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Filmcoater mit Laser-Vorhangvermessung.
Schutzbeschichtung und UV-Trocknung im Applikationszentrum von Smarttec.
Beschichtungslinie mit UV-Trockensystem und umlaufenden Werkstückträger-Transport.
Beschichtungslinie für thermisch aushärtende Lacke.
Beschichtungslinie mit Magazinhandling

So sehen sich viele vor die Alternative gestellt, ihre Produkte außer Haus beschichten zu lassen oder sich doch früher oder später dafür zu entscheiden, die Fachkompetenz im eigenen Haus aufzubauen. Die selektive Schutzbeschichtung hat längst das „Schmuddel-Image“ des ungeliebten, unkontrollierbaren und unsauberen Fertigungsprozesses abgelegt.

Dies ist vorrangig der Pionierarbeit von Nordson Asymtek zuzuschreiben. Asymtek dominiert seit über 20 Jahren mit zahlreichen Patenten und größtmöglicher Prozesskontrolle dieses Segment. Der kalifornische Hersteller von Dosier- und Beschichtungsanlagen entwickelt Prozesslösungen für alle nieder- oder hochviskosen Medien, die in der Elektronik ihren Einsatz finden. Im deutschsprachigen Raum wird Asymtek vom Vertriebspartner Smarttec vertreten.

Step 1: Materialauswahl

Dabei besteht die Prozesslösung nicht nur darin, die für den Beschichtungsprozess geeignete Hardware zu definieren. Vielmehr beginnt ein stabiler Prozess mit der Auswahl des für die Applikation geeigneten Mediums, sprich dem Lack. Ein intensiver Austausch zwischen Chemiehersteller, Systemlieferant und Anwender sowie gemeinsam durchgeführte Versuche stellen dafür die Basis dar. Nur wenn der Lack reproduzierbar zu applizieren ist, hinreichende Konturenstabilität aufweist, akzeptable Trocknungseigenschaften hat und alle mechanischen, chemischen und elektrischen Anforderungen an das Produkt erfüllt, kann über den nächsten Schritt nachgedacht werden. Das Systemhaus smartTec bietet dafür in Rodgau ein Applikationszentrum, das sowohl Hardware- als auch Prozess-Know-how bereit hält.

Step 2: Das Herz der Linie – das Beschichtungsverfahren

Im Rahmen der Materialauswahl ergibt sich die Definition der Lackversorgung. Während hochviskose Silikate und manche UV-härtenden Lacke üblicherweise aus druckbeaufschlagten Systemen bedient werden, kommt bei lösemittel- oder wasserbasierten Lacksystemen vorzugsweise das beheizte, zirkulierende System zum Einsatz. Ein Blick in die Datenblätter der meisten Lacke legt offen, dass gerade bei einer Umgebungstemperatur zwischen 20 °C und 30 °C die Viskositätskurve des Mediums massiv abfällt. Als Folge stellen sich bei nicht klimatisierter Fertigungsstätte fast zwangsläufig Toleranzen durch Viskositätsschwankungen ein. Inwieweit sich diese Toleranzen als problematisch erweisen, hängt wiederum von den Anforderungen ab, die vom zu beschichtenden Produkt vorgegeben sind.

Diesem Effekt wirkt das beheizte zirkulierende System entgegen, indem der Lack konstant über Raumtemperatur gehalten wird. Gleichzeitig werden unerwünschte Nebeneffekte der Druckbeaufschlagung, wie etwa chemische Reaktionen mit inerten Gasen oder Feuchtigkeitsvernetzung durch eine Restfeuchtigkeit in der Druckluftversorgung, vermieden. Wo die Zirkulation wegen der höhen Viskosität des Mediums nicht möglich ist, hilft der klimatisierte Smarttemp-Vorratsschrank. Ein energieeffizientes Peltier-Element hält den Druckbehälter und das Originalgebinde auf konstanter Temperatur. Der Füllstand wird mittels Waage überwacht und mit der Beschichtungsanlage ausgetauscht, um das Bedienpersonal rechtzeitig auf Materialmangel hinzuweisen.

