Kostenfaktoren im Reinigungsprozess – Teil 1

Die Kosten eines Reinigungsprozesses setzen sich aus den verschiedensten Bestandteilen zusammen, die sich je nach Anwendung bzw. Anlage auch noch einmal deutlich unterscheiden können. Um die „wahren Kosten eines Reinigungsprozesses“ zu ermitteln, sollte man die Gesamtkosten grundsätzlich ins Verhältnis zum Durchsatz bzw. zu der Anzahl der gereinigten Teile setzen. Die Faustformel lautet also:

• Investititonen bzw. Abschreibungen + laufende Kosten pro Teil = Kosten pro gereinigtem Teil

Das Ergebnis daraus ist, wie viel ein Unternehmen eine gereinigte Baugruppe in Abhängigkeit des jeweiligen Produktionsoutputs kostet. Natürlich ist es dabei das Ziel eines jeden Unternehmens, die Kosten möglichst gering zu halten.

Um jedoch die Kosten pro gereinigtem Teil zu ermitteln und durch entsprechende Prozessoptimierungen zu verringern, muss im ersten Schritt festgestellt werden, aus welchen Teilen sich die Investitionskosten sowie die laufenden Kosten für ein Reinigungsprozess zusammensetzen.

Zielsetzung der Studien

Daher wurden in den vergangenen Monaten zur Thematik „Kostenfaktoren im Reinigungsprozess“ weltweit umfangreiche Studien auf verschiedensten Anlagentypen in den Technischen Zentren von Zestron durchgeführt (Bild 1).
Ziel der Studien war es:

• 1. Alle Hauptkostenverursacher in Reinigungsprozessen zu identifizieren,

• 2. Die Einflussfaktoren festzustellen, denen die Kostenverursacher unterliegen und

• 3. Ansätze für Handlungsmaßnahmen aufzuzeigen, durch welche Kostenreduzierung umgesetzt werden kann.

Hauptkostenverursacher

Schritt eins, die Hauptkostenverursacher zu identifizieren, lässt sich recht schnell veranschaulichen. Dabei wird, wie bereits eingangs erwähnt, zwischen den Investitionen bzw. Abschreibungen für einen Neuprozess und den laufenden Kosten in einer bestehenden Elektronikreinigung unterschieden.

Bei einer Neuinvestition müssen Anwender die nachfolgenden Faktoren beachten, da diese wesentlichen Einfluss auf die Art und Größe des Reinigungsprozesses und somit auf die späteren Investitionskosten haben:

• erwarteter Produktionsdurchsatz,

• notwendiger Automatisierungsgrad,

• Anlagengröße bzw. verfügbare Stellfläche sowie

• Art des Reinigungsmediums.

Während der Elektronikproduktion entstehen anschließend laufende Kosten durch:

• Verbräuche durch die Anlagenperipherie wie Absaugung, etc.

• Bedienpersonal und Wartungsaufwand und

• Verbrauch Energie von und Reinigungsmedium.

Die Übersicht in Bild 2 zeigt alle Kostenfaktoren, die für den Einsatz eines Reinigungsprozesses relevant sind, in einer Gegenüberstellung.
Nachdem nun die einzelnen Hauptkostenverursacher ermittelt sind, werden diese im weiteren Verlauf genauer betrachtet. Dabei soll festgestellt werden, welchen Einflussfaktoren diese unterliegen und mögliche Ansatzpunkte zur Kostenoptimierung sind.

Kostenfaktor Reinigungsanlage

Wenn man über den Kostenfaktor „Reinigungsanlage“ redet, dann steht die Beschaffung einer Maschine häufig an erster Stelle und ist naturgemäß der gewichtigste Kostenaspekt bei der Installation eines neuen Reinigungsprozesses.

Bei der Anlagenauswahl sollte sich der Anwender zunächst anhand der zu erwartenden Durchsätze für einen der drei Anlagengrundtypen entscheiden: Ultraschall-Tischschwingwanne, Batch-System, wie z.B. Ein-Kammer-Spritzanlage oder Durchlaufanlage. Die Übersicht in Bild 3 veranschaulicht die unterschiedlichen Anwendungsgebiete und dient als grobe Orientierungshilfe.

