Sichere Arbeitsplätze zur Vermeidung elektrostatischer Aufladungen (ESD)

Prüfarbeitsplätze zum Testen von beschädigten Bauteilen vor allem in der Automobilindustrie gefragt

Wenn Navigationsgeräte nicht wie gewünscht funktionieren oder Infotainmentsysteme plötzlich ausfallen, dann sind die Erfahrung und das Know-how der MCF Technologie GmbH gefordert. Der item pluspartner aus Ettlingen ist ein international gefragter Spezialist für komplexe Test- und Automatisierungstechnik, zudem Experte für Mess- und Prüftechnik sowie Betriebsmittel- und Sondermaschinenbau. Bei der Herstellung der ESD-sicheren Arbeitsplätze setzt man auch auf die Flexibilität des item Systembaukastens.Die größte Zielgruppe des 35-köpfigen Teams von MCF Ettlingen ist die Automobilindustrie. Dort herrschen besonders hohe Anforderungen – vor allem dann, wenn gelieferte Bauteile im Feld ausfallen. Die Automobilzulieferer sind verpflichtet, jeden einzelnen Rückläufer ausführlich zu analysieren und den Ausfallgrund herauszufinden. Alle Erkenntnisse und Ergebnisse müssen dazu entsprechend protokolliert werden.MCF Technologie schafft für diese Aufgabenstellungen individuell eingerichtete Prüfarbeitsplätze. Um dabei eine möglichst realistische Testumgebung zu erreichen, werden die wichtigsten Komponenten, die im Fahrzeug mit dem zu testenden Bauteil kommunizieren, gemeinsam mit dem Kunden bestimmt und als Originalteile im Prüfplatz verbaut.

Systemverbund aus physischen und softwaresimulierten Komponenten

So werden beispielsweise in einem Testsystem für Scheibenwischermotoren – neben den Regensensoren – auch das Steuergerät für den Motor selbst physisch zu finden sein. Andere Komponenten, die weniger direkten Einfluss auf die Funktionalität des Scheibenwischermotors haben, werden mit Hilfe einer Softwarelösung simuliert. Dazu gehören beispielsweise die Geschwindigkeitssensoren, die ausschließlich über ein Bussystem angeschlossen sind.

Mit Hilfe dieses Systemverbunds kann der Mitarbeiter die Analyse beginnen. Dabei steht am Anfang eines jeden Prüfprozesses zunächst eine Sichtkontrolle des defekten Bauteils. Es werden typische Mängel wie Montagefehler, mechanische Beschädigungen, kalte Lötstellen, elektrische Beschädigungen oder verbogene Pins zunächst einmal optisch als Ursache für den Defekt in Betracht gezogen beziehungsweise ausgeschlossen.

In einem zweiten Schritt wird geprüft, wie sich das defekte Bauteil verhält, wenn es an den Strom angeschlossen wird. Dieser Schritt entspricht der normalen Funktionsprüfung, die jedes Gerät am Ende des Fertigungsprozesses durchläuft, bevor es ausgeliefert wird. Das dabei entstandene Protokoll wird mit den Daten am Analyseplatz verglichen und so versucht, den Fehler mehr und mehr einzuschränken beziehungsweise zu reproduzieren.

Tests erfordern als Arbeitsplatz einen physischen Zwilling mit allen Komponenten

Sollten die Messergebnisse identisch sein, wird die Analyse vertieft. Es folgen Tests unter wechselnden Klimabedingungen, Belastungstests mit verschiedenen Lastwiderständen sowie ein Überspannungs- und Unterspannungstest, um nachzuvollziehen, unter welchen Bedingungen das System ausfällt oder einen unerwünschten Fehler generiert.

Um all diese Tests durchführen zu können, benötigt man einen physischen Zwilling, also einen Arbeitsplatz mit einer Nachbildung aller Komponenten, die für das Gerät im Fahrzeug vorgesehen sind. Dieser physische Zwilling besteht aus einem Grundrahmen, der die Aufnahme aller notwendigen Komponenten ermöglicht. Da die Anforderungen hier kundenseitig sehr individuell sind, erweisen sich die modularen Eigenschaften des item Systembaukastens, auf die MCF als item pluspartner und Experte für Betriebsmittelbau und Sondermaschinenbau in Ettlingen zurückgreifen kann, geradezu als ideal.

Anfassen der Bauteile als nicht zu unterschätzendes Risiko

Im Rahmen der Bauteileprüfung ist es unvermeidbar, dass auch die Leiterplatten des betroffenen Geräts gesichtet und angefasst werden müssen. Daher ist die Vermeidung und die sichere Ableitung elektrostatischer Entladungen (ESD) ein weiteres, branchenübergreifendes Kriterium der Kunden. Denn die empfindlichen Bauteile können aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften durch statische Entladungen umfangreich beschädigt oder gar zerstört werden. Für Industrie und Wirtschaft entstehen dadurch jedes Jahr Schäden in Millionenhöhe. Aus diesem Grund ist es ratsam, umfangreiche Vorkehrungen zu treffen, um diesem unsichtbaren Risiko entgegenzuwirken.

