inspekcyjnego – np. mikroskopu stereoskopowego czy też nowoczesnego mikroskopu cyfrowego – możliwe jest natychmiastowe wykrycie problemów, związanych np. z termiczną asymetrią padów (prowadzącą do efektu nagrobkowania), czy też niewłaściwym wyprowadzeniem ścieżek, powodującym niekontrolowany obrót małych elementów elektronicznych w czasie lutowania rozpływowego.
Wysoka jakość prototypów
Wraz z miniaturyzacją komponentów elektronicznych (zwłaszcza układów scalonych) stopniowo „topnieje” procent elementów, które mogą być efektywnie montowane w sposób manualny. Dotyczy to szczególnie układów bez wyprowadzeń, tj. wytwarzanych w obudowach DFN, QFN, CSP czy też BGA. Zastosowanie wysokiej klasy pieca lutowniczego oraz automatu PnP daje możliwość uzyskania doskonałej jakości i powtarzalności montażu, wielokrotnie redukując przy tym czas produkcji płytek, zwłaszcza w przypadku krótkich i średnich serii.
Bezkosztowa konwersja do produkcji mało- i średnioseryjnej
Przejście z fazy prototypu do produkcji seryjnej wiąże się najczęściej z koniecznością nawiązania pracy z firmą EMS oraz poniesienia wspomnianych wcześniej kosztów uruchomienia produkcji. W przypadku mniejszych firm (w tym startupów) koszty te mogą być jedną z barier wejścia na rynek. Zastosowanie własnej linii produkcyjnej pozwala „bezboleśnie” przejść ten etap poprzez płynne zwiększanie liczby produkowanych egzemplarzy urządzenia – zamiast zamawiać od razu partię 100 czy też 1000 sztuk, firma posiadająca odpowiednie zaplecze może pozwolić sobie na stopniowe skalowanie mocy przerobowej w miarę rosnących potrzeb rynkowych, np. w partiach po kilka czy kilkanaście egzemplarzy urządzenia.
Jak wygląda mała linia do produkcji prototypów elektroniki?
Warto zwrócić uwagę na dwa główne czynniki, które mogą zniechęcać potencjalnych użytkowników do zakupu linii produkcyjnej. Po pierwsze – samo hasło „linia produkcyjna” kojarzy się zwykle z ciągami sporych maszyn przemysłowych o łącznej długości rzędu kilkunastu metrów – wszak właśnie tak wyglądają linie montażowe w dużych przedsiębiorstwach produkujących elektronikę. Drugim czynnikiem „odstraszającym” jest oczywiście cena – wielostrefowe piece rozpływowe, automatyczne drukarki pasty lutowniczej czy wreszcie automaty pick&place o dużej wydajności są przeważnie dość kosztowne, stąd ich zakup zwraca się tylko w przypadku masowej produkcji, prowadzonej przeważnie w sposób ciągły.
Rozwiązaniem, które całkowicie zrywa z klasycznym modelem pełnowymiarowej linii produkcyjnej, jest zastosowanie maszyn opracowanych właśnie z myślą o potrzebach prototypowni, działów R&D oraz biur projektowych. Marka NeoDen, której oficjalnym przedstawicielem jest firma Renex, opracowała bowiem serię kompaktowych, prostych w obsłudze urządzeń, umożliwiających efektywne prowadzenie produkcji i to już od pojedynczych egzemplarzy urządzenia. Trzon oferty stanowi sprzęt, realizujący trzy główne etapy produkcji:
- nanoszenie pasty lutowniczej na pady PCB,
- automatyczne układanie elementów,
- lutowanie rozpływowe z cyfrowo kontrolowanym profilem termicznym.
Jaką drukarkę szablonową warto kupić?
Kompaktowa i prosta w obsłudze drukarka manualna NeoDen FP2636 umożliwia dokładne i powtarzalne nanoszenie pasty lutowniczej na pady elementów SMD z użyciem szablonów o wymiarach 260x360 mm, przy czym minimalne wymiary PCB to zalewie 10x5 mm, zaś maksymalne – 250x350 mm. System precyzyjnych pokręteł regulacyjnych pozwala na dopasowanie kąta rotacji w zakresie +/-15o oraz przesunięcia w trzech osiach (X, Y, Z) w zakresach +/-15 mm. Raz ustawiona drukarka może być wykorzystana do produkcji serii płytek – cały proces sprowadza się bowiem do umieszczenia płytki w znajdujących się w zestawie uchwytach oraz nałożenia pasty lutowniczej za pomocą rakli.
Drukarka współpracuje z szablonami niewyposażonymi w ramę, co pozwala znacząco obniżyć koszty prototypowania, zwłaszcza w przypadku wielu iteracji. Co ważne, urządzenie ma bardzo kompaktowe wymiary – głębokość równa 660 mm oraz szerokość na poziomie 470 mm pozwalają na umieszczenie drukarki na standardowym stanowisku montażowym o głębokości blatu 750 mm – pozostawiając przy tym znaczną część powierzchni stołu do wykorzystania w innych celach.
Automat montażowy NeoDen4 – jak przyspieszyć montaż płytek drukowanych?
