Im ersten Teil dieser dreiteiligen Artikelreihe (vgl. productronic 3-2011, S. 22) wurden bereits die allgemeinen Kostenverursacher in Reinigungsprozessen mit Ultraschall-Tischschwingwannen, Batch-Systemen wie Ein-Kammer-Spritzanlagen oder Durchlaufanlagen herausgearbeitet. Hinsichtlich der Prozesskosten gilt dabei die Faustregel, dass die verursachten Gesamtkosten immer ins Verhältnis zum Durchsatz bzw. zu der Anzahl der gereinigten Teile gesetzt werden müssen.

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

Das Ergebnis daraus ist, wie viel ein Unternehmen eine gereinigte Baugruppe in Abhängigkeit des jeweiligen Produktionsoutputs kostet. In diesem Zusammenhang wurde außerdem im ersten Artikel dieser Serie festgestellt, aus welchen Teilen sich generell die Investitionskosten sowie die laufenden Kosten für einen Reinigungsprozess zusammensetzen.

Die Investitionskosten und die laufenden Betriebskosten waren daher auch Hauptgegenstand der nun durchgeführten Analysen zu Durchlaufanlagen, deren Ergebnisse auf umfassenden Tests und Versuchsreihen in den Technischen Zentren von Zestron basieren.

Ziel war es, die prozessspezifischen Kostenfaktoren in Durchlaufanlagen bzw. Inline-Reinigungsprozessen zu ermitteln, um so die geringsten Kosten pro gereinigtem Teil realisieren zu können.

Kostenfaktoren bei Neuinvestition

Beim Erwerb einer Durchlaufanlage muss der Anwender folgende Faktoren beachten, die wesentlichen Einfluss auf die Investitionskosten haben:

  • Anlagengröße bzw. verfügbare Stellfläche,
  • erwarteter Produktionsdurchsatz sowie
  • Automatisierungsgrad.

Diese einzelnen Hauptkostenverursacher bei einer Neuinvestition werden im Folgenden genauer betrachtet. Dabei soll festgestellt werden, welchen Einflussfaktoren diese unterliegen und was mögliche Ansatzpunkte zur Kostenoptimierung sind.

Vor der Entscheidung für einen Inline-Prozess muss zunächst die notwendige Größe der Stellfläche berücksichtigt werden. Da in Durchlaufanlagen die einzelnen Prozessschritte Reinigen, Spülen und Trocknen in separaten Kammern durchgeführt werden, vergrößert sich die benötigte Standfläche im Vergleich zu Batch-Reinigungsanlagen um ein Vielfaches.

Des Weiteren sollte der Anlagenkauf, wie im ersten Teil der Artikelreihe beschrieben, an die zu erwartenden Teiledurchsätze angepasst sein. Demnach rechnet sich eine Durchlaufreinigung in der Regel nur für Elektronikfertiger, die ein geringes Teilespektrum bei gleichzeitig großen Stückzahlen reinigen müssen.

Eine Inline-Anlage kann nur in die Fertigungslinie integriert werden, indem die Ein- und Ausgabe der Baugruppen sowie die Reinigung selbst vollautomatisch erfolgt. Dieser hohe Automatisierungsgrad zusammen mit der Komplexität der Anlage aufgrund der großen Menge an Anlagenkomponenten generiert entsprechend hohe Investitionskosten. Außerdem sind die Wartungs- und Energiekosten vergleichsweise hoch, da die große Anzahl von Anlagenkomponenten naturgemäß auch mehr Wartungsaufwand und Energieverbrauch verursacht. Somit werden mit der Anlagenbeschaffung größtenteils die Betriebskosten für Energie, Personal und Wartung festgelegt, ohne dass gezielte Maßnahmen für wesentliche Einsparungen ergriffen werden können.

Im laufenden Prozess, d.h. während der Elektronikproduktion, sind daher andere Faktoren entscheidend für Kostenersparnisse, auf die nachfolgend im Detail eingegangen werden soll.

