Migliorare l’efficienza con l’RCFA

PRODUZIONE –

Perché una scheda fallisce il test finale? È colpa della pasta saldante? Della serigrafica? Del sistema di assemblaggio? Del forno a rifusione? O nessuno di questi motivi?

I downtime sono un fattore di costo. Per minimizzare i tempi di fermo macchina è necessario avere informazioni chiare sull'esatta fonte del problema, e non solo sui sintomi.
Sono diversi i sistemi coinvolti nell'assemblaggio di una scheda: serigrafiche, convogliatori, pick & place, forni a rifusione, sistemi di ispezione ottica. Alcuni di questi sistemi sono in grado di effettuare un auto-controllo prima, durante o subito dopo il completamento dell'attività. Fino a questo momento esistevano pochi strumenti real-time per la fase di montaggio componenti. In molti casi, i movimenti ad alta velocità su queste macchine rendono molto difficile capire cosa sta succedendo davvero. Un errato posizionamento dei componenti può essere causato da diversi fattori: senza strumenti in grado di offrire una visione chiara dei processi ad alta velocità è difficile determinarne le cause.
L'RCFA (Root Cause Failure Analysis) è il processo attraverso il quale determinare la fonte di un problema. L'RCFA ha a che fare con l'accuratezza e l'efficienza. Una maggiore efficienza è uno dei pochi modi per competere con la manodopera a basso costo. I sistemi di pick & place, almeno sulla carta, a livello di specifiche si somigliano tutti, per questo è importante scegliere quali tra questi offrono strumenti per migliorare l'efficienza nel processo produttivo.

Strumenti per migliorare la produttività
Nel corso degli anni, i produttori hanno concepito diversi strumenti in grado di migliorare la produttività dei sistemi di montaggio. Vent'anni fa, le prime pick & place hanno introdotto un sistema rapido di cambio dei feeder trolley affinché l'operatore potesse passare da un prodotto a un altro in tempi rapidi. L'invenzione dei feeder intelligenti ha facilitato il set up dei trolley fuori linea, senza la necessità di un doppio controllo. Gli splicing feeder e i cambia-vassoi con la possibilità di essere riforniti senza la necessità di fermare la macchina sono stati un ulteriore passo avanti della tecnologia. Tutti questi strumenti sono stati concepiti per ottenere un miglioramento diretto nell'utilizzo dei sistemi, e sono ora comuni nell'industria elettronica. Altri strumenti quali l'auto-calibrazione possono definirsi indiretti: essi riducono il verificarsi di errori o il tempo necessario per la manutenzione, ma non impattano direttamente sulle modalità di utilizzo. Questi strumenti hanno in comune la caratteristica di migliorare l'efficienza del downtime, effettivo o presunto.

Tutto sull'RFCA
L'RCFA ha più a che fare con i downtime imprevisti, dovuti a cause sconosciute o inaspettate. Quando si verifica un fail, l'obiettivo è trovare il problema il più in fretta possibile e rimettere la macchina in produzione. Gli strumenti che si occupano di risolvere tali problemi si dividono in due categorie a seconda delle tempistiche: a seguito del verificarsi del problema e in real-time. I primi includono l'auto-diagnosi che può essere lanciata per verificare se un sistema sta lavorando correttamente. I secondi monitorano le performance del sistema in tempo reale per rilevare, ad esempio, la presenza di tombstoning o per ispezionare i nozzle, ma non offrono una panoramica su quale sia la causa del problema: rilevano solamente che un problema c'è.
Sono pochi i sistemi in grado sia di monitorare le performance della macchina in tempo reale sia di fornire informazioni utili sulla causa del problema. I downtime imprevisti possono essere drasticamente ridotti con l'utilizzo di strumenti di RCFA. La possibilità di conoscere esattamente la causa di un problema permetterà all'operatore di focalizzare i propri sforzi su un target chiaro, piuttosto che avere semplicemente una lista dei possibili problemi, e di migliorare quindi sensibilmente il risultato produttivo finale.