ESD – was ist das überhaupt? Warum ist ein ESD Schutz notwendig?

ESD ist die Abkürzung für electrostatic discharge, steht also im Deutschen für elektrostatische Entladung. Es entsteht, wenn zwei isolierende Materialien eine Reibung erfahren oder voneinander getrennt werden. ESD beschreibt einen unkontrollierten Austausch elektrischer Ladung zwischen zwei Objekten, die unterschiedlich stark aufgeladen sind. Dazu bedarf es nicht einmal einem direkten Kontakt zwischen beiden Objekten, da eine elektrostatische Entladung auch über die Luft erfolgen kann.

Durch diese Potentialdifferenz folgt ein Ladungsaustausch am Gegenstand oder Körper mit der geringeren Ladung. Dabei kann ein Funke entstehen, der für starke elektrische Spannungsimpulse bei elektronischen Bauteilen sorgt. Der Mensch kann die meisten dieser elektrostatischen Entladungen nicht spüren, da sie unter der Wahrnehmbarkeitsschwelle von etwa 3.500 Volt liegt. Bei manchen empfindlichen Bauteilen können jedoch bereits schwerwiegende Schäden ab einer Spannung von fünf Volt entstehen.

Problematisch dabei ist, dass elektrostatische Entladungen nicht nur vom Menschen ausgehen können, sondern auch von zahlreichen Betriebsmitteln. Selbst Arbeitsflächen oder Werkzeuge können sich elektrostatisch aufladen, wenn kein konsequenter ESD-Schutz vorhanden ist. Für die Industrie ist das ein wahrer Albtraum, da Schäden durch ESD quasi überall in der gesamten Produktionskette auftreten können.

Durch Bewegung und Reibung entsteht permanent eine elektrostatische Aufladung – selbst einfache Arbeiten an einem Tisch können Spannungen von bis zu 6.000 Volt erzeugen. Auch die Aufbewahrung von elektronischen Bauteilen in Transportbehältern aus Kunststoff ist äußerst kritisch – das Oberflächenpotential kann bis zu 20.000 Volt erreichen. Ohne ESD-Schutz kann es deshalb vorkommen, dass man als Dienstleister versehentlich beschädigte oder defekte Ware ausliefert.

Um einen effektiven ESD-Schutz zu gewährleisten, ist es sinnvoll, eine sogenannte EPA, also eine electrostatic protected area, einzurichten. Ausschließlich dort darf mit elektronischen Bauteilen gearbeitet werden. Um elektrostatische Aufladungen sowie Unterschiede beim Potential der Materialien weitestgehend ausschließen zu können, müssen unter Anderem sämtliche verwendeten Materialien ableitfähig und mit identischem Potential geerdet sein.

So sollten beispielsweise die verwendeten Werkzeuge keinen isolierenden, sondern einen ableitenden Griff besitzen, um Beschädigungen des damit bearbeiteten Bauteils zu vermeiden. Neben ESD Kleidung und Schuhen, einer kontinuierlichen ESD Prüfung und ESD Werkzeug ist eben ein ESD Arbeitsplatz entscheidend für die Einrichtung einer solchen EPA. Daher ist die Fertigung von Prüfarbeitsplätzen von item pluspartner MCF Technologie Ettlingen eine lohnenswerte Investition in die Zukunft.

Vorteile von ESD-Schutz

• Guter Ruf des Unternehmens wird nicht beeinträchtigt
• langjährige Kunden bleiben erhalten
• Reduzierung der Anzahl von Reklamationen und Retouren
• Vermeidung von Direktausfällen von Bauteilen
• Vermeidung von Austausch- und Reparaturkosten durch Garantieleistungen
• Vermeidung von Vorschäden, die Spätausfälle nach längerem Zeitraum in laufendem Betrieb beim Kunden zur Folge haben

Es ist entscheidend, dass die Grundlagen für den ESD-Schutz vom gesamten Unternehmen konsequent eingehalten und praktiziert werden. Daher müssen nicht nur die betreffenden Bereiche ausreichend gekennzeichnet und die Mitarbeiter entsprechend geschult, sondern auch die Wahl der Zulieferer entsprechend erfolgen. Dort beginnt der ESD-Schutz und reicht bis zur Auslieferung an den Kunden.

