Prototyping elektronischer Schaltungssteckverbinder mit hochpräzisem 3D-Druck

Steckverbinder sind wichtige Teile, die Kabel und Substrate verbinden, auf denen unzählige elektronische Schaltkreise laufen.

Hirose Electric stellt Steckverbinder für elektronische Schaltkreise her, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter Smartphones, Fahrzeugausrüstung und Industrieausrüstung. Elektronische Schaltkreise werden immer schneller, haben eine höhere Spannung, sind kleiner und komplexer, und die Produktstandards entwickeln sich täglich weiter. Steckverbinderhersteller benötigen innovative Wege zur Entwicklung neuer Teile als Reaktion auf die Entwicklung von Standards und Leistung solcher Produkte.

Seit mehreren Jahren erwägt Hirose Electric die Einführung eines 3D-Druckers, um seinen Produktentwicklungszyklus zu beschleunigen. Nach einer gründlichen Evaluierung stellten wir mehrere Drucker vor, darunter den microArch S140 von BMF.

Share Lab-Redaktion (Share Lab):Warum haben Sie sich für die Einführung eines 3D-Druckers entschieden?

Herr Koyama: Ich gehöre zur KI-Abteilung bei Hirose Electric. Hier bedeutet KI „Advanced Idea“, nicht künstliche Intelligenz. Als Abteilung, die modernste Fertigungstechnologie erforscht, erforschen wir verschiedene Technologien für die Produktentwicklung.

Unter anderem prüfen wir den Einsatz von 3D-Druckern. Wir überlegten, ob damit die Vorlaufzeit der Produktentwicklung verkürzt werden könnte.

Labor teilen: Sie haben die Verkürzung der Vorlaufzeit erwähnt; Wird der 3D-Druck hauptsächlich zum „Prototyping“ eingesetzt?

Herr Koyama: Ja. Designer beginnen den Prozess im Kopf und mit Zeichnungen, aber an vielen Stellen müssen sie ihre Entwürfe sehen und anfassen können, um zu sehen, ob sie in dieser Form wirklich funktionieren würden.

Der Stecker muss auf der Platine montiert werden. Wenn das Teil in der Hand gehalten werden kann, müssen wir prüfen, ob es tatsächlich leicht zu montieren ist. Wenn es sich um einen Steckverbinder handelt, der zwei Platinen miteinander verbindet, müssen wir prüfen, ob sie tatsächlich gesteckt werden können.

Die Anforderungen an Steckverbinder ändern sich je nach Branche, in der sie eingesetzt werden. Dementsprechend ändern sich auch unsere Designs. Für unterschiedliche Designs müssen wir unterschiedliche Prototypen und Prototypenteile herstellen. Da es viele Teile gibt, die nicht ohne die Anfertigung einer Form hergestellt werden können, dauerte die Herstellung eines Prototyps etwa einen Monat. Um die Entwicklungszeit zu verkürzen, begannen wir darüber nachzudenken, ob es möglich wäre, einen Prototyp mit einem 3D-Drucker zu formen, ihn tatsächlich auf der Platine zu montieren und die Passform zu überprüfen.

Labor teilen: Welche Art von Modell haben Sie in Betracht gezogen, als Sie über die Einführung eines 3D-Druckers nachgedacht haben? Nach welchen Funktionen haben Sie damals gesucht?

Herr Koyama: Wir haben verschiedene Hersteller von 3D-Druckern in Betracht gezogen. Da es sich bei Steckverbindern um sehr kleine und präzise Teile handelt, war es erforderlich, dass kleine Teile präzise und präzise geformt werden können. Den FDM-3D-Druckern, die Filamente als Materialien verwenden, fehlte die nötige Präzision, weshalb wir uns auf die Stereolithographie konzentrierten. Es war nicht wichtig, Farben und Texturen zu reproduzieren. Dabei war es wichtig, die Form exakt nach den Konstruktionsdaten reproduzieren zu können.

Am Ende haben wir es auf ein paar Modelle eingegrenzt. Die von uns verarbeiteten Steckverbinder sind nur wenige mm breit und 1 mm hoch, und die Steckerstifte haben Löcher im Abstand von 0,4 mm. Wenn der Abstand zwischen den Löchern nicht stimmt, passen die Stifte nicht richtig. Da eine Passgenauigkeitsprüfung durchgeführt wird, ist die Genauigkeit der Teile erforderlich. Der microArch S140 war der einzige 3D-Drucker, der unsere Anforderungen an Präzision und Genauigkeit bis ins kleinste Detail erfüllen konnte. Ich denke, der entscheidende Faktor bei der Einführung war, dass es möglich gemacht hat, was bisher unmöglich war.

