完全自动化:制造业的未来?

作者:admin发布时间:2020-11-16 16:15

  编者按:关于Whelen的首次专访是在2015年,当时在业内激起了巨大的反响。2年后,国外电路板制造商面临的问题也变成了中国的问题。劳动力成本增长、招工难、原材料上涨、交期紧、终端产品的激进对工艺与良率施加了巨大的压力,这一系列的问题快速地将中国的制造业推向了自动化和智能制造的前沿。我们认为有必要做这样一个系列给我们的中文读者。现在再回过来看当初这篇文章,还是会觉得非常有前瞻性。需要提醒读者的是,其中的数据都是2年前的,当然我们不会停留在过去,近期我们的团队又一次来到Whelen,看看现在的工厂又会带来什么样的亮点,请关注我们的后续报道。

  美国PCB制造商看到了夺回市场的好时机。在此之前,亚洲制造商控制大部分PCB市场已经长达20余年。尽管美国近期都在讨论产业回流,但情况并非很乐观,行业内不一定会发生很大的变化。

  尽管一些公司正在回归美国,但大家普遍认为大多数公司会搬迁到下一个拥有劳动力红利的新兴市场,比如越南、墨西哥等等这种工资成本较低的地方。那么同样是自动化生产的美国会为了产业回流做出哪些努力呢?在北美的一家公司里,我们得到的答案令人振奋。

  美国制造业的未来可能就在位于新罕布什尔州查尔斯城的一个小型社区里,那里有一家Whelen Engineering公司。这家公司成立于20世纪五十年代,总部最初位于康涅狄格州,是汽车和航空行业应急灯和警笛的领先制造商。多年来,Whelen公司每年大约花费700万美元从中国购入PCB。但是该公司一直提倡将工作岗位和资金重新带回美国,于是两年前他们决定开始在美国本土购买PCB。

  他们选择了哪家公司作为新的供应商呢?有趣的是,他们选择了自己。一家专门生产音频和视觉警报设备的公司要如何开始生产PCB呢?Alex Stepinski在PCB行业有着丰富的从业经验,Whelen公司聘请他负责设计工厂和监管内部制造工作,这家工厂是北美地区多年来开设的第一家自有PCB制造基地。

  Alex已经在这个行业从业很多年,先后在TTM和Sanmina这样的标志性工厂工作过。当Whelen公司向他发出邀请时,他非常兴奋。想像一下,用1200万美元的预算在45,000平方尺的空白画布上设计你自己想要的PCB生产线该是多么令人激动。Whelen公司没有过分干涉Alex的工作,也没有给他提很多的要求——他对工厂设计享有完全的自由,只要投资回报率(ROI)合理,生产线符合单面板、双面板以及一些多层板的典型生产要求即可。该公司计划推出含有2,500种不同零件编号的产品阵容。这些是他们的基础需求,但是他们得到的回报却远远大于这些。

  当这些都完成以后,Whelen公司将拥有世界上第一个完全自动化在线式、无需照明、零废水排放、100%数字化的PCB工厂。Alex认为这不仅是建立一个PCB生产流程的机会,这更是一个建立完全自动化PCB生产流程的好机会。值得注意的是,Alex之所以选择使用自动化流程主要是因为这种方式能最快收回投资。这个厂房非常令人惊讶,和你之前见过的任何PCB工厂设施都不一样。整个生产线呈矩形,中间设有控制塔,方便你在整个加工过程中跟进线路板的加工进度。整个加工过程通过传送带运输,你在一端放入钻好孔的线小时过后,便可在另一端得到PCB成品;Whelen公司已经把生产周期从几天缩短成了几个小时。设计师们当天就可以拿到测试板和样板。整个厂房最引人注意的地方就是很少用到人力。整个布局是开放式的,你能看到整条生产线旁只站了两名操作工,而通常情况下这样的生产线名工人操作的。