Aus der Viskosität des Lackes und den Anforderungen des Produktes geht die Auswahl des Applikationsventils hervor. Dabei ist die oberste Maxime, auf Sprühverfahren zu verzichten. Bei Sprühverfahren werden Lacke atomisiert um geringe Schichtstärken zu erreichen. Unvermeidbar sorgt dieses Verfahren für geringe Kantenschärfe und Lacknebel, der sich überall dort niederschlägt, wo Lackierung eigentlich vermieden werden sollte. Nordson Asymtek schafft da Abhilfe. Der Hersteller verfügt vom Filmcoater über das Swirl-Ventil bis hin zum Dosierjet über ein breites Spektrum an präzisen Applikationsventilen, das jede Anwendung ohne Overspray möglich macht.

Step 3: Trockenprozess – ultraviolett oder infrarot?

Spätestens seit dem Inkrafttreten der Lösemittelverordnung im Jahr 2001 gilt es als erklärtes Ziel, den Ausstoß von leichtflüchtigen organischen Lösemitteln (VOC) in die Atmosphäre zu verringern. Gleichzeitig sprechen Platzbedarf und Energieverbrauch für UV- aushärtende Lacke. Auf nur 1,4 m Länge lassen sich niedrigste Taktzeiten realisieren, da das Produkt nur etwa 15 s belichtet werden muss, um den Trockenprozess anzuregen. Erfordert der Lack hingegen eine rein thermische Trocknung fällt die Wahl auf einen kombinierten Infrarot-/Konvektionsofen.

Ein hoher IR-Anteil ist dabei wichtig, um den Lack von innen nach außen durchzuhärten. Ein zu hoher Konvektionsanteil führt zu Lufteinschlüssen und welliger Lackoberfläche (Orangenhaut). Auf die richtige Balance kommt es also an, denn die bei der Trocknung austretenden Lösemittel müssen mittels Konvektion in die Abluft abgeführt werden, um der Bildung eines zündfähigen Gemischs entgegenzutreten. Die Länge der IR-/Konvektionstrockenstrecke wird aus drei Parametern bestimmt: Erforderliche Trockenzeit, Länge des Produktes in Laufrichtung und Linientakt.

Step 4: Fertigung im Nutzen oder im Werkstückträger?

Da die Breite des Produktes (quer zur Transportrichtung) in diese Rechnung nicht eingeht, sollte es das Bestreben der Fertigungsplanung sein, die zur Verfügung stehende Arbeitsbreite der Lackieranlage und des Trockenofens bestmöglich auszunutzen. Sinnvollerweise sollte die Schutzbeschichtung erst dann erfolgen, wenn die Einzelschaltungen aus Fertigungsnutzen ausgetrennt und elektrisch geprüft wurden. Ein nicht zu vernachlässigender Aspekt sind die für die jeweiligen Anforderungen des Lackierens und Trocknens konzipierten Werkstückträger. So sollten sie die bestmögliche Nutzung des Arbeitsbereichs ermöglichen, definierte Auflagebereiche der Produkte erlauben, die Werkstücke mit geringen Lagetoleranzen klemmen und sich zum Wenden der Werkstücke eignen, wenn eine beidseitige Beschichtung nötig ist. Maßhaltigkeit und geringer Verzug trotz thermischer Belastung sollte genauso gegeben sein wie eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials. Zudem ist es der besseren Energieeffizienz halber wichtig, dass sie möglichst wenig thermische Masse aufweisen. Aus diesen Aspekten heraus eignen sich glasfaserverstärkte Kunststoffe am besten und sind daher allen Metallen vorzuziehen.

Step 5: Beidseitige Lackierung in einem Durchlauf?

