Kostenfaktoren für Batch-Reinigungsprozesse

Im dritten und letzten Teil der hier vorliegenden Artikelreihe werden die Einflussgrößen auf die Kosten von Batch-Reinigungsprozessen genauer betrachtet. Der 1. Teil dieser Artikelreihe (productronic 1/2-2011, S. 22, infoDIREKT 408pr0311) zeigte die allgemeinen Faktoren auf, die die Kosten eines Baugruppenreinigungsprozesses beeinflussen. Dabei wurden sowohl Inline- bzw. Durchlauf- als auch Batchprozesse generell betrachtet.

Um die „wahren“ Kosten eines Reinigungsprozesses zu ermitteln, gilt grundsätzlich, dass man die Gesamtkosten ins Verhältnis zum Durchsatz bzw. zu der Anzahl der gereinigten Teile setzen sollte. Die Faustformel lautet also:

Investitionen bzw. Abschreibungen plus laufende Kosten pro Anzahl der gereinigten Teile = Kosten pro gereinigtem Teil.

Die Auswahl der Reinigungsanlage in Abhängigkeit vom Baugruppendurchsatz bildet dabei eine wichtige Basis, um die geringsten Kosten pro gereinigtem Teil realisieren zu können. Allerdings ist damit, wie bereits erwähnt, nicht automatisch ein vollständig kostenoptimierter Prozess gewährleistet. Die Kostenfaktoren können bei den einzelnen Reinigungsanwendungen verschieden sein und gleichzeitig eine unterschiedliche Gewichtung haben. Daher ist eine genauere Betrachtung der verfügbaren Prozesse erforderlich.

Der 2. Teil (productronic 10-2011, S. 22, infoDIREKT 424pr1011) widmete sich daher speziell den Inline- bzw. Durchlaufprozessen. Diese sind insbesondere für hohe Durchsätze bei einem eher geringen Teilespektrum konzipiert. Einsparungsmöglichkeiten speziell für diese Prozesse wurden im zweiten Teil dieser Artikelreihe ausführlich beschrieben.

Bei dem vorliegenden 3. Teil der Serie werden abschließend die Faktoren genauer betrachtet, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Prozesskosten von Batchprozessen haben. Alle Ergebnisse aus dieser Studienserie wurden durch umfangreiche Versuche in Zestrons Technischen Zentren ermittelt.

Batch-Reinigungsprozesse

Wie bereits eingangs erwähnt, empfiehlt sich diese Prozessart für Anwender, die geringe bis mittlere Teiledurchsätze reinigen müssen. Aber auch für Anwender mit hohen Durchsätzen und einem dabei großen Teilespektrum können Batch-Reinigungsprozesse aufgrund der höheren Prozessvariabilität im Vergleich zu Durchlaufanlagen die optimale Lösung darstellen.

Batch-Reinigungsanlagen sind entweder Tauchreinigungsanlagen oder Einkammerspritzanlagen.

In Tauchreinigungsanlagen werden die Baugruppen typischerweise durch mehrere Reinigungsbecken geführt, in denen die einzelnen Prozessschritte Reinigen, Spülen und Trocken getrennt ablaufen (Bild 2). Die für die Reinigung notwendige Agitation des Reinigungsmediums wird hier durch Ultraschall oder Druckumflutung erzielt. Je nach zu bewältigendem Teiledurchsatz kann die Umsetzung des Reinigungsgutes von einem Prozessschritt in den nächsten manuell oder automatisch erfolgen. Dieser Artikel wird sich in der Folge ausschließlich auf die vollautomatisierten Tauchprozesse beziehen.

In Einkammerspritzanlagen erfolgt die Reinigung gemäß dem Spülmaschinenprinzip (Bild 3). Alle Prozessschritte werden in der gleichen Prozesskammer abgearbeitet. Das Reinigungsmedium wird hier über Düsenstöcke oder rotierende Sprüharme auf die elektronischen Baugruppen verspritzt. Die Reinigungswirkung erfolgt hierbei in der Regel nicht wie in In-Line-Prozessen über den Druck des Spritzstrahles, sondern vielmehr über das Volumen an Reinigungsmedium, das über die Substrate geführt wird.