  为了缩短生产时间,新厂房采用了大量创新设计——许多创新设计是未经过长期测试的,所以具有一定的风险。Alex没有走安全可靠的道路;除了实现自动化以外,他还希望通过引进新技术来缩短整体生产时间,如使用MuTracx的Lunaris线路成像设备,该项技术可以实现在电镀之前,耗时仅两分钟就将线路成像在电路板上。整个流程中这台机器发挥了关键作用,它在一小时之内可以印刷大约50块双面面板,同时其还内置了自动光学检测(AOI)。

  之后,线路板被送入集成加工系统(IPS)电镀生产线,进行自动化电镀。该公司不仅提供了电镀生产线,还被Alex选为主要设备合作伙伴,厂里超过三分之一的设备都是由该公司提供的。工厂的设备和技术阵容强大,包含了分别来自于39家不同的供货公司,这些供应商几乎全是美国本土的公司。IPS不仅可以制造设备,在整合方面也发挥了重要作用,它设计了用于连接和控制生产流程的软件,还帮助设计和安装了所有的高架设备。

  这些高架设备非常精美,全部清晰标记、用颜色编码,和U型支架紧紧地贴合在一起。我们PCB007团队参观过世界各地的工厂,但很少会在参观结束时感叹“天啊,那些设备太厉害了!”在这样一间具有如此多新技术和新设备的工厂里,和其他最先进的设备比起来,像高架设备这样的设施实在是微不足道的,比如工厂里的废物处理系统,有了该系统工厂都不需要办理废物原料许可证,还有Whelen生产的警报器,会在生产线的某部分出现问题时发出警报,该警报器可以根据不同生产线设置警报,方便操作员轻松找到出问题的地方。

  当我们亲眼看到生产线上的阻焊层部分时,我们发现这家工厂的加工方式是与众不同的,新技术和整合在不断反复试错。可以看出,为了能将制造业带回美国,Whelen公司愿意承担一定的风险。

  在利用自动化来缩短生产周期方面,Whelen公司的模式能给其他制造商带来很多启发,甚至会吸引一些OEM开始考虑建造内部工厂的可能性。但Whelen工厂能在美国制造业大获成功的真正原因是他们乐于和北美地区的其他PCB制造商分享他们的创新方案,以提高美国PCB行业的整体水平。虽说是内部工厂,但Whelen公司一点都不担心同行竞争者偷走他们的业务或工艺,有许多制造商想在真正安装之前亲眼看一看像Lunaris这样的新设备在生产环境中是如何工作的,因此Whelen公司的分享对他们来说是一种宝贵的资源。随着问题不断得到解决、方案的可行性不断被证实,这样的工厂有很多地方值得学习。Alex Stepinski和Whelen公司为北美地区PCB自动化制造设定了标准。

  以下是采访Alex的全部内容,他对Whelen工厂进行了简要概述,其中包括他认为每间工厂应首先自动化哪几项工艺流程。

  Barry Matties:Alex,我们所在的这个地方不久前还是一栋空大楼,而现在已经装好了全自动线路板生产线。请给我们讲一讲这一切是如何发生的。

  Alex Stepinski:两年多前,Whelen请我制定一个计划看看他们能不能内部生产自己的线路板。经过了六周的研究之后,我起草了一份商业计划书和蓝图,和他们的管理层安排了一次见面。我已经完成了设计工作,并选出了交付时间较长的项目以备他们决定接受这个方案。他们希望在年底之前就投入资金,这样就能获得年度税额减免。我们在六周之后又安排了一次见面,然后敲定要执行这个方案。

  Stepinski:他们希望知道制造自己的线路板需要做哪些事情,我必须在心里拟定一个能收回投资的计划,以确保他们对这项投资有足够的兴趣。这就是整件事情的经过。这是唯一一个我能完成,并且投资回报率能保持在合理区间的方案。

  Matties:你提出的这个方案不是因为他们要求说“我们想要一个全自动系统。”他们只是希望投入的成本能获得一些回报。

  Stepinski:没有,这是个全新的想法。我之前从未从事过低技术含量线路板制造相关的工作。

  Stepinski:主要是双面和单面金属芯印制板,也生产一些刚挠性线路板和多层刚性板,但总的来说,采用的技术是比较简单的。

  Matties:之前好像听你说,你们大约有2500种不同的零件号都在生产?