Neben den geplanten Stückzahlen ist vor der Anlagenauswahl natürlich außerdem zu beachten, dass das genehmigte Investitionsbudget nicht überschritten wird und die Anlagengröße für die zur Verfügung stehende Aufstellfläche geeignet sein muss. Ebenfalls muss beim Anlagenkauf der Automatisierungsgrad der Reinigungsmaschine berücksichtigt werden, da dieser Einfluss auf die späteren Operatorkosten im laufenden Prozess hat.

Ist der Anlagenkauf getätigt muss sich der Anwender den laufenden Kosten einer Reinigungsmaschine zuwenden.
Während des laufenden Prozesses werden bedingt durch die Konstruktionsweise der verschiedenen Anlagentypen Kosten an unterschiedlichen Punkten verursacht bzw. sind Einsparungen möglich.

Bei Tischschwingwannen, dem kleinsten Prozess, erfolgt die Reinigung und Spülung in getrennten Prozessbecken, Einsparmöglichkeiten ergeben sich daher primär durch eine optimale Positionierung des Reinigungsguts und bei der Abtropfmechanik.

Im Falle von Batch-Maschinen, wie z.B. Ein-Kammer-Spritzanlagen, werden die vorhandenen Leitungen, Spritzstöcke und Pumpen häufig gleichermaßen zur Reinigung und Spülung genutzt. Verschleppungen des Reinigungsmediums durch Totvolumina in der Anlage haben somit Einfluss auf die Prozesskosten. Verschleppung entsteht jedoch nicht nur durch die Anlage, sondern auch durch das Reinigungsgut selbst.

Da Material und Bestückung durch die Baugruppe gegeben sind, liegt der Ansatzpunkt zur Optimierung hierbei hauptsächlich in der Abtropfzeit.
Der wichtigste kostenverursachende Faktor in Durchlaufanlagen ist neben der Absaugung die Verschleppung des Reinigungsmediums in die Spülstufen. Eine geeignete Konfiguration der Abblasmodule stellt somit die  Voraussetzung für Einsparpotentiale dar.

Kostenfaktor Anlagenperipherie

Im Bezug auf die Peripherie von Reinigungsanlagen offenbaren die Ergebnisse der Studien, dass im Wesentlichen durch Aufbereitung, Verschleppung sowie durch Absaugung Kosten im laufenden Prozess entstehen. Je nach Anlagentyp setzt sich die Kostenart „Anlagenperipherie“ unterschiedlich zusammen. Folgende Peripherie wurde bei den einzelnen Systemen untersucht (Bild 4).
Zusammenfassend bedeutet dies:

• Bei Ultraschall-Tischschwingwannen ist dieser Kostenaspekt praktisch nicht vorhanden, da typischerweise weder eine Reiniger- noch eine Wasseraufbereitung eingesetzt wird.

• Als größter Kostentreiber bei Batch-Prozessen, wie z.B. Ein-Kammer-Spritzanlagen, erwies sich in den Untersuchungen die Aufbereitung bzw. Herstellung von vollentsalztem Wasser für die Spülung. Je nach Verbrauchsmenge an VE-Wasser ist entweder die Verwendung eines Ionentauschers oder einer Umkehrosmose sinnvoll. Ebenfalls fallen durch die Aufbereitung des Reinigers in der Kreislaufführung Kosten an, z.B. durch Filterwechsel.

• In Durchlaufprozessen für hohe Fertigungsstückzahlen wirken sich die Kosten für die Anlagenperipherie am deutlichsten auf die Prozesskosten aus. Ursache hierfür ist hauptsächlich der Verbrauchsweg der Anlagenabsaugung. Hierbei sind die Abgastemperatur zur Absaugung und die Vernebelung des Reinigungsmediums durch die Spritzdüsen die entscheidenden Faktoren, wie die Ergebnisse zeigen.

Ferner zeigen die Untersuchungen, dass Kosteneinsparungen durch die Optimierung des Aufbereitungskreislaufes für Reiniger und Spülwasser möglich sind.

