VarioPlace: Industriemaschinen zu einem bezahlbaren Preis bauen
Mit Kickstarter und anderen Crowdfunding-Plattformen ist unter Bastlern eine neue Gründerzeit angebrochen: Vom Projekt im Bastelkeller zum Weltmarktprodukt scheint es nur ein kleiner Schritt zu sein. Doch in der Praxis scheitert es dann an der Umsetzung des eigenen Prototyps in ein in Serie produzierbares Design. Constanze Pöschk, Jörn Katzorke und Mirko Ehlert, die Macher von Varioplace(öffnet im neuen Fenster) , standen vor der Herausforderung, einen serienreifen Prototyp einer preiswerten Bestückungsmaschine herzustellen. Golem.de hat mit ihnen gesprochen.
Eine Bestückungsmaschine (im Englischen: Pick 'n' Place Machine) dient dazu, SMD-Bauteile auf einer vorbereiteten Platine aufzusetzen, damit sie im nächsten Schritt in einem entsprechenden Ofen "gebacken", das heißt die Bauteile verlötet werden können.
Ein Thema auch für Hobbybastler
Ursprünglich dienten diese Maschinen allein der Automatisierung des Produktionsprozesses bei großen Stückzahlen. Doch Mirko Ehlert von Varioplace sagt, diese Maschinen seien mittlerweile selbst bei kleinen Stückzahlen unabdingbar. SMD-Bauteile würden immer kleiner und könnten kaum noch per Hand platziert werden. Das wird für engagierte, semiprofessionelle Hobbybastler und Produzenten von Kleinserien zunehmend zum Problem werden.
Doch das war nicht die einzige Motivation für Pöschk, Ehlert und Katzorke als Hobbyprojekt eine typische Industriemaschine wie diese Bestückungsmaschine zu konstruieren, zu bauen und zu programmieren.
Katzorke arbeitete bereits während seiner Studienzeit in einer kleinen Elektronikfirma, in der er immer wieder kleinere Serien bestücken musste. Ihr Dienstleister lag zwar nur wenige Kilometer entfernt, trotzdem mussten sie immer wieder Wochen bis zur Fertigstellung warten. Denn Kleinserien sind für diese Dienstleister wenig lukrativ und daher werden größeren Aufträgen meisten hinten angestellt. Außerdem gibt es immer wieder Probleme durch Fehlbestückungen und Missverständnisse bei neuen Produkten.
Eine eigene Bestückungsmaschine erscheint da sinnvoll; nur liegt der Preis für eine hochwertige Maschine, die mit verschiedenen Größen und Arten von Bauteilen zurechtkommen kann, schnell im fünfstelligen Bereich und benötigt recht viel Platz. Inspiriert vom Erfolg bezahlbarer 3D-Drucker kam Katzorke auf die Idee, eine Bestückungsmaschine zu bauen, die einerseits auf einen Schreibtisch passt, andererseits aber auch bezahlbar ist - ohne dabei qualitative Kompromisse einzugehen - und die auch Bauteile ab einer Größe von 1,0 mal 0,5 Millimeter (entspricht SMD-Gehäusegröße 0402(öffnet im neuen Fenster) ) verarbeiten kann. Ihr Ziel ist es, die Maschine später für unter 2.000 Euro anzubieten.
Wie eine Bestückungsmaschine funktioniert
Eine Bestückungsmaschine sei eigentlich sehr einfach aufgebaut, meint Ehlert: Die mit Lötpaste versehene Platine wird mit Hilfe eines Rahmens in der Maschine eingespannt. Durch ein Computerprogramm wird dann ein Kopf mit einer Ansaugdüse gesteuert. Die Ansaugdüse (Nozzle) saugt das Bauelement in seiner Verpackung an, der Kopf bewegt sich mit dem angesaugten Bauteil zur entsprechenden Position auf der Platine und stoppt den Ansaugvorgang, das Bauteil fällt quasi auf die Lötstelle. Dann geht es mit dem nächsten Bauteil weiter. Im Wesentlichen funktioniert eine Bestückungsmaschine also wie ein Plotter.
Die Schwierigkeit liegt nun im Detail: Die Ansaugdüse muss mit der Größe des Bauteils korrespondieren. Für die vollständige Bestückung mit unterschiedlichen Bauteilgrößen sind also verschiedene Düsen notwendig. Und die Platzierung des Bauteils auf der Platine muss mit großer Genauigkeit erfolgen, je kleiner die Baugrößen der Bauteile werden, desto geringer werden die Platzierungstoleranzen.
Die Ansaugkraft wird kaum variiert bei unterschiedlich großen Bauteilen. Der eigentliche Grund für die unterschiedlichen Düsen liegt in der Stabilität beim Transport der Bauteile. Wenn ein großer Chip mit einer Düse mit zu kleinem Durchmesser angesaugt wird, kann es während der Fahrt des Kopfes zum Abkippen des Chips kommen. Denn die Auflagefläche ist dann zu gering, es fehlt an mechanischer Stabilität.