Kostenfaktoren im laufenden Betrieb

In den durchgeführten Technologiestudien erwiesen sich vor allem Reiniger, Prozessparameter und die Anlagenperipherie als beeinflussbare und damit optimierbare Kostenfaktoren, nachdem der Reinigungsprozess in Betrieb genommen wurde. Außerdem zeigte sich, dass sich diese Faktoren gegenseitig bedingen und somit kostenseitig voneinander abhängen.

Kostenpunkt Reinigungsmedium

Die Kosten, die durch die Verwendung eines Reinigungsmediums entstehen, können in erster Linie durch zwei Hauptfaktoren beeinflusst werden: der Höhe der Einsatzkonzentration sowie der Badstandzeit des Reinigers.

Bedingt durch den hohen Teiledurchsatz wird in Durchlaufanlagen erwartungsgemäß viel Reinigungsmedium verschleppt. Gute Reinigungsergebnisse vorausgesetzt, fällt daher die Entscheidung für ein Reinigungsmedium häufig aufgrund des Preises pro Liter. Bei der Auswahl eines geeigneten Reinigers für Durchlaufanlagen sollten jedoch neben dem Preis pro Liter auch weitere Aspekte berücksichtigt werden. So erzielen beispielsweise moderne, wässrige Reinigungsmedien schon bei geringen Einsatzkonzentrationen sehr gute Reinigungsergebnisse.

In Inline-Reinigungsanlagen werden bereits erhebliche Einsparungen erreicht, wenn sich die Einsatzkonzentration um nur wenige Prozent verringert. Je nach Auslastung der Anlage können sich so einige Prozent weniger an Einsatzkonzentration schnell zu mehreren tausend Litern pro Jahr an eingespartem Reinigungsmedium aufsummieren.

Die Badstandzeiten, d.h. wie lange ein Reiniger in der Anlage betrieben werden kann, wird zudem in erheblichem Maße durch das eingesetzte Reinigungsmedium beeinflusst. Hierbei erweisen sich ebenfalls moderne Medien, wie z.B. MPC-Reiniger, als vorteilhaft, da sie mit einfachen Verfahren effektiv aufbereitet werden können. Somit wird die Badstandzeit deutlich verlängert und die jährlichen Kosten für Badwechsel sinken.

Darüber hinaus weisen die Formulierungen dieses Reinigertyps keine gesundheitsgefährdenden Stoffe auf, weswegen Mehrkosten durch aufwändige Lagerungs- oder Handhabungsvorschriften entfallen.

Neben dem produktspezifischen Verhalten des Reinigers werden die Kosten im laufenden Betrieb von Durchlaufanlagen auch maßgeblich durch die Prozessparameter bestimmt, die nun näher untersucht werden sollen.

Prozessparameter

Die Technologiestudien zeigen auf, dass in einem Inline-Reinigungsprozess folgende Prozessparameter beeinflussbar und damit kostenrelevant sind:

  • die Einsatztemperatur des Reinigers,
  • die Temperatur von Spülung und Trocknung,
  • die Art der Sprühdüsen und des Sprühdrucks sowie
  • die Verschleppung des Reinigungsmediums.

Die Reinigungstemperatur ist stets abhängig vom eingesetzten Reinigungsmedium. Durch eine optimale Abstimmung des Reinigungsmediums auf die zu entfernenden Verunreinigungen kann die Reinigung bei niedrigeren Temperaturen erfolgen. In Durchlaufanlagen wird das Reinigungsmedium normalerweise konstant auf Einsatztemperatur gehalten und wegen der offenen Kreislaufführung sind die Abdampfungsverluste dabei relativ hoch. Die Menge an Reiniger, die verdampft, ist neben der Reinigertemperatur auch abhängig von der Oberfläche des Reinigungsbades, der Lufttemperatur und dem Sättigungsgrad der Luft.