Labor teilen:Haben Sie vor dem Kauf einen Prototyp mit einem BMF-3D-Drucker erstellt?

Herr Koyama: Ja. Wir haben von BMF und anderen Herstellern Prototypen auf Basis tatsächlicher Teile erhalten und eine Vergleichsstudie durchgeführt.

Labor teilen:Ist der BMF 3D-Drucker der einzige, den Sie tatsächlich installiert haben?

Herr Koyama: Nein. Die 3D-Drucker von BMF sind in der Lage, kleine und präzise Teile zu formen. Einige der von uns verarbeiteten Teile haben große Anschlüsse, daher verwenden wir für diese unterschiedliche 3D-Drucker.

Labor teilen: Was für Teile formen Sie eigentlich? Wie oft nutzen Sie den Drucker?

Herr Koyama: Unser S140 läuft fast 24 Stunden am Tag. Wenn der 3D-Drucker von BMF im Dauerbetrieb ist, muss er einmal pro Woche neu gestartet werden. Hier ist ein Teil, den wir tatsächlich drucken.

Labor teilen: Es ist ein sehr kleiner Teil. Es sieht aus wie ein USB-Kabel.

Herr Koyama: An den Enden dieser Kabel fertigen wir auch Steckverbinder an. Wie Sie sehen, kombinieren wir Metallteile und Harzteile. Wir prüfen, ob sie im angeschlossenen Zustand ordnungsgemäß funktionieren. Dieser Stecker ist so konzipiert, dass er beim Drücken der Taste entfernt werden kann. Wir verwenden 3D-gedruckte Prototypen, um die Funktionalität zu überprüfen.

Labor teilen: Hirose Electric arbeitet an Steckverbindern in drei Bereichen: Smartphones, Automobil und Industrieausrüstung. Was sind die Unterschiede im Entwicklungszeitraum und in den Eigenschaften der einzelnen Steckverbinder?

Herr Koyama:Jedes Feld hat seine eigenen Eigenschaften.

Steckverbinder für Smartphones haben einen kurzen Entwicklungszyklus, da sich die Modelle ständig ändern. Außerdem sind kleine und präzise Steckverbinder gefragt. Standards für den Austausch von elektrischer Energie, Signalen und Kommunikation entwickeln sich schnell weiter, sodass der Entwicklungszyklus sehr schnell ist.

Wenn es um Steckverbinder für Fahrzeuggeräte geht, müssen wir sicherstellen, dass die Personen, die sie montieren und warten, sie fehlerfrei nutzen können. Es ist notwendig, Produkte zu entwickeln, die dem Benutzer bei korrekter Verwendung ein positives Feedback geben, z. B. ein „Klick“-Geräusch, wenn der Stecker richtig eingerastet ist. Dies ist in der Simulation schwer zu verstehen, daher möchte ich es durch die Erstellung eines Prototyps bestätigen.

Vereinfacht gesagt sind Steckverbinder für Industrieanlagen „solide“. Robust und langlebig. Obwohl es sich um eine Schale handelt, wurden Überlegungen angestellt, beispielsweise die Herstellung des Flügelteils des Steckverbinders aus Metall.

Labor teilen:Der Entwicklungszyklus ist schnell, die Anforderungen ändern sich je nach Anwendung und es sind unterschiedliche Formen und Leistungen erforderlich, selbst wenn es sich um einen Steckverbinder handelt.

Herr Koyama: Ja. Sie unterscheiden sich in der Größe und in der Art und Weise, wie sie verwendet werden. Deshalb habe ich fast einen Monat damit verbracht, einen einfachen Prototypen zu erstellen und das Gebrauchsgefühl zu prüfen, z. B. ob es einrastet oder ob es von Hand montiert werden kann. Mit einem 3D-Drucker konnten wir ein System erstellen, das eine Verifizierung innerhalb weniger Tage ermöglicht, sodass sich die Entwicklungsgeschwindigkeit definitiv verbessert hat.

Labor teilen: Wenn Sie den einfachen Typ berücksichtigen, können Sie die Kosten und die Vorlaufzeit reduzieren. Ich kann sagen, dass es eine tolle Wirkung hatte. Was sind deine Pläne für die Zukunft?

Herr Koyama: Derzeit nutzen nur wenige Mitglieder BMF-3D-Drucker als Reaktion auf Modellierungsanfragen aus verschiedenen Abteilungen des Unternehmens. Wir denken darüber nach, dieses Sortiment zu erweitern, um die Entwicklungsgeschwindigkeit weiter zu erhöhen.

Herr Koyama, Hirose Denki:

„Wir planen, den Betrieb zu erweitern, damit er auch aufgrund der zunehmenden internen Anfragen freier genutzt werden kann.“

Labor teilen:Haben Sie Wünsche für solche Funktionen?

