Reuse von Elektronikkomponenten im Rahmen von

Reuse von Elektronikkomponenten im Rahmen von
MRO-Konzepten in Automobil, Bahn und Luftfahrt
Industrie
Grundlegende Aspekte und praktische Erfahrungen
Olaf Bochow-Neß
Ergebnisse aus den Projekten
ReECar – Nachhaltigkeit durch den Einsatz
von Gebrauchtteilen in der Kfz-Elektronik
LangzEl – Langzeitverfügbarkeit von Elektronik
Fraunhofer-Innovationscluster MRO in Energie und Verkehr
© Fraunhofer IZM
BMBF Programm FONA –
Forschung für Nachhaltigkeit
Motivation Reuse Elektronik: Ersatzteilversorgung
Geforderter Zeitraum der Ersatzteilversorgung: 20 Jahre +
Elektronik
ca. 5 Jahre
Angebotslücke in der Ersatzteilversorgung
Restriktionen
 technisch
Neuproduktion
Abwärtskompatibilität
?
Nachfertigung
Untersch. Wertigkeit
 technisch
 wirtschaftlich
 ökologisch
 sozialbezogen
Langzeitlagerung
Optionen der Ersatzteilversorgung
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
Wiederverwendung
Kennzeichen der Ersatzteilversorgungsoptionen
Abwärtskompatibilität
Nachfertigung
Einsatz von Baugruppen in aktuellen und
vergangenen Produkten
Kontinuierliches oder periodisches
Fertigen von Baugruppe nach EOP
 technische Restriktionen durch schnelle
Innovationszyklen
 erfordert Vorhalten von
Betriebsmitteln
 erfordert zumeist zusätzliche Bauteile
 erfordert Einlagern von Bauteilen (bei
Abkündigungen)
 kritisches Element: Mehraufwand in der
gesamten Serienproduktion
Langzeitlagerung
Wiederverwendung
Fertigen Abschlusslos, Einlagern der Baugruppen, Demontage der Betriebsmittel
Nutzen gebrauchter Baugruppen (nach
Prüfung oder nach Aufarbeitung)
 hohe Kapitalbindung
 Potenzial: Abfedern von FehlBedarfsprognosen
 kritisches Element: Bedarfsprognose
 zu viel: Entsorgung der Restbestände
 zu wenig: Redesign (im Fall von
Bauteilabkündigungen)
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
 Verfügbarkeit von Baugruppen
schwer vorhersagbar
 entscheidendes Element:
Qualitätssicherung
MRO Werkzeuge gebrauchte Komponenten
 Herstellersicht: Ersatzteilversorgung mit gebrauchten Komponenten –
Projekt ReECar, Automotive
 Verfügbarkeit der gebrauchten Komponenten am Markt
 Qualität gebrauchter Komponenten
 Produktgestaltung für die Langzeitversorgung
 Auswahl einer geeigneten Ersatzteilstrategie
 MRO Sicht: Werkzeuge zur Reparatur von Komponenten –
Projekt LangzEl, Bahn und Luftfahrt
 Zustandserkennung und Fehlerfindung (Thermografie)
 Reverse Engineering
 Qualität reparierter Lotverbindung
 Ersatzteilstrategien für MRO
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
Elektronische Baugruppen in modernen Automobilen
Schiebedachsteuergerät
Reversible Gurtstraffer
Datentransmitter
AirbagSteuergerät
Türsteuergeräte
Sitzsteuergeräte
Elektronisches
Bremssystem
Assistenzlenkung
Aktives Gaspedal
11.04.2012
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Anteil an Gesamtinput
Verfügbarkeit von Altteilen durch Demontage
 Nur 15% der Altfahrzeuge
verbleiben in Deutschland.
20%
15%
 Demontagebetriebe sind
über Datenbanken gut
vernetzt.
10%
5%
0%
5
10
15
20
25
Fahrzeug-Alter bei Annahme [Jahre]
 Nur geringe Stückzahlen
verfügbar.
 ESD muss über die
Demontagekette
sichergestellt werden.
