Tante sono le ragioni che hanno portato alla realizzazione di un robot di saldatura lead-free; alcune di queste riguardano la crescente varietà di dispositivi elettronici oggi prodotti e il fatto che questi dispositivi stiano diventando sempre più multifunzione e a maggior grado di integrazione, in altri termini che diminuiscono per dimensioni. Risalta anche come i singoli componenti elettronici aumentino di prestazioni e lo spazio che li separa diminuisca costantemente.
A livello mondiale sono emersi molti problemi ambientali; al seguito di questo trend si è considerato di valido supporto la promulgazione della direttiva RoHS, stimolo alla ricerca di una lega realmente lead-free. La situazione relativa alla tecnologia di saldatura è stata di conseguenza sottoposta a rapidi cambiamenti. Vista sotto questa luce è chiaro che se la tecnologia di saldatura non avanzerà abbastanza velocemente, la capacità di realizzare prodotti di sufficiente qualità sarà compromessa.
Il termine robot è stato coniato nella repubblica ceca nel 1920. Tra i molti robot esistenti, quelli di saldatura sono stati introdotti piuttosto tardi per via della loro complessità. Diversamente dai sistemi di automazione lineare, piuttosto semplici, i robot di saldatura fanno riferimento a un numero elevato di tecnologie scientifiche che includono l'ingegneria robotica, la meccanica, l'elettronica, la fisica, la chimica, la termodinamica e la tecnologia della saldatura. Questo è in pratica il motivo per cui la saldatura è stata l'ultimo tra i processi ad essere automatizzato con l'ausilio del robot. Il termine saldatura potrebbe richiamare alla mente l'utilizzo di un semplice saldatore manuale, come in realtà ancora oggi avviene in molte aziende. Comunque, considerando la necessità di ridurre la manodopera, il peso della produzione di massa (dove ancora esiste) e la pressione della richiesta di qualità di concerto con la difficoltà di acquisire sufficienti risorse umane (la saldatura richiede esperti di alto livello) hanno portato alla crescita della domanda della saldatura automatica.
Per soddisfare questa richiesta nel 1970 sono state sviluppate le prime macchine che utilizzavano dei cilindri pneumatici e delle cam. Queste macchine erano dedicate alla risoluzione di singoli problemi, l'introduzione di nuovi prodotti o il miglioramento della produzione in corso ha richiesto alle aziende manifatturiere l'oneroso impegno di cambiare o almeno modificare i loro equipaggiamenti produttivi. In particolare, la veloce alternanza dei cicli produttivi nell'industria elettronica ha portato alla realizzazione di robot capaci di operare realmente su produzioni di modelli differenziati.
L'automazione della saldatura
Gli anni '80 hanno visto una rapida crescita dell'utilizzo dei robot industriali. In diversi settori applicativi sono state introdotte in rapida successione le lavorazioni robotizzate che hanno stimolato tanto la crescita tecnologica del settore, quanto una nuova domanda di impiego della saldatura robotizzata. L'utilizzo di robot industriali capaci di piazzare componenti, di assemblare e saldare era abbastanza comune, ma l'applicazione per piccole saldature locali era ancora problematica e senza una precisa risposta.
Sono stati sviluppati sistemi robotizzati in grado di soddisfare le specifiche di controllo e precisione richieste per la produzione di quei tempi, ma non esistevano robot configurati con set d'istruzioni e canali di I/O dedicati alla saldatura elettronica di elevata precisione.
I produttori di robot hanno cominciato a cooperare allo sviluppo di questa tipologia di automazione utilizzando parti di uso comune senza considerare le specifiche necessità che questo settore poteva comportare.
Per prima cosa è da considerare che questo tipo di saldatura è accompagnata dai fumi prodotti dal flussante che possono entrare nell'encoder inducendo perdite di posizione; inoltre, sono numerose le funzioni che dipendono dai componenti (cablaggio e condotti dell'aria inclusi) inseriti nella testa di saldatura e che possono rivelarsi un'incognita.
Uno per uno questi problemi sono stati risolti e nel 1983 è nato il primo robot di saldatura UNIX-511 Unit 1, un robot multi articolato verticale a 5 assi, che richiama da vicino le movenze delle braccia umane. All'inizio l'idea era che si dovesse riprodurre quanto più possibile i movimenti antropomorfi e questo robot verticale multi articolato è stato scelto appositamente per la sua versatilità. Comparando le capacità di questi primi modelli con quelli attuali, risalta subito quanto queste macchine fossero lente e imprecise.