Im Rahmen der Applikationsversuche ist ebenfalls zu klären, ob bei beidseitiger Lackierung der Baugruppen gleichzeitiges Trocknen in Frage kommt. Dies wäre durchaus wünschenswert, denn nicht selten erweist sich nicht die Lackieranlage sondern der Trockenofen als Flaschenhals der Fertigung. Bei einer vor der Lackieranlage positionierten Wendestation kann diese zunächst die meist unkritischere Unterseite zur Beschichtung in die Lackieranlage einlaufen lassen. Sobald die Beschichtung der Unterseite abgeschlossen ist, fährt das Produkt zurück zur Wendestation um Nutzen oder Werkstückträger erneut um 180 Grad zu drehen. Nun wird die oftmals anspruchsvollere Oberseite lackiert, bevor die Baugruppe in einem Durchgang getrocknet wird. Das beidseitige Trocknen ist übrigens sowohl im IR-Verfahren als auch bei UV-Trocknern mit beidseitig angeordneten Strahlern möglich.

Step 6: Qualitätssicherung

Nachdem der Prozess in den ersten vier Schritten weitgehend definiert ist, stellt sich nun die Frage, mit welchen Mitteln sich die Fertigungsqualität dauerhaft sicherstellen lässt. Die Anlagenkomponenten selbst bieten da bereits grundlegende Leistungsmerkmale, die sich als empfehlenswerte Optionen auswählen lassen. So wird die Konstanz des Filmcoaters mit der Laser-Vorhangvermessung nicht nur überwacht, sondern durch Änderung des Materialdrucks sogar geregelt. Bei druckbeaufschlagten Lacksystemen ist es möglich, die dosierte Materialmenge über das „Flow-Monitoring“, eine hochauflösende Messzelle, zu überwachen und auch zu protokollieren. Auch die Trockenprozesse sind selbstüberwachend. Beim IR-Trockner stehen alle Temperaturzonen, beim UV-Trockensystem steht die Intensität des UV-Strahlers in einem geschlossenen Regelkreis. So wird sichergestellt, dass jedes Produkt der voreingestellten Energie ausgesetzt wird.

Darüber hinaus stehen Handling-Lösungen zur visuellen Kontrolle und die Automatische Coating-Inspektion (ACI) zur Qualitätssicherung zur Verfügung. Bei der visuellen Kontrolle stoppen die Produkte in voreingestellten Zyklen an einem Inspektionsband zwischen Lackieren und Trocknen. Als Entscheidungshilfe wird dem Anwender die Bildvorlage einer optimal lackierten Baugruppe gezeigt. Die Baugruppe auf dem Transportsegment wird mit der Vorlage verglichen und je nach Fertigungskonzept entnommen oder als „in Ordnung“ oder „nicht in Ordnung“ definiert. Hingegen übernimmt das ACI-System diese Aufgabe automatisch. Zudem ist es möglich, die Inspektionsdaten an einen nachgeschalteten Prozess weiterzuleiten.

Step 7: Wieviel Handling soll es sein?

Aus der Beantwortung all der voran behandelten Fragen ergibt sich ein erstes Linienlayout. Im einfachsten Fall lassen sich die Prozessmodule Wendestation, Lackieranlage, Inspektionsmodul und Trockenstrecke durch ein Eingabe- und Ausgabeband ergänzen. Daraus resultiert jedoch bei geringen Taktzeiten der Lackieranlage ein hoher Personalaufwand für das Auflegen und Entnehmen der Baugruppen. Bei der Verwendung von Werkstückträgern erhöht sich dieser Aufwand nochmals, da sie wieder zurück zum Linienanfang zu befördern sind.

Sind Baugruppen im Mehrfachnutzen zu lackieren, so gilt: Was bei SMD-Linien nützlich ist, kann in einer Lackierlinie nur gut sein. Leiterplattenmagazine reduzieren Personalaufwand und Stillstand durch Materialmangel. Das Magazin-Konzept ist bei Verwendung von Werkstückträgern nicht unbedingt sinnvoll. Stattdessen sollte ein umlaufendes Transportsystem dafür sorgen, dass Werkstückträger an einer zentralen Stelle be- und entladen werden.