  Stepinski:是的,我们有很多不同的零件号,在远东地区是很难实现这种规模经济的。但同样我们也面临一个难题,就是要创建一个流程来消除这些不同零件编号造成的设置成本。为了解决这一难题,我创建了一个完全数字化的连续生产工厂,把每一个零件号都视作一个小部件,除了初始工具之外,我们消除了所有相关设置成本。

  Matties:因为你无法在中途停下来更换治具,所以必须要创建一个非常灵活的制程。在你刚开始这项设计时,遇到的最大障碍是什么?

  Stepinski:一开始,最大的障碍是要达到成本点。这是第一步。我考虑了所有替代技术但没有一项独立技术可以满足我们的要求。我们只有将这些都整合到一起才能获得成本效益。另一个障碍就是阻焊层加工,这一步需要手动操作的地方非常多——比其他任何工艺需要的手动操作都要多。最初我们付出了很多努力才实现了这个步骤的自动化,现在我们也仍处于开发阶段。在安装阶段,喷墨工艺的调试和实验以及蚀刻剂回收也是一项重要的工程投资。

  Matties:在此之前,Whelen公司要花多长时间才能生产出一块线路板?

  Stepinski:从去毛刺到最后的表面处理,我们的生产周期是每块面板四个半小时,在全自动模式下我们能做到每75秒生产一块面板。后期还要钻孔、分板和测试,所以平均下来还需要再加上两小时。

  Matties:你们的钻孔机器全是单头Schmoll机器,八台机器同时运行并且自动进行装载和卸载?

  Matties:我看到有一叠钻好孔的线路板已经准备好下一步加工了。看起来像是把它们排成了队列。

  Stepinski:我们把工厂的钻孔区域设计成了瓶颈,将湿法工艺区域设计成可满足今后10年的需求,所以随着需求的增加,我们只需要添置更多的钻孔机和钻头。这是因为在最初建造工厂时如果把湿法工艺设备当做限制因素是非常糟糕的想法。这些设备是无法扩展的。而独立的钻孔机器是具有扩展性的。我们的中央线台钻机。目前我们的工厂里只放了8台。

  Matties:在钻孔之后,线路板被送去加工,之后使用MuTracx的Lunaris工艺进行线路成像。这项首创工艺还没有经过时间的检验。你给这家工厂引进了相当新颖的技术,但对于新成立的工厂来说这种做法也有些冒险。对此你有何看法?

  Stepinski:传统工艺的成本不适合我们。这项工艺目前是最符合我们要求的。当我们考虑成本的时候,我们考虑的是总成本。当我们考虑废物处理影响的时候,我们考虑的是所有环境影响。这家工厂是世界第一家绿色环保线路板工厂。工厂每天只使用500加仑的水,我们不需要办理污水许可证,并且也不会产生任何有毒气体。我们甚至都不会生产出有害废物。我们在设计时已经将这些问题解决好了。

  Stepinski:每项工艺都有自带的工程控制来最大程度地消除废物——也就是废物最少化。有些工艺流程完全不会产生废物,而有一些则会产生一些。我们会用一种无害的方式处理这些废料。最后剩下的废料固体是无害且可回收使用的。

  Matties:所以完全不需要许可证。他们给了你一间空房子,虽然受到了一些设计方面的限制,但你建造出了一个非常厉害的矩形流水线。

  Stepinski:我们这么做是为了适应这个空间。从去毛刺到最后的表面处理,我们打算只需要四个人便可在任意时间内完成这些操作。

  Matties:我们来谈一谈劳动力。在我看来,像这样的一间工厂,生产这种水平的产品通常需要75~100人。但在你们工厂,劳动力都算不上是一个因素。

  Stepinski:把我算在内,这间工厂总共只有17个人。我们需要最大程度的减少劳动力才能达到成本点。这里的员工主要负责系统的维护。我们需要用到手动操作的地方非常少,而且我们的员工技术非常熟练。

  Matties:真厉害。在这个行业算是非常持久了,而且这家公司在业务方面也愿意承担风险。

  Stepinski:是的,我们购买和安装的所有工艺流程以及所有的可行性测试都是在前六周的时间内完成的。我们证实了每一个步骤都是整个项目的必要部分。具体细节和alpha及beta测试可在之后再进行调试,但可行性测试是一定要在最开始就进行的,这样才能最大程度地降低风险,当我把商业计划拿给CEO时,我们对这份计划有十足的信心。

  Matties:IPS在这里安装了管路、电力设备和所有需要的设施。还采用了集成加工系统的很多设备,好像是你们十分重要的合作伙伴?