Prozesskette Wiederverwendung
Beschaffen von Demontage von Distribution von Abschätzen der
Altfahrzeugen
Baugruppen
Baugruppen
Zuverlässigkeit
11.04.2012
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Aufarbeitung
Qualitätssicherung
Qualität gebrauchter Komponenten
x
50
x max
25
45
20
35
30
15
25
20
10
15
10
 z.B. Laufleistung oder Baujahr
5
5
0
0
0
 Grundlagenuntersuchung Qualität
 Umwelttests für Neuteile
(Temperatur, Vibration und Feuchte)
 Alle Teile bestehen elektrische Tests
während und nach den Umwelttests
Endurance Test
Thermal Shock
Vibration
Humidity
Group A
Group B
Group C
Group D
 Bei Langzeitgelagerten Bauteilen wurde eine
Degradation des Gehäusekunstoffs festgestellt
© Fraunhofer IZM
200
Initial Test
 Keine Auffälligkeiten in der AVT, keine
Korrelation zu Laufleistung
11.04.2012
50
100
150
km-Laufleistung / [km-Laufleistung] Log. NV ®
Visuell Inspection of Returns
 Detaillierte Analyse
 Umfangreicher Reinigungsprozess notwendig
absolute Häufigkeit ®
 Einfache Kriterien zur Einordnung gebrauchter
Baugruppen
relative Häufigkeit [%] ®
40
Output Test
Destructive Testing
Auswahl einer geeigneten Ersatzteilstrategie
Relevante Kriterien zur Bewertung
Technische Kriterien
Ökologische Kriterien
 Reaktionsvermögen auf langfristige
Abweichungen von der Prognose
 Primärenergiebedarf
 Bevorratungsrisiko
 Verfügbarkeit (Termin)
 Transportaufkommen
 Lagerungsaufwand
 Verfügbarkeit (Menge)
Wirtschaftliche Kriterien
Soziale Kriterien
 Beschaffungskosten Material
 Fertigungs-/Aufarbeitungskosten
 Gefährdungspotenzial in der
Produktion
 Lagerhaltungskosten
 Gesundheitszustand
 Entsorgungskosten
 Arbeitsbedingungen
 Beschäftigung
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 Beitrag zur Zukunftssicherung
Vorgehen zur Auswahl und Bewertung
Zeitperiode 1
Zeitperiode 2
Zeitperiode 3
Langztlg.
Abwärts.
Wiederv.
Nachfert.
Schritt 1
Auswahl
Nachfert.
Langztlg.
Wiederv.
Technisch geeignete Optionen
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Schritt 2
Bewertung
Wiederverwendung
Günstige Option
...
Schritt 2: Spezielle Werteskala zur Bewertung
Haupt- Gew.
krite- (Hauptkriteririum
um)
Technik +
Allgemein
0,3
Gew.
(Krite0
rium/Indikator)
Reaktionsvermögen auf 0,25 keine Reaktion möglich
langfristige
Abweichungen von der
Bedarfsprognose
Kriterium
Kriterium
0
Bevorratungsrisiko
Reaktionskeine 0,25
vermögen auf
Reaktion
langfristige
möglich
Bedarfs- Verfügbarkeit (Termin) 0,25
abweichungen
1
...
...
Beschaffungssehr hohe
kosten Fertigungskosten
Kosten: ... ...
ODER
(Material/Aufarbeitungskosten
gebr. >200 % der
BG)
Serienkosten
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
...
3
Wert
2
stark
eingeschränkte
Reaktion oder
hoher Aufwand
>6 Monate
Serienkosten (hohe
Anzahl an
Bauteilabkündigung
bzw. sehr hohe Kosten
für BG)
2
stark eingschränkte
Bereitstellung nach
Reaktion möglich oder Zeitablauf möglich,
Reaktion nur mit
Menge eingeschränkt
hohem Aufwand
möglich
hohes Risiko:
Bevorratung über den
gesamten
Planungszeitraum
erforderlich
Verfügbarkeit (Menge)
0,25 keine nennenswerten
Bevorratungshohes Risiko:
Mengen
risiko
Bevorratung
für GesamtWirtschaft
0,4
Beschaffungskosten
0,60 Sehr hohe Kosten:
(Betrieb)
Material ODERzeitraum
Beschaffungskosten
gebrauchte
erforderlich >200 % der
Baugruppen (BG)
1
im betrachteten
mittleres
Risiko:
Zeithorizont
Bevorratung
für
eingeschränkt
verfügbar
Teilzeiträume
Hohe Kosten:
Mittlere Kosten:
erforderlich
Beschaffungskosten
Beschaffungskosten
etwa 200 % der
Serienkosten (mittlere
Anzahl an
Bauteilabkündigung
bzw. Kosten für BG)
...
uneingeschränkte
Flexibilität hinsichtlich
Menge und Termin
3
mittleres Risiko:
Bereitstellung
Bereitstellung
Bevorratung für
Teilzeiträume des nach Zeitablauf
nach Zeitablauf
Planungszeitraums
möglich,
Menge möglich, Menge
erforderlich
eingeschränkt
ausreichend
>1 Woche...6 Monate
nur Teilbedarfe
erfüllbar
Hohe Kosten:
...