Während durch die Anlagenauswahl die Größe der Oberfläche des Reinigungsbads bereits festgelegt ist, lassen sich die Verdampfungsverluste direkt über die Temperatur des Reinigungsmediums beeinflussen. Hierbei gilt: je wärmer das Reinigungsbad ist, desto höher sind letztendlich auch die Temperatur der umgebenden Luft und damit die Verluste über die Anlagenabsaugung.

Zu den unnötigen Abdampfungsverlusten im Falle einer zu hohen Reinigertemperatur addieren sich die zusätzlich aufzuwendenden Energiekosten. Dies gilt auch für ein zu warmes Spülbad oder eine zu heiße Trocknung. Für eine wirtschaftliche Durchlaufreinigung ist es daher empfehlenswert, Reinigungsmedien zu verwenden, die bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen gefahren werden können. Selbiges gilt für die Spülung, die idealerweise bei Raumtemperatur betrieben werden sollte sowie für die Trocknungstemperatur und -zeit, die auf das Reinigungsgut anzupassen sind.

Auch die Vernebelung des Reinigers ist ein weiterer entscheidender Kostenfaktor und wird einerseits durch den Sprühdruck beeinflusst sowie andererseits durch die Art der eingesetzten Sprühdüsen.

Durch die richtige Kombination aus Sprühdruck und Düsenform lassen sich die Vernebelung und damit Reinigerverluste durch die Anlagenabsaugung erheblich reduzieren. Beispielhaft sei an dieser Stelle eine Verbrauchsmessung eines bestimmten Düsentyps angeführt, was die Verbräuche bei unterschiedlichen Sprühdrücken veranschaulicht.

Nicht zuletzt haben auch Verluste durch die Verschleppung des Reinigungsmediums große Auswirkungen auf die Prozesskosten von Durchlaufanlagen. Die Verschleppung des Reinigers in die Spülstufe ist dabei zu einem großen Teil von der Oberflächenbeschaffenheit des Reinigungsguts selbst abhängig. Die Beschaffenheit des Reinigungsgutes lässt sich nicht verändern, jedoch lassen sich hier über den gezielten Einsatz von Luftmessern Einsparungen erzielen.

In den durchgeführten Studien wurde nachgewiesen, dass der einfachste Ansatz, mit maximalem Abblasvolumen die größtmögliche Reinigermenge zurückzuhalten, nicht zutrifft. Die Untersuchungen zeigten vielmehr, dass eine anwendungsspezifische Einstellung mit geringem Abblasvolumen wesentlich effektiver ist als hohe Luftströmungen, die zum Teil ungenutzt am Reinigungsgut „vorbeigeschossen“ werden oder die Reinigerrückstände zerstäuben.

Sind die Prozessparameter und die Reinigungsanlage optimal für die Anforderungen eingestellt, bietet die Anlagenperipherie weitere Ansatzpunkte für Kostenersparnisse.

Anlagenperipherie

Periphere Anlagenbestandteile, die hinsichtlich der Prozesskosten eine gewichtige Rolle spielen, sind die Absaugung der Reinigungsanlage sowie die Systeme zur Wasseraufbereitung.

In den Studien wurde festgestellt, dass 60 % der Reinigerverluste auf den Verbrauchsweg über die Anlagenabsaugung zurückgeführt werden können. Diese lassen sich jedoch nicht ausreichend durch eine simple Reduzierung der Absaugleistung verringern. Vielmehr müssen die zuvor erwähnten Prozessparameter, wie Temperatur oder Sprühdruck, optimiert werden, um so große Absaugungsverluste einzuschränken. Außerdem ist hinsichtlich der Optimierung der Absaugung darauf zu achten, dass man geruchsarme Reinigungsmedien mit niedrigem MAK-Wert verwendet. So ist eine ausreichende Arbeitssicherheit und Anwenderfreundlichkeit während des Reinigungsbetriebs gewährleistet.

