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Los ingenieros eléctricos crean algunas de las tecnologías más sofisticadas del mundo. Y, sin embargo, aunque los componentes electrónicos se están volviendo más pequeños, más potentes y más eficientes energéticamente, algunos de los procesos empleados en la fabricación de estos componentes siguen siendo bastante primitivos.

Muchos de nuestros lectores han enfatizado la necesidad de revolucionar el ensamblaje interno de PCB y otros procesos de baja tecnología en la fabricación de productos electrónicos.

Recolectamos las perspectivas de algunos expertos en el campo para discutir si estos procesos podrían realmente automatizarse y por qué algunos de ellos probablemente permanecerán como están. Esperamos arrojar algo de luz sobre por qué algunas prácticas manuales de EE han existido durante tanto tiempo, al tiempo que abordamos la posibilidad de una mayor automatización en el futuro.

Procesos prácticos: ¿anticuados o esenciales?

Los ingenieros suelen ensamblar prototipos manualmente, a pesar del tiempo y la energía necesarios para el ensamblaje manual, para negar el costo de la subcontratación de un lote pequeño. Sin embargo, a mayor escala, es práctico que las agencias gubernamentales y privadas envíen sus diseños para que sean fabricados y ensamblados por compañías externas.

Viajeros en papel vs. Trazabilidad digital

Cuando la mayoría de las personas consideran lo que sucede en una fábrica de automatización, pueden imaginar, bueno, la automatización. Pero Ryan Saul, vicepresidente de fabricación de Tempo Automation, explica que este no es siempre el caso.

Tempo Automation, un fabricante de productos electrónicos con sede en San Francisco, está tratando de abordar algunos de los puntos débiles de baja tecnología de fabricación mediante el uso de la automatización de software para acelerar el tiempo requerido para fabricar prototipos.

Maquinaria de automatización en Tempo Automation. Captura de pantalla utilizada por cortesía de Tempo Automation

En una discusión sobre la resistencia cibernética en los sistemas de control industrial, Saul enfatizó cómo algunas instalaciones de fabricación todavía, por ejemplo, usan viajeros de papel.

"Diría que la fabricación de productos electrónicos es, en muchos sentidos, impresionante y de vanguardia. También diría que es arcaico e inalterado por el software moderno en muchas instalaciones", dijo Saul.

"Puede ir a la instalación que está fabricando un dispositivo médico o portátil y descubrir que, a pesar de que esa parte se ejecutará en los hospitales y planes de atención médica más avanzados, para fabricarlo, todavía usan viajeros de papel".

Los viajeros de papel son esencialmente hojas de papel donde los ingenieros escriben información sobre un producto o prototipo dado para realizar un seguimiento de su progreso de fabricación y delinear los pasos necesarios para completar el PCB.

En Tempo Automation, Saul y sus colegas han introducido una nueva estrategia que elimina la necesidad de viajeros de papel. En cambio, los ingenieros pueden usar software para rastrear qué tan avanzado está un producto en el proceso de fabricación. Esta nueva estrategia se basa en la trazabilidad digital y controla tanto los materiales entrantes como la fabricación en proceso.

Tempo Automation utiliza un sistema de software que rastrea cada paso del proceso de fabricación. Imagen utilizada por cortesía de Tempo Automation

"Una vez que comenzamos, cada una de nuestras placas está controlada por un número de serie y se realiza un seguimiento individual a través de cada operación", explica Saul.

"Por lo tanto, puedo mencionar en este momento el estado de todos los trabajos que estamos ejecutando hoy y me dirá cuántos de ellos han pasado por SMT, y con eso no me refiero al trabajo, sino al número de serie". "

Archivos Gerber y sus reemplazos

Otro proceso establecido empleado en la fabricación de productos electrónicos es el uso de archivos Gerber. Las coordenadas estándar en los archivos Gerber se introdujeron por primera vez hacia el final de la era de la nave espacial Apollo y desde entonces, solo se han actualizado unas pocas veces.

Mark Hughes, investigador y escritor de contenido de la empresa de ensamblaje de PCB Advanced Assembly (y también colaborador habitual de All About Circuits), siente que hay una razón por la cual los archivos de Gerber han existido durante tanto tiempo.

"Hay tantas maneras en que puede crear un archivo de computadora que diga 'esta placa tiene 2" de ancho y 3 "de largo', o 'esta almohadilla de cobre es un rectángulo de 20 mil por 40 mil', por lo que el formato de archivo Gerber tiene sobrevivió a las décadas ", explica Hughes.

Archivos Gerber en el Panel de control de Autodesk EAGLE. Imagen utilizada por cortesía de Autodesk

“Sin embargo, ha evolucionado con el tiempo. A finales de la década de 1990, el formato Gerber extendido reemplazó al formato original y luego Gerber extendido fue reemplazado por Gerber X1 y X2. Estos formatos de archivo contienen la misma información numérica del original, pero agregan información adicional ".

Hace más de una década, se introdujeron algunos estándares alternativos, incluidos OBD ++ y el IPC-DPMX (IPC-2581). Ambos estándares genéricos se utilizan para transmitir información entre un diseñador de PCB y una instalación de fabricación o ensamblaje de PCB.

La tendencia de la industria es actualmente hacia el estándar IPC-DPMX (IPC-2581), que se introdujo por primera vez en 2004.