Beschaffungsko
sten etwa
200 % der
Serienkosten
Bereitstellung nach
Zeitablauf möglich,
Menge ausreichend
4
4
kein Risiko: Keine
Bevorratung
erforderlich
uneingeschränkte
Flexibilität
hinsichtlich
0...1
Woche
Menge/Termin
im betrachteten
praktisch unbegrenzt
Zeithorizont
verfügbar
ausreichend verfügbar
kein Risiko:
Keine
Bevorratung
Kostenlose Lieferung
erforderlich
gebrauchter
Geringe Kosten:
Beschaffungskosten
entsprechen etwa 150 entsprechen etwa 100 Baugruppen durch
% Serienkosten
% der Kosten der Serie OEM
(geringe Anzahl an
(keine
Bauteilabkündigung
Bauteilabkündigungen
bzw. Kosten für BG)
bzw. Kosten für BG)
Mittlere Kosten:
...
etwa 150
% der
Serienkosten
...
...
Geringe
...
Kosten:
etwa
100 % der
Kosten der
Serie
Kostenlose
...Lieferung
gebrauchter
Baugruppen
durch OEM
- Wiederverwendung
- Langzeitlagerung
- Nachfertigung
- Abwärtskompatibilität
Produktgestaltung für die Langzeitversorgung
Beispiel Baugruppe
 Demontagegerechtes Design
 zerstörungsfreie und einfache Demontage der Baugruppe aus dem
Fahrzeug
 robuste Auslegung gegen Beschädigung, weniger Werkzeugwechsel
 zerstörungsfreies Öffnen der Baugruppe bzw. des Gehäuses
 sonst evtl. Sollbruchstellen vorsehen
 Reparaturfreundlichkeit der Baugruppe
 zerstörungsfreies Öffnen der Baugruppe bzw. des Gehäuses
 sonst evtl. Sollbruchstellen vorsehen
 Lackierung und Verguss vermeiden
 lösbare Verbindungstechnologie (Kleben, Schweißen vermeiden)
 Heatsink / Wärmeleitpasten vermeiden
 austauschbare Dichtungen verwenden
 modularer Aufbau (funktionelle Gruppen)
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
Produktgestaltung für die Langzeitversorgung Zielkonflikt Serienfertigung und Langzeitversorgung
Serienentwicklung
Langzeitversorgung
 Kosten- / Ressourcenminimierung und
 Zusatzaufwand für LZV-Anforderungen
kürzer werdende Entwicklungszyklen
 Qualifizierung nach Lastenheft
 Design to Cost
 Steigende Komplexität der Produkte
und Technologien Innovation
 Erhöhter Qualifizierungsumfang für
Neuprodukte durch Zusatzanforderung
 Serienprodukt mit ggf. teureren Bauteilen
(längere Verfügbarkeit, Lagerfähigkeit,...)
 Risikominimierung zur Sicherstellung der
Ersatzteil-Lieferfähigkeit
 Keine allgemein gültige Handlungsempfehlung möglich
 Produktspezifische LZV-Strategie
 Berücksichtigung des gesamten Produktlebenszyklus (doppelte Lebensdauer bei
Wiederverwendung) schon in der Entwicklungsphase erforderlich
 Bewusstsein für Langzeitversorgung und gemeinsame Abstimmung zwischen
Kunde und Lieferant während der Produktentwicklung notwendig
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
Reparatur Elektronischer Baugruppen
in Bahn und Luftfahrt
Ziel:
 Umfassende Unterstützung von MRO-Prozessen im
Hinblick auf die Verbesserung der Langzeitverfügbarkeit
elektronischer Systeme
 Berücksichtigung technischer, wirtschaftlicher und
ökologischer Kriterien
Projekt LangzEl – Projektabschluss 30.06.2012
11.04.2012
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Verfügbarkeit von Altteilen durch Reparatur
Bahn und Luftfahrt
Werkzeuge
 Zustandserkennung und
Fehlerfindung mit Thermografie
Direkter Austausch
von Teilen
 Reverse Engineering
 Qualität reparierter Lotverbindung
 Ersatzteilstrategien für MRO
Einbau
Repariertes Teil
11.04.2012
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Ausbau
Altteil
Dokumentation
Befundung
Funktionstest
Funktionstest
Reparatur
Fehlersuche
Generierung von Stromlaufplänen für die
Leiterplattenreparatur
 Ausgangssituation
 Nutzer von Leiterplatten betreiben hohen
Aufwand zur Prüfplanerstellung
 Funktionelle Zusammenhänge unklar
 Stromlaufpläne sind nicht mehr (z. B.