Bewährte item Komponenten kombiniert mit jahrelanger Praxiserfahrung bei MCF Technologie

Als item pluspartner sind die Experten von MCF Ettlingen in der Lage, die Komponentenvielfalt von item mit ihrem Fachwissen zu kombinieren. Dabei entstehen rundum geschützte Gesamtsysteme, welche die hohen Anforderungen an ESD-sensitive Bereiche in vollem Umfang abdecken. Die geprüften und bewährten item Profile und Komponenten sowie die ableitfähige item Verbindungstechnik gewährleisten die elektrische Leitfähigkeit und erfüllen die hohen Ansprüche nicht nur an die ESD-Tauglichkeit, sondern auch an die besondere Aufgabenstellungen im Niederspannungsbereich.

Verwendete Materialien als entscheidender Faktor für den ESD Schutz

Anstelle der Aufladung, die man zwar weitestgehend reduzieren, jedoch niemals gänzlich vermeiden kann, muss man die Entladung beachten. Die größte Gefahr für elektronische Bauteile liegt in der unkontrollierten Entladung. Wenn man solche Komponenten handhabt und montiert, müssen entstehende Ladungen permanent in Richtung des Bodens abgeleitet werden.

Dazu ist es entscheidend, die richtigen Materialien für sämtliche Komponenten zu verwenden. Generell gilt, dass man lediglich die unbedingt benötigten Einrichtungen am Arbeitsplatz verwendet. Alles weitere stellt ein vermeidbares Risiko dar. Isolatoren wie Folien aus Kunststoff, Kaffeetassen oder Klebebänder wäre solche Beispiele. Ein ESD Arbeitsplatz sollte idealerweise vollständig frei von Kunststoffen und Styropor sein. So sollte man beispielsweise auch auf die Beleuchtung achten, die sich teils in unmittelbarer Nähe zum elektronischen Bauteil befindet und eine nicht zu vernachlässigende Spannungsquelle darstellt.

Die Entscheidung, welche Materialien für welchen Arbeitsplatz eingesetzt werden müssen, basiert auf der langjährigen Erfahrung, die man bei MCF Ettlingen in vielen Projekten gesammelt hat. Im gesamten Arbeitsbereich muss die vollständige Fähigkeit zur Ableitung und Erdung gegeben sein. Aluminium hat sich als optimales Material für Arbeitstische, Regale etc. erwiesen.

Aufladbares Material im Arbeitsbereich sollte daher grundsätzlich vermieden werden, falls dies möglich ist. Dies umfasst auch sämtliche Arbeitsoberflächen, Bodenbeläge und Sitzgelegenheiten. Gerade bei Letzteren kann es durch die Bezüge oder Rollen von Stühlen zu starker Aufladung und damit hohen Spannungen kommen. Wie bei herkömmlichen Arbeitsplätzen sollte auch bei einem ESD Arbeitsplatz die Ergonomie nicht zu kurz kommen, um die Arbeit trotz Schutzmaßnahmen nicht zu beeinträchtigen und die Gesundheit der Mitarbeiter auf lange Sicht aufrecht zu erhalten.

Wenn aufladbare Materialien zwingend benötigt werden, sollte auf einen ausreichenden Sicherheitsabstand Wert gelegt werden. Jedoch sind auch grundsätzlich leitende Materialien für den ESD-Schutz ungeeignet, da sie den Übersprung von Funken fördern.

Mit Baukastensystem und stetiger Prüfung zum optimalen ESD Arbeitsplatz

Das Arbeitsplatzkonzept der MCF Technologie GmbH sieht außerdem vor, dass alle am Prozess beteiligten Komponenten und der Arbeitsplatz an sich vor seiner Auslieferung mit Hilfe eines kalibrierten Messgerätes gemessen werden. Das Messprotokoll mit der bescheinigten ESD-Konformität wird erstellt und dem Kunden für seine Dokumentation zur Verfügung gestellt.

Neben der Einhaltung der gängigen ESD Vorschriften werden selbstverständlich auch die notwendigen Sicherheitsvorschriften gemäß der VDE Richtlinien eingehalten. Jeder Arbeitsplatz wird entsprechend der EG-Niederspannungsrichtlinie und den geltenden VDE Vorschriften geprüft. Die Kunden erhalten mit Auslieferung ein VDE Messprotokoll. Von der Anfrage bis zur Auslieferung werden 4-8 Monate benötigt. Ein Großteil der Zeit wird dabei durch den teils hohen Engineeringaufwand in der Entwicklungsphase veranschlagt. 1:1 Kopien der Prüfstände sind eher selten. Dennoch gibt es gewisse Grundformen, die sich beim Bau der Prüfarbeitsplätze wiederholen, sodass einzelne Standard-Grundgestelle bereits vormontiert und gelagert werden. Das Baukastensystem von item erweist sich hier durch die einfache Montage der verwendeten Profile als zeitsparende Maßnahme.