Step 8: Automatisierung ermöglicht „One-Piece-Workflow“

Während noch in der SMD-Bestückung der Liniengedanke weite Zustimmung findet, obwohl Stückzahlen doch eigentlich flexibel und möglichst klein gehalten werden sollen, setzt sich gegen Ende des Fertigungsprozesses immer öfter der Lean-Management-Gedanke durch. Es soll gefertigt werden, was kurz zuvor beauftragt worden ist. Losgröße 1 und „One-Piece-Workflow“ sollen Fertigungs-Durchlaufzeiten beschleunigen und unnötige Puffer vermeiden. Spricht die Idee einer Lackierlinie also dem Lean-Gedanken entgegen?

Beschichtungslinie mit umlaufendem WT-Transportsystem.

Beschichtungslinie mit umlaufendem WT-Transportsystem.Smarttec

Nein, weil mit festgelegter Transportbreite und entsprechender Fertigungsautomatisierung bereits eine Losgröße von einem Stück machbar ist. Mit dem eigens von Smarttec entwickelten Smartcontrol genannten Tool zur Liniensteuerung, lassen sich Datenträger der Werkstückträger oder Codes der zu lackierenden Baugruppen einlesen und das zugeordnete Programm automatisch starten. Eine Wendestation wird in die richtige Betriebsart versetzt und am Inspektionsmodul das Vergleichsbild der aktuellen Baugruppe visualisiert.

Fertigungsablauf einer vollautomatisierten Lackierlinie

Für die zu lackierenden Baugruppen beginnt die Reise am Ein- beziehungsweise Ausgabeband (Modul B), wo ein bereitstehender Werkstückträger (WT) wartet. Die codierten Baugruppen werden dabei eingelesen und ein mit dem WT verbundener Transponder (RFID) von der Liniensoftware Smartcontrol programmiert. Ist der WT fertig beladen sowie Lackieranlage und Wendestation bereit, erteilt die Software die Freigabe zur Weiterfahrt in die Wendestation (Modul C). Je nach Produkttyp ist vordefiniert, welche Seite zuerst in die Lackieranlage (Modul D) kommt. Das Lackierprogramm startet automatisch. Je nach Betriebsart fährt der WT zurück zur Wendestation oder weiter zur Sichtkontrolle auf Modul E. Dort hält die Baugruppe wahlweise zur Stichprobenkontrolle oder zur hundertprozentigen Inspektion an und wartet auf die Bestätigung des Operators. Zur Unterstützung der Gut-/Schlecht-Entscheidung erscheint an einem Monitor das „Golden Board“ – also das Beispiel einer optimal lackierten Baugruppe. Neben der Quittierung lassen sich hier die Baugruppen ausschleusen oder nachbearbeiten. Nachdem gute und reparierte Baugruppen die Trockenstrecke (Modul F) durchlaufen haben, separiert das Transportmodul G diese. Der Lift (Modul H) senkt sie auf die untere Transportebene ab. Ein Metall-Rollenkettentransport befördert die WTs zum Linienanfang zurück. Liftsystem A hebt die WTs wieder auf die Arbeitshöhe und leitet diese dann weiter an das Ein-/Ausgabeband. Hier endet die Reise: Der Operator entnimmt die fertig lackierten Baugruppen und legt neue auf. An einem Monitor lassen sich die Seriennummern der Baugruppen mit entsprechendem Lackierstatus anzeigen.

Step 9: Traceability und Prozessverriegelung

Die durchgängige Kodierung der Baugruppen sowie der Werkstückträger legt nahe, dass damit bereits der Grundstein zur Traceability, also der Rückverfolgbarkeit der Produktionsdaten, gelegt ist. Smartcontrol speichert alle Prozessparameter und Zeitstempel und verbindet diese mit den Codes der Werkstückträger und der einzelnen Baugruppen. Die Daten lassen sich nachträglich auslesen oder in einem gemeinsam definiertem Protokoll an ein Traceability-System zurückmelden.