Herr Koyama: Ich glaube nicht, dass es einfach ist, aber ich würde mich freuen, wenn es ein Material gäbe, das Temperaturen von 250 Grad und mehr aushält. Ein kleiner Stecker muss durch Hitzeeinwirkung auf die Platine montiert werden, daher kann es zu einer Verformung kommen. Ich habe gehört, dass bei Teilen, die keine präzise Modellierung erfordern, die Ausrüstung anderer Hersteller ersetzt werden kann, Präzisionsteile jedoch ohne den 3D-Drucker von BMF nicht hergestellt werden können. Derzeit arbeiten wir an einer Kombination aus beidem, aber ich würde mich freuen, wenn wir das alles auf einmal schaffen könnten.

Ich würde mich freuen, wenn ich die Teile noch schneller fertigen könnte. Ich benutze den Drucker jetzt seit 24 Stunden, aber die Wartezeit beginnt langsam zu enden. Es wäre hilfreich, wenn die in 25 unterteilte Laserbestrahlungsmethode effizienter wäre oder wenn es eine Methode gäbe, die eine schnellere Modellierung ermöglicht.

Labor teilen: Es ist eine Anfrage, die uns sagt, dass es wirklich genutzt wird. Herr Tamura von BMF, was denken Sie?

Herr Tamura: Wir arbeiten weiterhin an der Entwicklung hitzebeständiger Materialien über 250 Grad. Derzeit haben wir eine Temperatur von 217 Grad erreicht, es ist jedoch ziemlich schwierig, eine höhere Hitzebeständigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig eine präzise Modellierung zu ermöglichen. Die Stimmen, die ich wie die von Herrn Koyama höre, werden der Keim für weitere Verbesserungen sein.

BMF verfügt über einige Druckermodelle auf Produktionsniveau, die die Formzeit erheblich verkürzen können. Da es sich um einen Stereolithographie-3D-Drucker handelt, wird der Drucker nach der Anwendung von UV-Licht im DLP-Verfahren an der Modellierungsposition der nächsten Schicht eingestellt. Allerdings ist die Oberfläche des flüssigen Harzes wellig. Da die Dicke im Mikrometerbereich liegt, müssen wir warten, bis die Oberfläche der Flüssigkeit glatt ist, bevor wir sie erneut dem Licht aussetzen. Unser Rollensystem, das auf Produktionsdruckern verfügbar ist, kann diese Wartezeit verkürzen. Der Rollenmechanismus verkürzt die gesamte Bauzeit um mehr als 40 %. Kontinuierliche Verbesserungen werden fortgesetzt, beispielsweise das Rollensystem, das die Formzeit durch Minimierung der Fließzeit erheblich verkürzt

Herr Koyama: Es ist gut zu hören, dass sich die Wartezeit verkürzt. Es läuft immer noch fast 24 Stunden am Tag, daher ist es sehr attraktiv, 40 % schneller zu sein. Ich werde es mir ansehen.

Das endgültige Teil wird mit herkömmlichen Methoden hergestellt, der Prototyp wird jedoch mithilfe eines 3D-Druckers modelliert. Solche Bemühungen haben in der japanischen Fertigungsindustrie ernsthaft begonnen. Allerdings wissen nur wenige Unternehmen, dass es in Japan möglich ist, 3D-Drucker zu erwerben, die in der Lage sind, Teile mit einer Höhe von 1 mm und einer Breite von mehreren mm zu prototypisieren.

Dieses Interview ergab, dass Top-Player wie Hirose Electric, die den Weltmarkt anführen, dies bereits beherrschen und sowohl eine Beschleunigung des Entwicklungsprozesses als auch eine Kostensenkung erreichen. Für japanische Unternehmen, die auf dem Weltmarkt konkurrieren, ist die Verkürzung der Entwicklungszeit ein ständiges Ziel, um mit der Konkurrenz mithalten zu können. Ob 3D-Drucker das Prototyping beschleunigen und Kostenvorteile bringen können, muss erprobt werden.

Dieses Interview wurde von ShareLab geführt, geschrieben und fotografiert, einem Unternehmen, das sich auf japanische kommerzielle 3D-Drucker und AM (additive Fertigung) spezialisiert hat. Von Erläuterungen zu Grundkenntnissen wie Preisen und Modellierungsmethoden von Akzidenzdruckern, Suche und Vergleich von Harz- und Metall-3D-Druckern, Branchennachrichten und Veranstaltungsinformationen bis hin zu anderen nützlichen Informationen für die Überlegung der Einführung von Akzidenzdruckern. Diese Zusammenfassung wurde aus dem Japanischen übersetzt und das vollständige Interview kann hier gelesen werden.