Einflussgrößen bei Neuinvestitionen

Ähnlich wie bei Durchlaufanlagen müssen bei der Anschaffung eines Batchreinigungsprozesses verschiedene Faktoren beachtet werden, die später ebenfalls einen Einfluss auf die Prozesskosten haben. Neben der Einhaltung des Investitionsbudgets spielen bei einer Neuinvestition der erwartete Produktionsdurchsatz, die verfügbare Stellfläche und der gewünschte Automatisierungsgrad eine tragende Rolle. In der Tabelle (Bild 4) sind beispielhaft verschiedene Prozesstypen hinsichtlich dieser Aspekte gegenübergestellt.

Im Bereich des Teiledurchsatzes liegen beide Batchsysteme unter dem Volumen eines Durchlaufprozesses. Daher ist dieser Prozesstyp wie bereits erwähnt eher für mittlere Durchsätze von 500 bis 1.500 Teile pro Schicht geeignet. Auf der anderen Seite benötigen Batchprozesse aufgrund ihrer Bauweise deutlich weniger Stellfläche als Inline-Prozesse, wodurch sie sich platzsparender in eine Fertigung integrieren lassen.

Obwohl Einkammerspritzanlagen und automatisierte Tauchanlagen beide einen sehr hohen Automatisierungsgrad aufweisen, können in automatisierten Tauchanlagen gegenüber Einkammerspritzanlagen höhere Stückzahlen realisiert werden. Dies ist durch die räumliche Trennung der Prozessschritte in Tauchanlagen begründet. In Mehrkammertauchanlagen entfallen gegenüber Einkammerspritzanlagen ebenfalls die Zeiten für das Befüllen und Entleeren der Prozesskammer.

Allerdings ist eine hohe Automatisierung des Reinigungsprozesses mit entsprechend höheren Investitions- und Wartungskosten verbunden. Diese rechnen sich nur, wenn die Anlage ausgelastet ist und die Kosten so auf große Stückzahlen umverteilt werden. Gleichzeitig erzielt man durch einen automatisierten Prozessablauf, wie bei einer automatisierten Tauchanlage oder einen Einkammerspritzanlage, eine erhöhte Prozesssicherheit und niedrigere Personalkosten. So werden durch eine automatische Führung der Reinigungsschritte Fehler im Prozessablauf vermieden, reproduzierbare Reinigungsergebnisse ermöglicht und die Operatorzeit an der Anlage verringert, da eine permanente Anwesenheit nicht von Nöten ist.

Wie bereits in den vorhergehenden Artikeln aus dieser Serie erwähnt, werden die Betriebskosten für Energie, Personal und Wartung größtenteils durch die Anlagenbeschaffung festgelegt, ohne dass gezielte Maßnahmen für wesentliche Einsparungen ergriffen werden können. Im laufenden Prozess, d.h. während der Elektronikproduktion, sind daher andere Faktoren für Kostenersparnisse entscheidend, auf die nachfolgend im Detail eingegangen werden soll.

Laufende Kosten bei Batchanlagen

In der Studie Prozesskosten bei Batchanlagen erwiesen sich speziell die Bereiche Reinigungsmedium, Prozessparameter und die jeweilige Anlagenperipherie als beinflussbare und damit optimierbare Kostenfaktoren (Bild 5). Dieses Ergebnis steht analog zu den Resultaten aus den Studien zu Durchlaufanlagen. Ebenfalls zeigten die Untersuchungen, dass die Faktoren in gegenseitiger Abhängigkeit zueinander stehen.

In der Detailbetrachtung der Prozesse haben die einzelnen Bereiche jedoch einen unterschiedlich großen Einfluss auf die Kosten. Um für eine klarere Darstellung zu sorgen, werden im Folgenden die Tauchprozesse von der Einkammerspritzreinigung getrennt betrachtet.

Reinigungsmedien für Tauchanlagen

Allgemein lassen sich die Kosten an Reinigungsmedium durch den Einsatz eines modernen Reinigers minimieren. Wässrige Reinigungsmedien der neuesten Generation weisen oft Einsatzkonzentrationen im Bereich von 15 bis 20 % auf, während ältere Medien oft bei 30 % oder höher liegen. Durch die niedrigen Einsatzkonzentrationen können in der Folge Verluste durch Verschleppung oder Verdampfung deutlich minimiert werden.

Neben der Einsatzkonzentration des Mediums spielt vor allem die Badstandzeit hinsichtlich der Kosten eine wichtige Rolle. Moderne Medien, z. B. MPC-Reiniger, lassen sich durch einfache Verfahren aufbereiten, womit die Badstandzeit deutlich verlängert werden kann. Durch eine verlängerte Badstandzeit kann man Kosten für Badwechsel verringern, was weiterhin zu einem geringeren Wartungsaufwand für den Operator führt.