Problemi di miglioramento
Uno degli errori più frequenti in fase di montaggio è il posizionamento scorretto dei componenti o la loro assenza.
Ci sono due tipi di sistemi, all'interno di una linea di produzione, con funzione di prevenzione dei difetti: software installati all'interno di un sistema capaci di auto-diagnosi, e macchinari stand-alone che si occupano specificamente del controllo dei difetti. Un esempio del primo tipo è un software di ispezione post-serigrafia all'interno di una serigrafica. Tale software ricerca i difetti dopo che la serigrafica ha completato il suo ciclo di lavoro, non è in grado di rilevare il perché non c'è abbastanza pasta saldante in certe zone della scheda, ma ne rileva semplicemente l'insufficienza. Sarebbe molto più utile capire il perché: potrebbe essere dovuto ad un'ostruzione delle aperture dello stencil, alla pasta saldante troppo asciutta, alla pressione della racla o altro ancora. Allo stesso modo, la maggior parte delle pick & place è dotata di strumenti di prevenzione dei difetti, ma raramente tali strumenti sono in grado di offrire uno sguardo all'interno per capire innanzitutto perché un errore si è verificato.
Per fare un esempio pratico, i sensori di vuoto sono comunemente usati per verificare se un componente cade dal nozzle o se non viene rilasciato sulla scheda. Un sistema laser può controllare il verificarsi di episodi di tombstoning, di caduta dei componenti, e a volte perfino di componenti errati o danneggiati. La maggior parte delle volte, però, rimangono delle incognite: se il sensore di vuoto ha riportato un errore, perché è successo? Sappiamo che il livello di vuoto necessario non è stato raggiunto. E' dovuto ad un componente non allineato con la posizione di presa? C'è un problema con il sistema di creazione vuoto? Il nozzle è danneggiato? Il feeder forse non fornisce i componenti correttamente? Oppure il componente era assente al momento del prelievo? Tutte queste possibilità devono essere valutate, ma questo richiede tempo.

Osservazioni accurate
Un esempio di macchinario specificamente utilizzato per la ricerca dei difetti sono i sistemi di ispezione ottica post-serigrafia o post-saldatura. Tali sistemi rilevano l'assenza di componenti o il loro mal posizionamento, la qualità dei giunti di saldatura e così via.
I sistemi AOI offrono un'ottima valutazione della qualità finale della scheda, ma anch'essi hanno dei limiti.
Come i sistemi succitati, anche l'AOI non possono rilevare perché un componente manca o è stato posizionato erroneamente, possono solo mostrare un'immagine del difetto. Ma perché il difetto si è verificato? Forse il feeder è stato caricato in modo non corretto? Il programma di produzione è stato forse inserito erroneamente? Il componente era orientato correttamente all'interno del vassoio o del nastro? Le immagini registrate dall'AOI o dall'SPI mostrano i risultati, non il processo. Inoltre, spesso c'è un solo sistema di ispezione ottica in un'intera linea, di conseguenza quando un componente manca, spesso l'operatore non sa nemmeno quale delle pick & place in linea ha posizionato tale componente.

Quando manca il componente
L'unica possibilità di migliorare l'efficacia del troubleshooting relativamente ad un componente mancante o mal posizionato è avere immagini in tempo reale di quello che accade durante la fase di montaggio. Concentrandosi specificamente sulla fase di pick & place, è possibile elencare diverse ragioni per le quali può verificarsi un errato posizionamento:
-    Nozzle danneggiato
-    Mal funzionamento del feeder
-    Componente orientato in modo errato sul feeder
-    Teaching errato della posizione di presa
-    Inserimento di dati errati circa il componente
-    Supporto scheda errato
-    Componente che rimane attaccato al nozzle

A causa dell'elevata velocità dei moderni sistemi di posizionamento è estremamente difficile per un operatore capire quale delle ragioni sopra elencate causa il problema, e quindi la ricerca passa attraverso un analisi di una lista di fattori. Durante tutto il processo, l'operatore ignora la causa scatenante del problema. Al termine del processo, se il problema non è stato rilevato, l'operatore può solo fare delle ipotesi e utilizzare la propria esperienza personale. Il processo risulta quindi impreciso e inefficiente.
Durante tutta la fase di troubleshooting, la macchina è bloccata e la linea è ferma. Il tempo impiegato per localizzare precisamente la fonte del problema può essere ridotto drasticamente attraverso l'RCFA. Un esempio è l'utilizzo di immagini acquisite durante la fase di montaggio, che mostrino istantaneamente cosa è successo e da dove ha origine il problema. Questo è possibile utilizzando micro-camere integrate nella testa della pick & place unitamente ad un sofisticato sistema di analisi delle immagini. Oltre all'analisi visiva a cura dell'operatore il software può offrire avvisi automatici in caso di errore ed effettuare in autonomia una verifica della fonte del problema. Grazie all'uso di micro-camere che catturano le immagini del processo, l'operatore può verificare quanto riportato nella tabella seguente. Benché alcune delle domande qui sotto riportate siano un risultato e non una causa, esse aiutano comunque a ridurre i tempi di diagnosi della sorgente del problema. Nel tempo impiegato a visionare alcune immagini, l'operatore è in grado di verificare tutti i punti sopra elencati. Un'immagine ha più valore di tante supposizioni. La tabella riportata di seguito mostra il processo di isolamento del problema causato da un componente mancante utilizzando in un caso l'RCFA con l'ausilio di telecamere e nell'altro con la ricerca “manuale” delle cause.