Insolvenz des Herstellers) oder nicht in
ausreichender Qualität verfügbar
 Projektziele
 Definition und Machbarkeitsuntersuchung
einer integrierten Prozesskette zur
Schaltplangenerierung (Vorlaufforschung)
 Innovativer Einsatz optischer Verfahren
 Projektergebnis
 Prozessdefinition
 Algorithmen zur Pinidentifikation und
Bauteilsegmentierung in CT-Daten
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
Fehlersuche mit Thermografie
E
 Ausgangssituation
37.
33.
 Fehlersuche ist wesentlicher Fertigungsschritt
in der Reparatur
31.
28.
 Projektziel
 Vorlaufforschung zum Einsatz der
Thermografie zur schnelleren Fehlererkennung
 Bestimmung des Einflusses von Schutzlacken,
Umgebungsbedingungen und Betriebsarten
auf das Messergebnis
26.
24.
Temperaturerhöhung an
Leiterbahnverengung
 Ergebnisse
 Leitfaden Thermografie zur Fehlererkennung
in Elektronischen Baugruppen
 Referenzmessungen an Testbaugruppen
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
Package mit Überlast
Versorgung
22.
20.
Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf IR Messung
 DIL-Bauteil im Betriebsmodus (5V/0,1A)
 Unterschiedliche, farblose Lackvarianten
analysiert
28,9 °C
POI0
 Temperatur steht in Abhängigkeit der
Schichtdicke des Schutzlackes
Lack A
 Lackvarianten für Infrarot-Strahlung teilweise
durchlässig
LOI0
POI1
28,4 °C
 Reflektionsgrad unter der Lackschicht ist nicht
vernachlässigbar
  Leitfaden: Thermografie zur Fehlererkennung
in Elektronische Baugruppen
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
Lack A (2fach)
 Fehlererkennung muss individuelle Emissivität der
Baugruppe berücksichtigen
33,0 °C
POI0
LOI0
POI1
32,4 °C
Qualität reparierter Lotverbindungen
Ausgangssituation
 Austausch von Bauteilen mit Lotverbindungen ist
wesentlicher Reparaturschritt
Projektziel
 Vorlaufforschung zum Verständnis der
Möglichkeiten und Grenzen des Reparaturlötens:
 Anzahl der zulässigen Reparaturvorgänge
 Lötprozess
 Zuverlässigkeit
 Ergebnisse
 Optimierte Prozesse auf Grundlage von
Referenzuntersuchungen and THT und SMT
Baugruppen und vergleichende Lebensdauertests
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
Zusammenfassung
 Ersatzteilstrategien Wiederverwendung unterscheiden sich deutlich aus
Hersteller und MRO Sicht
 Hersteller (z.B. Automotive): Direkte Wiederverwendung Schwerpunkte Verfügbarkeit, Logistik und Qualitätssicherung
 MRO (z.B. Bahn und Luftfahrt): Durch relativ konstanten Bestand im
Feld mit langen Nutzungsdauern erfolgreiches Geschäftsmodell.
Schwerpunkte schnellere und günstigere Reparaturprozesse.
 Wesentliche Ergebnisse
 Automotive: Wiederverwendung ist aus Qualitätssicht möglich, jedoch
wegen der eingeschränkte Verfügbarkeit nur als Ergänzung sinnvoll
 MRO Bahn und Luftfahrt: Verbesserte Werkzeuge zur Reparatur, u.a.
durch automatische Funktionstests und Thermografie zur
Fehlererkennung.
11.04.2012
© Fraunhofer IZM
Kontakt
 Olaf Bochow-Neß
 [email protected]
 030 46403-218
 Abteilung Environmental and Reliability Engineering
 Abteilungsleitung Dr. Nils Nissen und Dr. Olaf Wittler
 [email protected] und [email protected]
 Sekretariat 030 46403-200
11.04.2012
© Fraunhofer IZM