Als Gegenmaßnahme zu den Absaugungsverlusten sind darüber hinaus aktive und passive Systeme zur Reinigerrückgewinnung verfügbar. Hierzu zählen Tröpfchenabscheider bzw. Demister sowie Kondensatoren, die das Medium aus dem Abluftstrom in den Reinigungskreislauf zurückführen. Bei der Anschaffung dieser passiven oder aktiven Rückgewinnungssysteme ist es allerdings wichtig, stets die Investitions- und Betriebskosten im Auge zu behalten. Es muss sichergestellt sein, dass diese Kosten nicht die Einsparungen durch die Reinigerrückgewinnung übersteigen.

Ferner muss man hinsichtlich der Anlagenperipherie in Inline-Reinigungsprozessen auch die Kosten für die Spülwasseraufbereitung berücksichtigen. So ist es wichtig, dass das Aufbereitungssystem für vollentsalztes Wasser an die Durchsätze angepasst ist. Die Studien zeigen, dass sich ab ca. 2.000 Liter VE-Wasserverbrauch pro Tag der Einsatz einer Umkehrosmose-Anlage lohnt. Bei entsprechend hohen Durchsätzen werden, im Vergleich zur Bereitstellung von VE-Wasser über Mischbettharz-Ionentauscher, die anfänglich höheren Investitionskosten für eine Umkehrosmose-Anlage durch die reduzierten Regenerationskosten ausgeglichen.

Die Wassermenge, die während des Reinigungsbetriebs aufbereitet werden muss, hängt zudem stark von der Prozesskonfiguration ab. Zur Verringerung der VE-Wasserbelastung kann dem geschlossenen VE-Wasserkreislauf eine offene Spülstufe mit Stadtwasser vorgeschaltet werden. Außerdem ist durch eine geringe Reinigerkonzentration und den effektiven Einsatz von Luftmessern die Kontamination des VE-Wassers reduzierbar.

Fazit

Durch eine optimale Abstimmung aller Einflussfaktoren lassen sich die Kosten für einen Inline-Reinigungsprozess erheblich senken. Im Rahmen der Technologiestudien kristallisierten sich beim Betrieb von Durchlaufanlagen insbesondere das Reinigungsmedium, die Prozessparamater sowie die Peripheriebestandteile als optimierbare Faktoren heraus, die mögliche Einsparpotenziale aufweisen. Entscheidend ist dabei jedoch, dass diese Kostenfaktoren sich gegenseitig bedingen und daher aufeinander eingestellt sein müssen.

Beispielsweise lassen sich die Kosten für die Wasseraufbereitung nur dann deutlich senken, wenn zuvor ein Reinigungsmedium mit geringer Einsatzkonzentration gewählt wurde und die Verschleppung über eine optimale Einstellung der Luftmesser auf einem Minimum gehalten wird. Ebenso sind Absaugungsverluste nur dann reduzierbar, wenn der Reiniger mit geringer Konzentration sowie niedrigen Temperaturen eingesetzt wird.

Diese Beispiele und die Vielzahl der Einflussgrößen bzw. Kostenfallen, die bei den durchgeführten Studien und durch Felderfahrungen aufgedeckt wurden, zeigen, wie komplex und zeitaufwendig die Ermittlung eines kostenoptimalen Prozesses ist. Sowohl im Falle einer Prozessoptimierung als auch bei der Prozessfindung empfiehlt es sich daher für den Anwender, die Unterstützung eines Reinigungsexperten in Anspruch zu nehmen.

Nachdem die allgemeinen Kostenfaktoren in Reinigungsprozessen sowie die einzelnen optimierbaren Einflussgrößen bei Durchlaufanlagen untersucht wurden, sollen im letzten Teil dieser Artikelreihe Ansätze zur Kostenoptimierung in Batch-Reinigungsprozessen näher betrachtet werden. (wird fortgesetzt) 

Johannes Karwey

: Prozessingenieur, Zestron Europe.

(hb)

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