Energieeffizientes Löten

Mehr als 20 Prozent elektrische Leistung lässt sich nun durch ein neuartiges Isolationskonzept der VisionXP+ reduzieren.Rehm

Eine Studie des VDMA belegt, dass im Jahr 2020 in Deutschland Energieeinsparungen von 12 Milliarden Euro allein durch den Einsatz energieeffizienter Maschinen erzielt werden können. Auch der Maschinenbau kann sich dieser Entwicklung nicht entziehen und so steht bei Rehm Thermal Systems die Entwicklung und die Herstellung energieeffizienter Anlagen und ein umweltschonender Umgang mit den Ressourcen im Vordergrund. Ein Ergebnis dieser Entwicklung ist das neuartige Reflow-Lötsystem VisionXP+. Ein geringer Stromverbrauch, neue Konzepte zur Reduzierung der benötigten Kälteleistung, weniger Lärm und niedrige Emissionswerte zeichnen die Anlage aus.

Bild 1: Energie- und Stoffströme einer Reflow-Lötanlage.Rehm

Bei der Umsetzung dieser Entwicklungsziele verfolgte Rehm einen ganzheitlichen Ansatz, der sowohl alle Energie- und Stoffströme in die Reflow-Lötanlage und aus dieser wieder heraus berücksichtigt (Bild 1), als auch die Wärmeübertragungstechnik der älteren VisionX-Serie und die Stickstoffatmosphäre im Fokus hat. Mehr als 20 Prozent an elektrischer Leistung lies sich durch ein neues Energiesparkonzept reduzieren. So beschränkt sich das Isolationskonzept nicht allein auf die Aussenhülle
der Prozesskammer, sondern beseitigt nunmehr auch die bisher
kritischen Wärmebrücken. Um die Wärmeabgabe weiter zu verringern wurde die Rohrleitungsführung der Abgasreinigung in die Prozesskammer integriert.

Nun scheinen 20 Prozent vielleicht nicht unmäßig viel, aber ausgehend von einem schon geringen Leistungsverbrauch der VisionXP sind ≥ 3,5 kWh (gemessen im Betriebszustand, Standard SAC-Reflowlötprofil, Einspur-VXP-Plus-734) Einsparung elektrischer Leistungsaufnahme ein Ergebnis, das eine Kosteneinsparung von bis zu 5000 Euro pro Jahr erbringen kann. Für die Umwelt ergibt sich hieraus eine CO₂-Reduzierung von jährlich bis zu 12 t.

Innere Werte zum äußeren Nutzen

Bild 2: Wärmebild der Außenhülle der VXP+ im Betriebszustand.Rehm

Die Oberflächentemperaturen der Außenhülle der VisionXP+ erreichen im Betriebszustand durchschnittlich mit 30 °C (Bedingungen wie vorher) sehr niedrige Werte, wodurch sich ein hoher Bedienkomfort und eine geringe Wärmeabstrahlung an die Umgebung ergibt (Bild 2). Die reduzierte Wärmeabgabe in den Raum kann auch den Energieaufwand für die Hallenklimatisierung senken. Steht die Fertigungslinie kurzzeitig still, kommt die Standby-Funktion der Anlage zum Einsatz, die durch Reduzierung der Gebläsedrehzahlen nochmals 3 kW im Vergleich zum Betriebsmodus einspart.

Maschinen machen Lärm, insbesondere wenn viele rotierende Elemente, wie etwa die Gebläsemotoren einer Konvektionsreflow-Lötanlage im Spiel sind. Mit der VisionXP+ ist es Rehm gelungen, den Schalldruckpegel gegenüber der bisherigen Standardserie um 5 dB(A) zu reduzieren. Mit unter 68 dB(A) erreicht die Anlage den vergleichbar niedrigsten Wert innerhalb der entsprechenden Klasse von Reflow-Lötanlagen und kann somit zukünftig einen entsprechenden Beitrag zum betrieblichen Gesundheits-Management und zur Mitarbeitergesundheit in den Fertigungsstätten leisten.

Bild 3: VolumenstromüberwachungRehm

In die VisionXP+ fließen die Technologien der VisionX-Serie ein: Dazu gehört die Pyrolysetechnik, die erheblich dazu beiträgt, die Verschmutzungssituation in der Reflow-Lötanlage zu verringern und damit die Aufwendungen für die Wartung einer VisionXP+ zu minimieren. Die Pyrolyse entnimmt kontinuierlich während des Reflowlötens einen Teil der Prozessgasatmosphäre und zersetzt das Rauchgas in einem thermischen Reaktor. Unter einer Stickstoffatmosphäre wird eine Abscheideleistung von über 97 Prozent (97 Prozent Partikelabscheidegrad, 30 Prozent Gesamtkohlenstoff-Abscheidegrad) erreicht. Auf diese Weise ist es möglich, die wöchentlichen Wartungsarbeiten in weniger als einer Stunde zu erledigen. Eine Wartung der Pyrolyse an sich ist sogar lediglich ein Mal pro Jahr notwendig. Die Kondensationsabscheidung und Filterung des Prozessgases in der Kühlstrecke wird durch eine Volumenstromüberwachung ergänzt (Bild 3). Diese sorgt dafür, dass der für die Kühlung der Baugruppen notwendige Volumenstrom auch bei stetig wachsender Residue-Beladesituation der Kühler und Filter stets konstant bleibt und somit zu einer hohen Prozessfähigkeit der Anlage beiträgt.