L'obiettivo minimo posto nello sviluppare il primo modello, perché potesse essere di utilizzo industriale, era quello di poter saldare i pin di un connettore a passo 2,54 mm; era inoltre richiesta una precisione di almeno ±0,5 mm e di una velocità di 300 mm/sec. Specifiche queste ancora molto distanti dalle attuali che danno precisioni dell'ordine di ±0,01-0,02 mm e velocità di decine di volte superiori.
In seguito sono stati introdotti diversi altri tipi di robot come gli Scara o quelli verticali a 4 assi; con ogni nuovo sviluppo sono state perfezionate e ampliate anche le prestazioni dell'automatismo di saldatura e il sistema nel suo complesso è diventato sempre di più user-friendly. Col cambio di direzione dei processi produttivi è stato introdotto il robot modello desktop, particolarmente indicato per essere inserito nel processo produttivo a cella flessibile.
Il ruolo dei robot di saldatura nell'era lead-free
In parallelo alla crescita per varietà, funzionalità, integrazione e miniaturizzazione dei dispositivi elettronici, prestazioni prima inimmaginabili sono via via state incorporate in ogni più piccola realizzazione; i telefoni cellulari sono tra i prodotti più emblematici di questo trend tuttora in corso. Per garantire la qualità dei prodotti è però essenziale anche un progresso nella tecnologia di saldatura.
Sono stati quindi introdotti robot di saldatura capaci di lavorare su QFP a passo 1 mm e poi di seguito le prestazioni hanno riguardato passi decrescenti allo 0,8 mm, 0,65 mm e 0,5 mm; la previsione è che la capacità sia in seguito estesa alla saldatura di passi ultra-fine-pitch (0,4 e 0,3 mm).
Il trend naturale verso la miniaturizzazione porta come logica conseguenza all'aumento della densità; è importante che in queste condizioni i componenti continuino ad essere saldati con la lega metallica (indipendentemente che ci siano disponibili soluzioni alternative di connessione) perché, non solo economicamente conveniente, ma anche flessibile nell'utilizzo e affidabile nel tempo. Del resto basta guardarsi attorno per verificare quanto asserito: la quasi totalità dei dispositivi elettronici sono saldati con lega metallica.
Sono innumerevoli gli esempi che si possono citare: dai prodotti consumer come gli audio player, i DVD player, i televisori e i PC, al bianco dove lavatrici e frigoriferi sono ormai totalmente comandati da CPU, al più professionale settore automotive o ai settori high-tech dell'industria spaziale e aereonautica.
L'aumento dell'utilizzo di elettronica nell'auto è abbastanza indicativo della tendenza in atto.
L'esempio più semplice è quello dei motori, tre nelle auto di quaranta anni fa (avviamento, spazzole anteriori e acqua per tergicristallo), circa una dozzina nelle attuali (specchietti, cristalli, comfort, ecc.) con le relative schede di pilotaggio; a questo si aggiunge poi tutta la sensoristica col relativo controllo. Si stima che il peso della componentistica elettronica gravi mediamente per un 15% sul costo delle attuali vetture di fascia economica, salendo al 30% per quelle di lusso e oltre ancora per le top. Questo dimostra quanto il comparto dipenda fortemente dalla saldatura elettronica.
Per saldatura si intende l'insieme di quella a onda, di quella a rifusione e di quella manuale. La saldatura di alcuni componenti TH può essere ingegnerizzata per essere eseguita in rifusione (pin-in-paste), ma molti componenti (display, condensatori elettrolitici etc) non sopportano la temperatura del forno, per cui devono essere montati alla fine della rifusione con tutti i relativi problemi di saldatura che questo comporta.
È a questo punto che entrano in gioco i robot di saldatura, sebbene ci sia personale tecnico particolarmente capace di realizzare prodotti con una qualità delle saldature piuttosto elevata; il problema si pone anche per loro nel momento in cui la miniaturizzazione (accompagnata dall'aumento di densità dei componenti) pone dei limiti fisici alla loro capacità operativa.
Sebbene opportunamente sottoposta a training, è praticamente impossibile per una persona sottostare allo sforzo di otto ore di saldatura continuativa senza commettere errori, a differenza di un robot che può lavorare ben oltre mantenendo l'accuratezza, la costanza produttiva e qualitativa per tutto il tempo operativo richiestogli.
D'altro canto ci sono anche dei lavori di saldatura che necessariamente richiedono l'intervento di una persona qualificata, che possa utilizzare i propri sensi a garanzia della qualità del lavoro richiesto. Del resto è impensabile che l'automazione possa sostituire in tutto e per tutto la presenza umana. Processi di saldatura consolidati o particolarmente ripetitivi ben si prestano all'automatizzazione e, al riguardo, si sta assistendo ultimamente a un maggior ricorso al laser per impegni di saldatura impraticabili per il ferro caldo, aprendo il varco in una nuova frontiera che la robotizzazione ha contribuito a rendere percorribile.