Der Wechsel der Düsen, auch als Werkzeugwechsel bezeichnet, kann natürlich per Hand erfolgen. Ein automatisierter Betrieb ist dann allerdings nicht mehr möglich. Deswegen ist eine Funktion zum automatischen Wechsel der Düse unabdingbar und wurde bei der Entwicklung von Varioplace bereits vorgesehen.
Kleine Bauteile erfordern hohe Genauigkeit
Kleine Bauteilgrößen werden ad absurdum geführt, wenn die dazugehörigen Lötpads auf der Platine nicht auch kleiner werden. Lötpads sind die sichtbaren Kupferflächen auf der Platine, auf welche die Bauelemente aufgelötet werden. Sie können bei modernen Platinen weniger als einen Millimeter groß sein.
Wenn nun die Maschine bei der Platzierung nicht genau genug ist und die Lötfläche der Bauelemente nicht korrekt übereinstimmt mit den Lötpads auf der Platine, führt das zu Lötfehlern. Manchmal können diese später noch mit ruhiger Hand und einem Lötkolben repariert werden, doch im schlimmsten Fall ist die komplette Schaltung nicht mehr brauchbar.
Ungenaue Positionierungen können aus mehreren Gründen entstehen und müssen auf verschiedenen Wegen unterbunden beziehungsweise korrigiert werden.
Einer ungenauen Ansteuerung, weil die mechanischen Bestandteile der Maschine zu viel Spiel haben müssen, lässt sich durch hochwertige Bestandteile mit geringen Fertigungstoleranzen entgegenwirken.
Obwohl die Platine in einem Rahmen eingespannt wird, kann es immer zu einem leichten Verdrehen der Platine kommen. Insbesondere gilt dies bei runden oder asymmetrisch geformten Platinen. Diese Verdrehungen sind mit dem blossen Auge nicht immer zu erkennen. Bei der Varioplace soll eine Kamera mit einer Mustererkennung dafür sorgen, dies zu erkennen und die Steuerbefehle entsprechend anzupassen.
Ein weiteres Problem fanden die Macher in der praktischen Erprobung: die Bewegungen des Werkzeugkopfes versetzten die gesamte Konstruktion immer wieder in Bewegung - auch dieses Rütteln führte dazu, dass Bauelemente verrutschten. In großen Maschinen tritt dieses Problem nicht auf, ihre schiere Massigkeit unterbinde solche Eigenbewegungen, so Ehlert. Doch für ein schreibtischtaugliches Gerät ist Masse keine Lösung. Sie fanden eine andere: Sie setzten die Fahrgeschwindigkeit herunter. Dadurch ist die Maschine zwar langsamer, bei Prototypen und Kleinserien soll die geringere Geschwindigkeit keine Rolle spielen, da die maschinelle Bestückung immer noch wesentlich schneller und genauer als von Hand erfolgt. Schließlich erfolgt die Bestückung vor Ort und erfordert keine (schlechter planbare) Warte- und Versandzeit wie bei einem Dienstleister.
Den Preis drücken, nicht die Qualität
Die Varioplace soll eine bezahlbare Maschine für Kleinserien werden, ohne Abstriche bei der Qualität und bei nur geringen Einschränkungen, welche Bauteile bestückt werden können. Da stellt sich die Frage, wie die Macher dies erreichen wollen.
Der grundlegende Ansatz ist das Ikea-Prinzip: Der Käufer erhält einen Bausatz, den er selbst zusammenbauen muss. Das verringert für die Macher nicht nur den Arbeitsaufwand, sondern vereinfacht auch die Logistik. Das hat aber auch Einfluss auf das Design. Im Idealfall soll ein Satz Inbusschlüssel für den Aufbau ausreichen, Spezialwerkzeuge sollen nicht notwendig sein. Nach Aussage der Varioplace-Macher haben sie dieses Ziel bereits erreicht.
Der zweite Grund für den geringeren Preis ist der Verzicht auf spezielle Elektronik- und Rechentechnik. Die notwendige Steuerung und Programmierung der Maschine erfordert keinen speziellen PC und auch keine teuren Softwarelizenzen. Denn auch die Software stammt von den Machern selbst. Und aus ihrer Sicht ist die Eigenentwicklung der Steuerungssoftware zwar eine zeitintensive Vorarbeit, sie erfordert aber keine direkte finanzielle Vorleistung wie die Bestellung von Bauteilen und ermöglicht den Machern eine direkte Anpassung an die Maschine.