Von Prozessverriegelung spricht man in diesem Zusammenhang, wenn vor Ausführen eines Prozessschrittes die Autorisierung eines Leitsystems eingeholt werden muss. Es soll also im konkreten Beispiel sichergestellt sein, dass die zu lackierende Baugruppe auch alle Vorprozesse bis hin zum elektrischen Test erfolgreich durchlaufen hat. Smartcontrol bildet die Kommunikationsschnittstelle zwischen hauseigener Fertigungssteuerung und der Beschichtungslinie und lässt sich variabel an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen.

Step 10: Sicherheitskonzept und CE-Konformität der Linie

Spätestens seit der Neufassung und Inkrafttreten des Produktsicherheitsgesetzes im Dezember 2011 geraten Maschinenlieferanten und auch Betreiber zunehmend unter Druck, verkettete Einzelsysteme in puncto Sicherheit auch als Gesamtsystem zu betrachten. Dabei kann der Betreiber sich nicht auf die Konformitätserklärung der Hersteller berufen. Vielmehr bedarf es einer Risikobeurteilung für das Gesamtsystem. Diese sollte sich bei selektiven Beschichtungslinien insbesondere auf die Schnittstellen zwischen den Einzelsystemen und bei Verwendung explosionsfähiger Stoffe auf die ATEX-Richtlinie fokussieren.

Betreiber, die ihre Fertigungslinien selber planen und aus Einzelsystemen verschiedener Hersteller zusammensetzen, sehen sich dabei diversen Fragen ausgesetzt. Beispielsweise ob sich die Sicherheitselemente (Not-Halt) der Einzelsysteme verketten lassen. Falls ja, stellt dies zwangsläufig einen Eingriff in die Sicherheitskreise dieser Maschinen dar. Es versteht sich von selbst, dass dieser Eingriff wiederum mit den Herstellern der Einzelsysteme abzustimmen ist. Gedanken muss sich der Planer auch darüber machen, ob eine Maschine in der Linie zu stoppen ist, wenn ein benachbartes System geöffnet wird. Auch gilt es zu eruieren, welche Sicherheitsabstände zu Gefahrenbereichen einzuhalten sind.

Besonderes Augenmerk gilt der Auslegung des Abluftsystems, da dieses ein zentrales Sicherheitselement darstellt, wenn lösemittelhaltige Lacke verarbeitet werden sollen. Daher stellt sich hier die Frage, in welcher Sicherheitskategorie die zusätzlichen Schutzmaßnahmen auszulegen sind. Zudem fordert die Maschinenrichtlinie einen zentralen, abschließbaren Hauptschalter für die Energieversorgung der Linie. Dieser sollte alle Einzelsysteme, also auch die Trockenstrecke stromlos schalten.

Als Ergebnis der Risikoanalyse und nach dem Verfassen einer Betriebsanleitung für die Gesamtlinie bestätigt der Ersteller mit der CE-Konformitätserklärung, dass die einschlägigen Richtlinien Beachtung gefunden haben. Es ist leicht nachzuvollziehen, dass man als zukünftiger Betreiber einen Teil dieser Verantwortung gerne an den Lieferanten einer Gesamtlinie abgibt.

Alles bestens im Blick

Der Generalunternehmer begleitet die Fertigungsplanung eines zukünftigen Beschichtungslinie-Betreibers von der Prozessentwicklung über Planungsphase und Inbetriebnahme bis zum After-Sales-Support. Smarttec kann auf zahlreiche erfolgreiche Projekte und eine langjährige Erfahrung als Systempartner blicken. Damit erfüllt das Unternehmen genau diese Aufgabe von der Applikationsunterstützung bis hin zur Planung komplexer Fertigungslinien inklusive der kundenspezifischen Schnittstellen. Das Herz der Linie wird dabei stets aus der bewährten Beschichtungstechnologie von Nordson Asymtek gebildet.