Metodi d'impiego della saldatura robotizzata
Osservando come avviene la saldatura robotizzata si vede che non si è fatto altro che reimpiegare il metodo utilizzato per quella manuale i cui step sono i seguenti:
• posizionare le parti da unire;
• pulire la punta del saldatore;
• portare la punta del saldatore a contatto della parte da saldare;
• portare il filo a contatto del medesimo punto e farlo fondere;
• rimuovere filo e punta del saldatore a giunto eseguito.
Tutte le variabili (quando applicare la lega, quanta utilizzarne, la velocità con cui fornirla, quando considerare terminata la formazione del giunto, ecc.) sono controllate dall'operatore, che in contemporanea esercita anche la funzione di ispezione visiva.
Il processo dal punto di vista del robot è invece il seguente:
• fermare la scheda in lavorazione su un piano di supporto;
• mantenere in posizione il ferro caldo sul suo braccio mobile;
• predisporre il wire feeder per l'erogazione il filo di lega;
• pulire la punta del saldatore;
• predisporre l'unità di controllo per la gestione della posizione dove eseguire il giunto e la temperatura a cui eseguirlo, controllare la velocità di avanzamento del filo e la sua quantità;
• eseguire la saldatura per punti oppure lineare.
Caratteristiche della saldatura robotizzata
Recentemente l'introduzione della saldatura robotizzata ha riguardato anche quelle produzioni all'interno delle quali gravita quella fascia di prodotti i cui processi sono già stati perfezionati
Questo dimostra che il ricorso a questa tecnologia non è necessariamente dovuta alla necessità di sopperire a errori di processo, ma al contrario è rivolto all'ottenimento di uno standard qualitativo più elevato, in particolare se ci si trova in presenza di prodotti ad alta densità.
Nel montaggio dei componenti l'accuratezza è d'obbligo, ma ci sono altre esigenze che richiedono attenzione e che l'adozione di un robot di saldatura può soddisfare. Ecco qui di seguito una breve indicazione di alcuni casi in cui si trarrebbe un buon beneficio dall'automatizzazione della saldatura:
• diametro del foro e tolleranza del terminale. È facile montare componenti through-hole se il foro è ampio, ma la tensione superficiale della lega in fusione lavora meglio se la tolleranza col terminale è piuttosto stretta. Naturalmente se il foro è troppo stretto la lega avrà difficoltà a penetrarvi;
• pre-flux. Ci sono alcuni casi in cui sulla scheda riscaldata il flussante agisce da blocco nei confronti della lega;
• distanza tra componenti. È desiderabile mantenere una sufficiente distanza tra i componenti da saldare per lasciare agio alla punta di poter lavorare correttamente;
• accorgimenti per proteggere la scheda da sovratemperature. Utilizzare un sistema che aiuti a evitare che un eccesso di calore possa danneggiare i circuiti della scheda e i componenti adiacenti all'area di saldatura;
• solder resist. Assicurarsi del buon stato di conservazione del solder resist per evitare che si delamini durante la saldatura e, nel caso che la scheda venga lavata, aver cura di asciugarla completamente prima di saldare;
• materiale di consumo. La saldatura automatica sarà un problema se il materiale di consumo è di scarsa qualità. La scelta accurata del materiale è un fattore fondamentale di riuscita, in particolare se si dovesse utilizzare la lega lesd-free, notoriamente più difficile da gestire in termini qualitativi e produttivi.
Con l'utilizzo delle leghe lead-free il range applicativo dei vari materiali di consumo è diventato abbastanza limitato, di conseguenza è necessario focalizzare le caratteristiche che meglio si prestano tanto al prodotto quanto al processo, nella fattispecie:
• composizione della lega;
• diametro del filo;
• contenuto di flussante;
• caratteristiche del flussante (tempo di attivazione e temperatura di lavoro);
• ossidazione e contaminazione delle superfici.
In un processo di automatizzazione della saldatura è necessario stabilizzare le condizioni operative, in primo luogo del materiale di consumo. Sebbene l'operatore non possa visivamente accertarsi sullo stato di conservazione delle superfici saldabili della scheda, può in corso d'opera apportare le necessarie correzioni in base alla saldabilità riscontrata. Dato che questo non è fattibile per il robot di saldatura, ma lo è il mantenere stabili le variabili che dipendono da questo, diventa fondamentale stabilizzare le variabili esterne come appunto la qualità e la conservazione del materiale di consumo e lo stato delle schede e dei componenti da saldare.