In Tauchreinigungsanlagen können neben wässrigen Reinigern auch moderne, Lösemittel basierende Reiniger mit hohem Flammpunkt zur Flussmittelentfernung eingesetzt werden. Charakteristiken dieser Medien sind ein breites Reinigungsfenster sowie eine schnelle Trocknung, aber damit auch erhöhte Verdunstungsverluste im Vergleich zu ihren wässrigen Pendants.

Prozessparameter für Tauchanlagen

Wie bereits erwähnt, können Verschleppungs- oder Abdampfverluste durch eine niedrige Einsatzkonzentration des Mediums verringert werden. Eine weitere Möglichkeit der Kostenreduzierung speziell im Fall von Verschleppungsverlusten, die bei Tauchanlagen einen der größten Verbrauchswege darstellen, ist die richtige Prozessparametrierung.

Die Verschleppungsverluste sind abhängig von dem Reinigungsgut selber und der gewählten Abtropfzeit. Der Aufbau des Reinigungsgutes, sprich das Basismaterial und die Bestückung, haben einen entscheidenden Einfluss auf die Menge an verschlepptem Reinigungsmedium. Da sich dieser Aufbau der Baugruppen nicht verändern lässt, sollte zur Senkung des Reinigerverbrauchs die gewählte Abtropfzeit optimiert und bei der Auslegung der Transportkörbe darauf geachtet werden, dass möglichst viel Reinigungsmedium in das Reinigungsbad zurücklaufen kann.

In den Technologiestudien wurde festgestellt, dass eine Verlängerung der Abtropfzeit nur bis zu einem gewissen Punkt sinnvoll ist. Die Verweildauer oberhalb des Reinigungsbeckens sollte zwischen 60 und 90 s liegen, da durch kürzere Abtropfzeiten unnötig viel Reinigungsmedium verschleppt und durch längere Abtropfzeiten die Prozesszeit verlängert wird, ohne dass signifikante Einsparungen erzielt werden (Bild 6).

Anlagenperipherie für Tauchanlagen

Im Bereich der Anlagenperipherie bei Tauchreinigungsanlagen fällt speziell die Spülwasseraufbereitung als weiterer Kostenfaktor ins Gewicht. Hauptkostentreiber sind hierbei die Aktivkohle und das Mischbettharz. Um die laufenden Kosten im Prozess zu verringern, sollte wenn möglich vorab eine Grobspülung mit Stadtwasser der VE-Wasserspülung erfolgen. Diese kann sowohl offen als auch geschlossen gefahren werden. Durch die Vorspülung wird die Belastung der Aktivkohle und des Mischbettharzionentauschers im VE-Wasserkreislauf erheblich verringert. Es werden so Kosten für die Aufbereitung der Patronen und die zum Austausch notwendige Arbeitszeit eingespart.

Laufende Kosten Einkammerspritzanlagen

Entsprechend den Tauchanlagen setzen sich auch in Einkammerspritzanlagen die Prozesskosten aus den Aufwendungen für das Reinigungsmedium, Prozessparametrierung und Anlagenperipherie zusammen.

Dabei sind im Bereich des Reinigungsmediums ebenfalls Einsatzkonzentration und Badstandzeit Haupttreiber mit den bereits erwähnten Auswirkungen auf die Prozesskosten. Allerdings hat die Badlebensdauer des Reinigers auf die Badwechsel in Einkammerspritzanlagen einen geringeren Einfluss. Die Verschleppung von Reinigungsmedium und das resultierende Nachfüllen von frischem Medium bewirkt im Zusammenspiel mit der Filtration häufig eine zusätzliche Erneuerung des Reinigungsbades. Die Badstandzeiten verlängern sich somit und der Aufwand für Badwechsel wird gesenkt.

Prozessparameter für Einkammeranlagen

Im Bereich der Prozessparametrierung können analog zu Tauchanlagen auch bei Einkammerspritzprozessen Verschleppungsverluste von Reinigungsmedium durch bereits erwähnte Abtropfzeiten reduziert werden.

Allerdings haben die Studien gezeigt, dass der durch Verschleppung von Reinigungsmedium in Einkammerspritzanlagen entstehende Verbrauch nicht primär durch das Reinigungsgut bestimmt wird, sondern eher durch die Verschleppungsverluste der Anlage selbst.