Neben den Betriebskosten, die während der Reinigung durch die Anlagenperipherie entstehen, wurden in den Technologiestudien auch Energieverbrauch und Wartungsaufwand der genannten Anlagentypen untersucht. Die Resultate werden nachfolgend aufgeführt.

Kostenfaktor Energieverbrauch und Anlagenwartung

Abhängig vom eingesetzten Reinigungsprozess variieren die Kosten für die laufenden Betriebskosten erheblich. Eine schematische Darstellung soll dies verdeutlichen (Bild 5).

Ultraschall-Tauchanlagen für kleinste Durchsätze weisen in diesem Zusammenhang insgesamt die geringsten Betriebskosten auf, da zur Aufheizung des Badvolumens vergleichsweise wenig Strom benötigt wird und Kosten für zusätzliche Druckluft sowie für die Trocknung entfallen. Im Verhältnis machen die Personalkosten den größten Anteil an den Betriebskosten aus, da alle Prozessschritte wie Reinigung, Spülung und Trocknung manuell durchgeführt werden müssen. Zudem ist aufgrund des geringen Badvolumens kein Filtrationssystem bei diesem Anlagentyp integriert, weswegen durch häufige Badwechsel weitere Wartungskosten entstehen.

Im Falle von Batch-Anlagen muss der Reiniger und gegebenenfalls auch das Spülwasser nach jedem Reinigungsschritt neu aufgeheizt werden. Zusammen mit der Trocknung der gesamten Reinigungskammer entstehen dafür deutlich höhere Energiekosten als bei der Reinigung mit Schwingwannen. Zudem verursacht die Einleitung des Wassers nach jeder Spülung des Reinigungsguts weitere laufende Kosten.

Dieser Anlagentyp arbeitet bei der Elektronikreinigung meist automatisiert, das heißt es fallen lediglich für das Be- und Entladen sowie für die Wartung der Maschine Personalkosten an. Die integrierte Reinigeraufbereitung maximiert zudem die Badstandzeiten, weswegen kostenintensive Badwechsel im Vergleich zu Schwingwannen deutlich seltener notwendig sind.

In den Studien hatten die Verbräuche von Wasser, Strom und Druckluft bei Durchlaufanlagen erwartungsgemäß die größten Auswirkungen auf die Gesamtkosten. In der Regel handelt es sich um eine geschlossene Kreislaufführung, so dass die Aufbereitungskosten für das Spülwasser relativ hoch sind. Darüber hinaus müssen Durchlaufanlagen für konstante Prozessergebnisse kontinuierlich in Betrieb sein, also auch in Zeiten, in denen nicht gereinigt wird. Aufgrund dessen entstehen laufend Stromkosten für Umwälzung und Heizung des Reinigungsbades, für die Anlagenabsaugung nach dem Spülschritt und vor der Trocknung.

Zusätzlich entstehen Kosten für das Ablasen des Reinigungsguts, dass mehrfach in die Linie integriert ist. Auch die vergleichsweise höchsten Wartungs- und Reparaturkosten fallen wegen des Dauerbetriebs bei Durchlaufanlagen an. Allerdings sind hier die Operatorkosten verhältnismäßig gering, da Inlinesysteme voll in die Produktionslinie implementiert sind und daher einfach von einer Person bedient und überwacht werden können.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Betriebskosten analog dem Durchsatz und damit der Anlagengröße zunehmen. Gleichzeitig bestätigen die Studien, dass sich mit der Zunahme des Automatisierungsgrads des eingesetzten Reinigungsprozesses die Personalkosten reduzieren lassen.  Ferner verursachen Tauchanlagen und Spritzprozesse nur während der Reinigung Kosten, wohingegen bei Durchlaufanlagen auch in Leerlaufphasen kontinuierlich Betriebskosten entstehen.

Nachdem alle Kosten für rund um die Reinigungsanlage genauer betrachtet wurden, muss im nächsten Schritt ein geeigneter Reiniger für die Reinigungsanlage ausgewählt werden. Welche Kosteneinflussgrößen hierbei maßgeblich sind, soll im Anschluss dargestellt werden.