Am wichtigsten soll aber die durchgehende Verwendung von Standardteilen sein, die bereits massenproduziert werden. Für Ehlert lag darin sogar das Ziel: " Denn sich mit der CNC-Fräse die perfekten Teile zurecht zu spanen, kann eigentlich jeder. Die Herausforderung liegt darin, einfache Lösungen aus vorhandenen Teilen zu finden, die auch wirtschaftlich produziert werden können. " Auch 3D-Drucker für zu Hause können zwar den Entwurf eines Prototyps durch die Herstellung von Spezialteilen vereinfachen. Aber Ehlert ergänzt, dass in einer Serienproduktion die Kosten für solche Teile meist schwerer zu kalkulieren sind und höhere Investitionskosten erfordern. Ohne Sonderanfertigungen kamen Pöschk, Katzorke und Ehlert allerdings bislang nicht aus, insbesondere da, wo spezielle Anforderungen an die Fertigungspräzision bestanden - und fertige Teile tatsächlich nur teuer einzukaufen sind. Sie versuchen, die Anzahl aber trotzdem weiter zu drücken.
Kalkulation ist mehr als 1 + 1
Doch auch Standardteile können teuer werden, wenn viele verschiedene davon zum Einsatz kommen.
Den Blick dafür hat Pöschk: Auf Basis der Bauteil- und Stückliste berechnet sie die Beschaffungskosten für die Maschine. Dabei gilt es nicht nur, die Kosten für eine einzelne Maschine im Blick zu behalten, sondern auch zu berücksichtigen, wie sich abgestufte Mengenrabatte für Bauteile auf die Preiskalkulation auswirken.
Mengenrabatte ergeben sich aber nicht nur durch den Einkauf von Bauteilen für 100 Maschinen statt 10, sondern auch durch die Verwendung von einheitlichen Bauteilen bei einer Maschine. Deutlich werde das zum Beispiel bei Schrauben, sagt Pöschk. Statt je 10 Schrauben in 10 verschiedenen Typen zu verwenden, ist es preiswerter, 100 Schrauben eines Typs zu verwenden. Auch wenn damit an einigen Stellen dieser Typ womöglich überdimensioniert ist.
Ausserdem reduziere sich damit der logistische Arbeitsaufwand für einen Bausatz, so Pöschk. Statt 10 verschiedene Typen in 10 verschiedene Tütchen zu verteilen, reicht eine Tüte.
Es gilt allerdings gegenzurechnen, ob dabei nicht zu viele zu überdimensionierte - und damit zu teure - Schrauben unnötigerweise zum Einsatz kommen. Richtig kompliziert wird es, wenn dann die unterschiedlichen Typen unterschiedliche Rabattstaffeln aufweisen. Dann kann die preiswerte Kalkulation mit einem einheitlichen Schraubentyp für 10 Maschinen bei 100 Maschinen in eine teure Kalkulation umschlagen. Um hier den Übrblick zu behalten, entwickelte das Team ein einfaches Kalkulationsprogramm, welche die Stücklisten aller Lieferanten und Staffelpreise enthält und sie zueinanderpassende Losgrößen und Lieferanten leichter ermitteln können.
Doch Pöschk rechnet nicht nur Listen durch - sie nimmt Sonderbauteile auch schon während der Entwicklung in die Hand. Und kritisiert schon mal hübsch abgerundete Kanten: " Denn sie kosten zusätzlich Geld. "
Vom Hobby zum Beruf und wieder zurück
Die drei haben sich während ihrer Studienzeit kennengelernt. Sie begeisterten sich schon damals für elektronische Basteleien. So musste Ehlert Ende 2013 nicht lange bitten, damit Katzorke bei dem Projekt mitmachte, schließlich stieg auch noch Pöschk ein.
Die Umsetzung des Prototyps gelang - aus Sicht der Macher - erstaunlich schnell: Zum ersten Mal präsentierten sie ihn der Öffentlichkeit auf der Makerfaire in Hannover im Juli 2014 dieses Jahres. Dabei war das gar nicht so einfach. Alle drei arbeiten Vollzeit als Ingenieure, die Entwicklung musste nach der Arbeit erfolgen. Und sie leben nicht in einer Stadt, Katzorke ist Hamburger, Pöschk und Ehlert hingegen leben in der Nähe von Hannover. Sie trafen sich deshalb regelmässig am Wochenende zu gemeinsamen, privaten Bastlermarathons. Die Konstruktions- und Programmierarbeiten übernahmen die Elektrotechnik-Ingenieure Katzorke und Ehlert, während Pöschk als Wirtschaftsingenieurin stets die Kalkulation im Auge behält.
Derzeit ist es für die Drei noch ein - wenn auch durchaus teures - Hobby. Ob aus dem Hobby später einmal mehr wird, wissen sie noch nicht. Ihre Priorität liegt derzeit noch darauf, die Maschine sowie die notwendige Software bis Anfang 2015 fertigzustellen und das Interesse potenzieller Käufer weiter auszuloten.