  Stepinski:是的,整个项目的三分之一都由他们完成,在线式自动化设备和大部分湿法工艺设备也由他们提供支持。

  Matties:你们的所有管线都是架空在地面上方的:混凝土地板、抛光精美、没有沟渠,所有东西都是干燥且密封起来的。对此你能给我们讲一下你的想法吗?

  Stepinski:在多家工厂的工作经验告诉我沟渠是一种累赘。只要有沟渠,之后就一定会被溶液灌满,发生泄漏的时候就无法解决。这是原因之一。原因之二是有沟渠的时候总是想将废料收集到中央管道里,所以一旦废物处理系统时发生故障,故障排查就会变得极其困难。在大多数情况下,你不得不排查流程中的每一个环节才能找到故障源头。

  但是使用独立的架高台能帮助你立刻找到出现故障并及时解决问题。故障排查时间大大缩短。这就是为什么使用这个系统的原因。只要没有沟渠,就不会有出现裂缝的潜在可能,而这些裂缝往往是很长时间都无法发现的,这是因为沟渠的检查是非常困难的。

  Matties:好的。你只有17名员工,而这是家内部工厂。我认为这是多年来美国地区出现的第一家内部工厂。你觉得这种工厂形式的出现会成为行业里的一种趋势吗?

  Stepinski:我希望我们在Whelen公司所做的这些能够成为一种概念验证,被不同级别的工厂采用。我们证明了我们的行业是可以与亚太地区进行价格方面竞争的,并且是以一种非常可靠的方式。

  Matties:一直以来你们都非常友好,敞开你们的大门,让我们进入工厂内部参观、拍摄视频、问问题、和你们的员工交谈等等。你们为什么这么乐于分享你们的信息?是什么促使你们这样做?

  Stepinski:实际上我们是希望通过分享这项技术帮助西方的其他工厂和公司从我们这里学习到一些东西,将制造业回归本土的趋势继续下去。我们的CEO是美国制造业的支持者,他对促进产业回流非常感兴趣。

  Matties:花15个月的时间是因为你们建造工厂时有许多工程要完成,还是因为要等待较长的设备生产周期?

  Matties:你们还把每个工艺的工厂软件进行了整合。说到自动化加工,你们用了一条传送带。这些线路板并不需要排列整齐,它们被一次性送入进行电镀,周围全都是传送带——你没有把它们储存起来。这些都是如何管理和计划的?

  Stepinski:在我看来,传统的线路板工厂中产生的费用主要来自于这些流程间不产生效益的步骤。不论是检验、搬运、在下一工序开始之前放置清洁剂和微蚀刻剂以清除两个工艺间搬运产生的污渍、或在上一步流程结束时进行防变色处理,都属于此类步骤。

  如果你设计时将这些步骤去掉,生产线就会更短一些,需要的设备也会更少一些——这就可以节省一些成本。像确定规模、决定匹配速度和匹配配方这种事在一开始就已经计划好了。我们和供货商合作开发了化学参数和机械参数,所以我们得到了一条每分钟可持续运送半米的生产线。有了这样一条生产线,我们每小时可生产大约50块面板,如果需要增加数量,生产线上也有足够的空间。

  Matties:好的,所以意思是不额外添加设备的话,生产能力就无法达到更高水平。

  Stepinski:没错,但根据目前的需求量,我们只打算每周生产50个小时。在不需要给湿法工艺生产线上增加额外设备的前提下,我们还有很大的扩展空间。我们知道这方面会有强劲的增长,所以刻意扩大了湿法工艺生产线的规模。