So verbleibt nach der Reinigung stets eine bestimmte Menge an Reinigungsmedium in den Düsenstöcken, der Pumpe, den Schlauchverbindungen und an den Kammerwänden. Dieses Totvolumen wird in den nachfolgenden Spülschritten mit dem Spülwasser ausgetragen. Diese anlagenbedingten Verschleppungsverluste verursachen ca. 25 % der Gesamtprozesskosten einer Einkammerspritzanlage. In den von Zestron durchgeführten Studien zeigte sich, dass je nach Aufbau der Reinigungsanlage diese Werte unterschiedlich hoch sein können.

Ein weiterer Punkt bei der Prozessparametrierung ist die Einstellung der Heizung für das Reinigungsbad. Beispielsweise ist für Prozesse, die kontinuierlich laufen, ein Heizen des Reinigungsmediums im Vorratstank effektiver als dieses bei jedem Reinigungszyklus in der Prozesskammer erneut zu erwärmen. Werden hingegen nicht kontinuierlich Reinigungszyklen gefahren, so wäre eine dauerhafte Erwärmung uneffektiv und würde unnötig hohe Energiekosten und Verdampfungsverluste verursachen.

Anlagenperipherie für Einkammeranlagen

Bei der Anlagenperipherie hat analog zu Tauchanlagen die Aufbereitung des Spülwassers den größten Anteil an den Prozesskosten. Hier sollte eine sorgfältige Abwägung zwischen geschlossenem und offenem Spülwasserkreislauf erfolgen. Wird in einem komplett geschlossenen System gefahren, so entfallen zwar die Kosten für Wasser und ggf. Entsorgung, allerdings steigen auf der anderen Seite die Kosten für die Aufbereitung und den Wechsel von Mischbettharzpatronen und Aktivkohle.

Da die Kosten für die VE-Wasser-Aufbereitung in der Regel in Batch-Prozessen von den Aufwendungen für die Mischbettharz- und Aktivkohlepatronen abhängen, sollten diese sorgfältig ausgewählt werden. Es ist wichtig hierbei nicht allein den Preis/kg für Mischbettharz und Aktivkohle in den Vordergrund zu stellen, sondern auch die Aufnahmekapazität der Patronen zu beachten. Beispielsweise sind qualitativ hochwertigere Kohlen zwar teurer, weisen aber dafür im Gegenzug eine um bis zu 50 % längere Standzeit auf. Somit lassen sich die Kosten für Wartung und Anlagenstillstand minimieren.

Fazit

Die aufgeführten Ergebnisse der Studien zu den Prozesskosten bei Batch-Reinigungssystemen zeigen die Vielzahl der Einflussgrößen bzw. Kostenfallen, die bei der Ermittlung des kostengünstigsten Reinigungsprozesses beachtet werden müssen.

Analog zu den Durchlaufprozessen sind die Hauptkostenbereiche in laufenden Batch-Prozessen das Reinigungsmedium, die Prozessparameter und die Anlagenperipherie. Abermals ist jedoch entscheidend, dass sich diese Kostenfaktoren gegenseitig bedingen und daher aufeinander abgestimmt sein müssen.

So lässt sich z.B. in Tauchprozessen durch den Einsatz moderner Reinigersysteme, die bereits bei geringen Anwendungstemperaturen operieren können, die Heizleistung für das Reinigungsbad senken. Ebenfalls können Verdampfungsverluste und damit Energiekosten für die Absaugung dadurch verringert werden.

Bei der gesamten Artikelserie hat sich immer wieder gezeigt, dass jeder Prozess, ob Durchlaufanlage, Batch Tauch- oder Einkammerprozess, und die dazugehörigen Kostenfaktoren unterschiedlich hohen Einfluss auf die Gesamtprozesskosten haben. Eine allgemein gültige Lösung und Empfehlung ist daher nicht möglich. Vielmehr muss ein kostenoptimierter Prozess für jeden Anwender individuell ermittelt werden.

Dabei haben jedoch neben den Kosten der verschiedenen Prozessarten auch technische Faktoren einen großen Einfluss. So muss bei der Auswahl des Reinigungsprozesses u. a. bedacht werden, dass der Reiniger die eingesetzten Flussmittel rückstandsfrei entfernt, dass eine gute Reinigung und Trocknung auch unter Komponenten gewährleistet ist und dass z. B. die Verträglichkeit des Reinigers mit den auf den Baugruppen vorhandenen Materialien gegeben ist. Daher ist es sinnvoll, den Rat eines Reinigungsexperten einzuholen, der individuell berät und mit den komplexen Zusammenhängen der Reinigung sowie der Prozesskosten vertraut ist.

(hb)