Marka NeoDen od początku swojego istnienia opracowała dziewięć zróżnicowanych modeli automatów pick&place, których zakres zastosowań rozciąga się od montażu pojedynczych egzemplarzy płytek drukowanych, aż po seryjną produkcję z wydajnością dochodzącą do 16 tysięcy komponentów na godzinę. W segmencie prototypów oraz produkcji małoseryjnej topowym rozwiązaniem marki NeoDen jest czterogłowicowy automat NeoDen4. Maszyna posiada wbudowany system wizyjny, wyposażony w dwie kamery wraz z oświetlaczami bezcieniowymi – jedna z nich umożliwia rozpoznawanie fiduciali na PCB, druga zaś odpowiada za automatyczną korekcję położenia elementów, pobranych z magazynu. W przypadku zastosowania podajników dla taśm 8-milimetrowych (stosowanych np. do elementów 0201, 0402 czy 0603), jednocześnie można załadować nawet 48 rolek – oprócz nich, maszyna obsługuje także komponenty pakowane w laskach (do tego celu służy 5 wbudowanych podajników wibracyjnych) oraz umieszczone na tackach. Minimalny rozmiar komponentów to 0201, zaś maksymalny – 35x35 mm (co odpowiada obudowie TQFP240).
Oprócz wersji podstawowej, producent oferuje także model maszyny, wyposażony w automatyczny przenośnik (NeoDen4C), co pozwala na sprzężenie urządzenia z piecem rozpływowym NeoDen IN6 oraz oferowanymi przez markę przenośnikami. W połączeniu z wydajnością nawet do 10 000 cph (bez wizji) lub 5 000 cph (z włączonym systemem wizyjnym) oraz przy niewielkich rozmiarach całości, wynoszących 870x680x480 mm, urządzenie daje niespotykaną dotąd moc przerobową w zaskakująco kompaktowej formie, co ma znaczenie szczególnie w przypadku niewielkich biur projektowych oraz prototypowni.
Piec rozpływowy NeoDen IN6 – najlepszy piec reflow do prototypów?
Ostatnim elementem linii produkcyjnej, oferowanej przez markę NeoDen, jest piec rozpływowy o oznaczeniu NeoDen IN6. Kompaktowa konstrukcja o długości zaledwie 1020 mm bazuje na zintegrowanym przenośniku, automatycznie przesuwającym płytkę przez trzy strefy o niezależnym sterowaniu górnych i dolnych elementów grzewczych. Dodatkowa, czwarta strefa, odpowiada natomiast za chłodzenie płytki za pomocą nawiewu powietrza z użyciem wydajnych wentylatorów. Piec IN6 może pracować z temperaturami dochodzącymi do 300 oC, co pozwala na zastosowanie zarówno w procesach opartych na spoiwach ołowiowych, jak i pastach bezołowiowych (np. SAC305), których użycie jest narzucone przez obowiązującą dyrektywę RoHS. Szerokość procesowa wynosi 260 mm, zaś długość elementów jest praktycznie nieograniczona, właśnie za sprawą konstrukcji przenośnikowej – z tego też względu, maszyna doskonale sprawdza się nawet w montażu długich pasków LED.
Niezwykle ważną zaletą pieca rozpływowego NeoDen IN6 jest niewielki pobór mocy, nie przekraczający 2000 W, co przy zasilaniu jednofazowym napięciem 230 V umożliwia pracę w standardowych pomieszczeniach biurowych, niewyposażonych w przyłącze sieci trójfazowej.
Podsumowanie - czy opłaca się inwestować w linię do produkcji prototypów?
Oferta marki NeoDen idealnie wpisuje się w potrzeby nowoczesnych przedsiębiorstw, instytucji badawczo-rozwojowych, a także biur projektowych i prototypowni. Kompaktowe, proste w obsłudze urządzenia umożliwiają efektywny montaż pojedynczych prototypów, a także małych oraz średnich serii - i to zarówno na potrzeby testów użyteczności, jak i produkcji wyrobów końcowych, wprowadzanych na rynek własnym sumptem.
>Inwestycja w linię do produkcji małoseryjnej zwraca się zarówno poprzez oszczędność czasu, jak i środków finansowych. Jedną z największych zalet takiego rozwiązania jest pełna elastyczność operacyjna, połączona z wysoką jakością wytwarzania PCBA, nie ustępującą pod żadnym względem jakości, spodziewanej w przypadku produkcji za pomocą pełnowymiarowego parku maszynowego. Oszczędność powierzchni, osiągana dzięki zastosowaniu niewielkiego automatu pick&place oraz pieca rozpływowego NeoDen IN6, umożliwia natomiast instalację w standardowej przestrzeni biurowej, dosłownie obok stanowiska roboczego. W ten sposób firmy z branży hardware zyskują niespotykane wcześniej możliwości rozwoju i niebywale podnoszą skalowalność przedsięwzięcia, co w dłuższej perspektywie może przesądzić o znacznie lepszych wynikach finansowych.
Uwzględnienie dodatkowych aspektów, związanych z prowadzeniem produkcji w modelu in-house manufacturing – w tym lepszej ochrony IP innowacyjnych technologii na wczesnych etapach rozwoju – pozwala zrozumieć, dlaczego budowa własnej linii do produkcji prototypów stanie się niedługo branżowym standardem.
Warto dodać, że oferowane przez Renex urządzenia marki NeoDen objęte są opieką naszego wielokrotnie nagradzanego serwisu, zaś wykwalifikowani doradcy techniczno-handlowi służą wsparciem w doborze odpowiednich modeli urządzeń oraz niezbędnego wyposażenia dodatkowego.