  Stepinski:我认为环保是一定要纳入考虑范围的。很多人都忽视了从生活中的环境健康和安全的角度去提高成本效益。有些设备要排放大量的污水和有毒气体,用于处理这些污染物的传统废料处理系统的平均花费比我们的资金成本还要高。我认为这方面值得人们去思考、去改善。如果他们想了解我们是如何做到环保的,会发现我们使用了大量点能源方案,我们还会回收蚀刻剂和所有的铜。不产生任何废物是非常重要的。

  我认为我们把握住了业界需要关注的问题——如何实现零污染,在污水处理和环境保护方面如何将运营成本保持在远远低于标准工厂所需的水平,以及如何只通过将废料与工艺流程整合的方式节省成本。当你设计一个工艺流程的时候,一定要考虑到废物的处理。这就是我想说的。我认为还没有人在这方面做得很好。

  Matties:来聊一聊你的工艺流程吧。我注意到你们使用了DIS无销层压系统,这种系统效果如何?

  Stepinski:因为我们想在多层板之前先重点增加双面板的产量,所以这个系统我们只用过几次,但最初那几次的结果都不错。消除系统中的定位销和对所有东西进行视觉对齐是我们工厂的关键。这间工厂里的每一个步骤都是基于视觉对齐的,不论是接合、钻孔、分板、划线、喷墨成像、图形还是阻焊层——每个步骤都是基于视觉对齐的。如果图像可以缩放,我们有时会缩放图像以满足最终的印刷要求。我们可能会添加一些图像以适应生产公差,但是只要没有缩放,我们就会将其旋转、移位、零点校准至和之前所需校准图案的最佳对齐状态。

  Matties:在检验方面,你们的系统里只有一台自动光学检测仪(AOI)。

  Stepinski:是的,我们用Camtek AOI来检验每一个零件是否合格。一旦我们认为零件合格,我们会将其投入生产,然后在零件编号出现在系统里的时候继续进行现场检验。所以实际上我们是在定期对生产进行取样,好去了解是否存在潜在的问题,所以我们不进行100%的检验。我们只是针对自己的产品技术和流程稳健性进行取样检验,这就是所有我们需要做的了。

  Stepinski:我们在不断学习了解产品的设计准则。我们目前出现的问题,99%的根本原因在于我们如何应用工具进行生产,如何利用某些功能在一定程度上产生不同效果。每次收到新治具的时候,我们会先试运行,以便了解这些治具,从而减少问题的产生。这不是一个长期方案。在接下来的几个月里,我们会一直使用这个方案,直到工艺反馈显示出我们的设计规则已经足够稳健为止。一旦我们连续得到10或20个没有问题的零件编号,就可以进入下一阶段了。

  Matties:我认为对于你们的线路设计团队和新产品开发团队而言,这是个非常好的资源,因为他们可以直接过来进行测试,并且在几个小时之内就能拿到样板。

  Stepinski:在这之前,他们要过好几天才能拿到,但现在用同样的时间我们甚至还可以做好几次迭代测试。

  Stepinski:这个巨大优势会在他们进行成品装配的故障排查时显现出来。

  Matties:现在你们已经完成了这个项目的规划和执行,项目已经投入运营。如果再来一次的话,你会做出哪些不一样的调整?

  Stepinski:我会做出哪些不一样的调整?因为项目在设计阶段受到了时间因素的限制,我开展了很多并行工程。我在非常短的时间内完成了高阶设计,具体细节也在之后的过程中处理好了。在设备组建期间,我定期联系供货商敲定了许多细节,如果能给我一点时间宽限,我会将这些事预先做好,而不是同时进行,这样我可能会再将成本降低10%。如果时间能稍微充裕一些,我可能会将资金成本和运营成本各降低10%。但这就是进度表的特点。我们不能有无限的时间去做事情。

  Matties:但在下次做这种项目的时候,我相信你的这些知识和侧重点会非常受雇主欢迎。因为很多竞争者会被你已经取得的成就吓跑。我在这个行业待了将近30年了,之前也和从事这种项目的人交流过,但从未见过任何人能达到你这种程度。