Kostenfaktor Reinigungsmedium

In der Praxis finden vor allem drei Arten von Reinigern bei der Reinigung elektronischer Baugruppen Anwendung. Dazu zählen Alkohole, herkömmliche Tensidreiniger sowie moderne, wässrige Reinigungsmedien. Beim Erwerb eines neuen Reinigungsprozesses und damit der Erstbefüllung der Anlage steht für Unternehmen häufig der Preis pro Liter des Reinigungsmediums im Vordergrund. Dennoch ist dies nicht allein dafür ausschlaggebend, was der Reiniger ein Unternehmen letztendlich kostet.

Zum Beispiel ist auch die Badstandzeit von entscheidender Bedeutung, d.h. wie lange ein Reiniger in der Anlage betrieben werden kann, bevor er gewechselt werden muss. So kann ein Reiniger mit kurzer Badstandzeit trotz günstigem Einkaufspreis pro Liter langfristig teurer sein, als ein Medium mit höherem Anschaffungspreis, aber dafür längerer Badstandzeit.

Basierend auf den jeweiligen chemischen Eigenschaften verfügen die drei genannten Reinigertypen während des Reinigungsbetriebs über individuelle Kostenvorteile und –Nachteile, wie die folgende Aufstellung zeigt (Bild 6).

Die meisten Lösemittel weisen demnach lange Badstandzeiten auf und aufgrund ihrer guten Trocknungseigenschaften lassen sich kurze Prozesszeiten realisieren (Bild 7). Dem gegenüber stehen jedoch Kostennachteile durch hohe Verdunstungsverluste und den notwendigen Explosionsschutz für die Reinigungsanlage, der typischerweise beim Anlageninvest zur Buche schlägt sowie eine verhältnismäßig teure Abluftbehandlung.

Herkömmliche Tensidreiniger bergen diese Problematik nicht. Gleichzeitig haben sie einen attraktiven Preis pro Liter und häufig niedrige Einsatzkonzentrationen. Dennoch ist die Badstandzeit meist sehr kurz, was zu häufigen Badwechseln führt und die Kosten durch vermehrten Reinigerverbrauch erhöht.

Moderne, wässrige Reinigungsmedien ermöglichen dagegen sehr lange Badstandzeiten und können ebenfalls bei niedriger Einsatzkonzentration gefahren werden. Kostenintensive Verdunstungsverluste, wie bei Lösemitteln der Fall, sind hierbei zu vernachlässigen. Allerdings können die langen Badstandzeiten nur durch einen Filtrationskreislauf in der Reinigungsanlage erzielt werden, wofür Kosten anfallen.

Um an dieser Stelle den richtigen Reiniger auszuwählen, sollten sich Anwender Rat bei einem Reinigungsspezialisten einholen, der nicht nur die kosteneffizienteste Lösung ermitteln kann. Gleichermaßen ist es entscheidend, auch ein Reinigersystem auszuwählen, welches optimal auf die jeweilige Verunreinigung eingestellt ist und somit bestmöglich Reinigungsergebnisse garantiert.

Fazit

Für die Ermittlung der Kosten pro gereinigten Teil und um entsprechende Maßnahmen zur Kostenreduzierung durchführen zu können, müssen alle „Kostenverursacher“ und deren Einflussgrößen bekannt sein. Der vorliegende Artikel hat dafür eine grundlegende Basis geschaffen.

Um Reiniger, Anlagenperipherie und die Prozessparameter als beeinflussbare und damit optimierbare Kostenfaktoren noch besser zu verstehen und mögliche Einsparpotentiale zu detaillieren werden in den beiden Folgeartikeln Teil 2 und Teil 3 speziell diese drei Einflussfaktoren anhand von Batch- und Inline-Prozessen untersucht. Diese Anlagentypen bergen aufgrund der Komplexität der Anlagentechnik die größten Kostenfallen und besitzen somit das meiste Einsparpotential. (wird fortgesetzt)

(hb)