¿Es factible el ensamblaje totalmente automatizado?

Si bien lograr la automatización total en la fabricación de productos electrónicos parece un objetivo final deseable, por el momento, parece una posibilidad bastante improbable. Algunos ingenieros comentaron por qué creen que la automatización total en el proceso de fabricación es factible en algunos casos y poco realista en otros.

Impresoras PCB: ¿la próxima gran cosa o el "horno de fabricación fácil de hornear"?

De vez en cuando, la gente discute la posibilidad de que las impresoras de PCB eventualmente sustituyan los procesos de fabricación actuales. Hughes no ve que esto suceda en el corto plazo.

"Las máquinas de escritorio son actualmente los hornos fáciles de hornear de la industria manufacturera", dijo.

“Hay ciertas impresoras de PCB de escritorio de alta calidad (limitadas a PCB de dos capas) y máquinas de escritorio para recoger y colocar. Sin embargo, estas máquinas son cientos de miles de dólares y producen tableros de calidad relativamente baja ".

Solicitar una PCB prefabricada y ensamblada en un centro de fabricación de terceros es actualmente mucho más barato, más rápido y más fácil que comprar una impresora de PCB. Algunas empresas de ensamblaje de PCB, incluida Advanced Assembly, pueden entregar tableros a precios bastante asequibles, a veces en un día.

El mérito de las máquinas

Si bien la automatización completa de los procesos de fabricación de EE no parece ser una posibilidad en el futuro cercano, todavía hay una serie de procesos en los que las máquinas son esenciales.

Un ejemplo de esto es la laminación, que se refiere al proceso manual de intercalar y alinear cobre, núcleos y preimpregnado. Estas capas de PCB se colocan en una prensa hidráulica calentada, en la cual toneladas de presión las aprietan juntas de forma permanente.

Instalación de Advanced Assembly en Aurora, CO. Captura de pantalla utilizada por cortesía de Advanced Assembly

"Hay procesos que las máquinas hacen bien y procesos que los humanos hacen bien", comentó Hughes.

“A menudo, es muy difícil encontrar una solución precisa, confiable y de baja tecnología para un proceso de alta tecnología. Por ejemplo, el proceso de selección y colocación, la impresión de pasta de soldadura y la perforación y enrutamiento. No hay forma de que un humano pueda esperar acercarse al rendimiento de la máquina, ya sea en velocidad o calidad ".

Prototipos y atención al detalle

Los ingenieros que trabajan en empresas de ensamblaje de PCB, donde muchos procesos ahora están automatizados, aún hacen algunas cosas manualmente. Por ejemplo, inspeccionan los PCB en busca de fallas que los modelos de visión por computadora no pueden detectar, determinan la importancia de los errores específicos identificados por las máquinas y reparan estos errores manualmente.

Sebastian Weber, que colabora con Hughes en Advanced Assembly, cree que algunos procesos son difíciles de automatizar a gran escala, particularmente aquellos que implican un trabajo manual preciso.

"Todo en el sector de bajo volumen, giro rápido y, específicamente, la industria de los prototipos es algo difícil de automatizar", dijo Weber.

“Esto se debe simplemente a la cantidad de cambio que a menudo puede ocurrir durante estas primeras fases. A menudo hemos visto clientes que requieren un trabajo exhaustivo (puentes, cables, errores muertos, trazas cortadas, etc.) que deben ocurrir en construcciones de bajo volumen, generalmente porque las placas se compraron a granel inicialmente antes de que se descubriera un problema de diseño. Estos procesos son muy manuales y serían muy difíciles de replicar / automatizar a gran escala ".

Proceso de ensamblaje tradicional (arriba) vs. primer proceso de fabricación de PCB de artículo de ensamblaje avanzado (abajo). Imagen utilizada por cortesía de Advanced Assembly

Según Weber, algunos procesos manuales implican demasiados ámbitos y variables, lo que explica estos factores mediante el análisis lógico o computacional. Si bien, en teoría, se podrían trazar todas las variables involucradas y, posteriormente, diseñar técnicas para completar estos procesos, esto suele ser demasiado costoso y lento.

"En ese momento, alguien necesita identificar objetivamente si el costo vale la pena, ya que a menudo el tiempo de configuración de la máquina lleva más tiempo que el proceso real, lo que no proporciona ningún ROI real", agregó Weber.

"No me malinterpreten; Advanced Assembly ha estado utilizando un software personalizado para ayudar a automatizar el flujo de datos digitales durante todo el proceso de ensamblaje para reducir el tiempo de configuración y mantener la calidad durante más de 14 años. Al hacerlo, sin embargo, hemos descubierto que algunos procesos no necesariamente se benefician de la automatización total. La moderación es clave, como lo es en la mayoría de las cosas ".

El futuro de la fabricación automatizada

Si bien cada día se desarrollan nuevas herramientas computacionales para automatizar tareas manuales, la automatización completa de los procesos de fabricación de EE todavía parece ser una posibilidad distante.

Incluso si la automatización de algunos de estos procesos de baja tecnología es técnicamente factible, pueden requerir equipos costosos y un esfuerzo considerable, lo que finalmente los hace inconvenientes o impracticables. Sin embargo, esto podría cambiar en el futuro, particularmente si las herramientas computacionales de alto rendimiento y las impresoras de PCB se vuelven más asequibles.