Prozessgase verbessern das Benetzungsverhalten

Bild 4a: SAC-Lotpaste auf galvanisch Kupfer, DCB-Substrat: Reflow unter LuftRehm

Nach wie vor besitzt das Löten unter einer inerten Atmosphäre einen großen Stellenwert in der Baugruppenproduktion. Stickstoff ist ein inertes Gas und verdrängt die Luft vollständig aus der Reflow-Lötanlage – wo keine Luft ist, kann auch nichts oxidieren. Dieser Prozessvorteil führt zu einem optimalen Ausbreitungsverhalten des schmelzflüssigen Lotes und damit zu besseren Benetzungsverhältnissen. Die Bilder 4a und 4b zeigen eindrucksvoll, dass sich beim Löten unter Stickstoff eine Oxidation insbesondere sensitiver Oberflächen – wie hier galvanisch Kupfer – vermeiden lassen. Die deutlich rötlich-braune Färbung der Kupferoberfläche auf dem Bild 4a entsteht durch die während des Reflowprozesses oxidierte Kupferoberfläche. Selbstverständlich ist es möglich, auch die VisionXP+ mit einer Stickstoffregelung auszurüsten. Diese eröffnet dem Betreiber ein größeres Prozessfenster und gibt ihm damit die Möglichkeit, Lötfehler wie etwa Tombstones wirkungsvoller zu bekämpfen.

Bild 4b: SAC-Lotpaste auf galvanisch Kupfer, DCB-Substrat: Reflow unter StickstoffRehm

Umstellzeiten auf ein anderes Temperaturprofil sind ein wesentlicher Kostenfaktor in der realen Produktionswelt. Die mit Rehms SSP-System (Speed Switch Process) ausgerüsteten VisionXP+-Anlagen verkürzen diese Umstellzeit beispielsweise auf 15 Minuten, wenn von einem SAC-Reflowprofil auf ein SnPb-Reflowprofil umgestellt wird. SSP beeinflusst während der aktiven Abkühlung die inerte Prozesskammeratmosphäre nicht, der Betreiber kann nach dem Erreichen der neuen Temperatursettings seinen Prozess mit der gewohnten Stickstoffatmosphäre fortsetzen.

Doppelt genutzter Stickstoff

Die Idee der Air Liquide-Gruppe heißt „Alix CoolFlow“ und besteht darin, -196 °C kalten Stickstoff aus einem Flüssiggastank für den Reflow-Kühlprozess zu nutzen. Anschließend wird der erwärmte Stickstoff wie gewohnt verwendet, um die inerte Prozessumgebung während des Reflowprozesses sicherzustellen. Damit entsteht ein doppelter Nutzen während des Stickstoffbetriebs. Gasförmiger Stickstoff, der ohnehin zu 71 Prozent in der Umgebungsluft vorkommt, ist ein täglich verwendetes Medium in den Anlagen von Rehm. Mit flüssigem Stickstoff zu arbeiten war für das Unternehmen jedoch neu, für Air Liquide allerdings ist dies das tägliche Geschäft.

Bild 5: Schematische Darstellung der ALIX CoolFlow-Kühlung (hier LIN).Rehm

Der tiefkalte (-196 °C) Stickstoff fließt mittels eines Vakuumschlauchs (Thermoskannenprinzip) flüssig zu den Wärmetauschern in der Kühlzone der VisionXP+, die sonst standardmäßig mit kaltem Wasser durchströmt werden. Werden die Kühler mit flüssigem Stickstoff betrieben, verdampft dieser aufgrund der wärmeren Prozesskammeratmosphäre der Lötanlage und entzieht der Kühlstrecke die entsprechende Phasenwechselenergie. Kurzum: Der Kühler wird als Verdampfer genutzt. Die vom Stickstoff bereitgestellte Phasenwechselenergie muss nicht mehr als Kälteleistung vom Kaltwasserkreislauf zur Verfügung gestellt werden. Der verdampfte Stickstoff wird der Prozesskammer der Anlage anschließend wieder zugeführt und stellt die inerte Lötatmosphäre sicher. Auf dem Bild 5 ist das Prinzip der Alix-CoolFlow-Kühlung zu sehen, die in diesem Fall nur einen Wärmetauscher betreibt.

Bild 6: VXP mit/ohne ALIX CoolFlow im Vergleich (hier LIN), Rehm-PTP-Messboard.Rehm

Für den Nutzer dieser Kühllösung ergeben sich einige positive Ergebnisse. Die vom flüssigen Stickstoff bereitgestellte Phasenwechselenergie führt zu einer Einsparung von 3,5 kWh thermischer Energie (gemessen bei einem mit Alix betriebenen Wärmetauscher in einer Einspur-VXP-Plus-734 und einem Stickstoffverbrauch von 20 m³/h) aus dem Kühlwasserkreislauf respektive einer zusätzlichen Einsparung von 1 kWh elektrischer Leistung. Das kann die CO₂-Emission pro Anlage um weitere 3,4 t senken. Diese Maßnahme kann auch als Beitrag zur Umweltzertifizierung nach ISO 14001 dienen. Positiv auf den Lötprozess wirken sich zusätzlich ein besserer Abkühlgradient und eine geringere Auslauftemperatur der gefertigten Baugruppen aus. Für das PTP-Messboard ließ sich die Auslauftemperatur bei gleichbleibender Kühlstreckenlänge um über 5 K senken (Bild 6). Dem Anwender entstehen mit Alix CoolFlow keine Mehrkosten, da der Stickstoff lediglich doppelt genutzt wird. Tatsächlich erhält er für dieselben Stickstoff-Betriebskosten eine zusätzliche Energieeinsparung. Im Gesamtkonzept ermöglicht die VisionXP+ mit dem Alix CoolFlow neben geringeren Auslauftemperaturen eine Reduzierung der erforderlichen elektrischen Leistung um 27 Prozent.

(mrc)