Telecamere in evoluzione
Se da un lato l'RCFA non è necessariamente un concetto nuovo, le recenti innovazioni tecnologiche l'hanno reso può efficace e abbordabile. L'uso di telecamere digitali è esploso negli ultimi anni. La tecnologia applicata ai cellulari ha portato la costante miniaturizzazione delle telecamere al punto tale che è ora possibile integrarle in spazi molti piccoli, quali ad esempio la testa dei sistemi pick & place.
Le telecamere sono ora comunemente impiegate in situazioni dove non è possibile per un essere umano controllare qualcosa al 100% del tempo. Sono da tempo passati i giorni in cui le pick & place si muovevano così lentamente da permettere ad un occhio umano di osservare il processo. I sistemi attuali inoltre si muovono su uno spazio maggiore, rendendo impossibile per una telecamera singola osservare l'azione in corso. E' necessario disporre di piccole telecamere ad alta velocità che devono essere in grado di muoversi insieme alla testa di posizionamento quando i componenti vengono prelevati da una parte e posizionati in un'altra.
L'osservazione mediante occhio umano risulterebbe estremamente difficile a causa della velocità e del design di molte pick & place. Un componente potrebbe saltar via dopo il posizionamento, ma succede perché la parte è rimasta temporaneamente attaccata al nozzle? O c'è stata eccessiva forza nel posizionamento? Poter disporre di fermo-immagini consente di vedere ciò che altrimenti non sarebbe possibile vedere. La dimensione, il field of view e la risoluzione sono tutti aspetti critici per le telecamere, che devono essere sufficientemente piccole per essere alloggiate all'interno della testa senza aggiungere extra peso che potrebbe impattare sui risultati o il design della testa di posizionamento.
Il field of view deve essere ampio abbastanza da catturare il componente nel feeder e il componente nella posizione successiva alla presa. Allo stesso tempo, la risoluzione dovrà essere abbastanza elevata per consentire al software che processa le immagini di rilevare accuratamente anche le minime differenze necessarie ad un'analisi accurata.
Se da una lato le immagini sono strumenti chiave per rilevare la root cause, il software è altrettanto importante per avvisare l'operatore in caso di errore e di garantire un'analisi che non è possibile manualmente. I nuovi software analizzano ogni singola immagine per rilevare se il componente non viene prelevato, o non viene posizionato, e calcola la percentuale di imbarcamento durante il posizionamento. Comunicando con la pick & place,il software può mostrare anche trend come l'identificazione dei feeder, dei nozzle, o dei siti di posizionamento che risentono dei maggiori problemi. Se nel caso dei feeder questa identificazione è abbastanza semplice, così non è per i nozzle e per gli errori di posizionamento.

Il supporto del software
È importante che il software della telecamera sia accuratamente sincronizzato con i movimenti della pick & place. Le immagini devono essere catturate ad alta velocità e in momenti specifici del processo: quando il nozzle si abbassa per prelevare il componente, quando la testa si abbassa per posizionare la parte, e così via. Nuovi strumenti vengono inventati giorno dopo giorno per “facilitare la vita” in un ambiente produttivo, il che si traduce in “rendere il processo più efficiente”. In questo modo, l'operatore può trovare rapidamente la fonte del problema in modo che esso possa essere risolto in fretta e correttamente da subito.
Le scatole nere degli aerei e i registratori in cabina di pilotaggio consentono l'analisi dell'incidente avvenuto anche quando non ci sono testimoni. Ora anche alcune automobili hanno qualcosa di simile. Immaginiamo che ogni aeroplano o automobile abbia una telecamera in grado di mostrare l'interno per l'analisi dell'incidente: sarebbe certamente molto più efficace che una semplice registrazione vocale.
Strumenti similari sono ora disponibili sulle pick & place tecnologicamente più avanzate: una facile comprensione delle fonti del problema porta ad una più rapida ed efficace risoluzione.

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