von Michael Kelly, Allied PhotoChemical, und David Hagood, Finishing Technology Solutions
Stellen Sie sich vor, Sie könnten fast alle VOCs (flüchtige organische Verbindungen) im Rohrherstellungsprozess eliminieren, was 10.000 Pfund VOCs pro Jahr entspricht. Stellen Sie sich außerdem vor, mit höherer Geschwindigkeit, höherem Durchsatz und geringeren Kosten pro Teil/Lauffuß zu produzieren.
Nachhaltige Herstellungsprozesse sind der Schlüssel zu einer effizienteren und optimierten Fertigung auf dem nordamerikanischen Markt. Nachhaltigkeit kann auf verschiedene Arten gemessen werden:
VOC-Reduzierung
Weniger Energieverbrauch
Optimierte Arbeitskräfte
Schnellere Produktionsleistung (mehr mit weniger)
Effizienterer Kapitaleinsatz
Plus viele Kombinationen der oben genannten
Kürzlich hat ein führender Rohrhersteller eine neue Strategie für seine Beschichtungsaktivitäten umgesetzt. Die bisherigen bevorzugten Beschichtungsplattformen des Herstellers basierten auf Wasser, hatten einen hohen Anteil an flüchtigen organischen Verbindungen (flüchtige organische Verbindungen) und waren zudem entflammbar. Die implementierte nachhaltige Beschichtungsplattform war eine 100 % Feststoff-UV-Beschichtungstechnologie. In diesem Artikel werden das anfängliche Problem des Kunden, der UV-Beschichtungsprozess, allgemeine Prozessverbesserungen, Kosteneinsparungen und VOC-Reduzierung zusammengefasst.
Beschichtungsvorgänge in der Rohrherstellung
Der Hersteller verwendete ein wasserbasiertes Beschichtungsverfahren, das eine Verschmutzung hinterließ, wie in den Bildern 1a und 1b gezeigt. Der Prozess führte nicht nur zur Verschwendung von Beschichtungsmaterialien, sondern führte auch zu einer Gefahr in der Werkstatt, die die VOC-Belastung und die Brandgefahr erhöhte. Darüber hinaus wünschte sich der Kunde eine verbesserte Beschichtungsleistung im Vergleich zum derzeitigen wasserbasierten Beschichtungsverfahren.
Während viele Branchenexperten wasserbasierte Lacke direkt mit UV-Lacken vergleichen, ist dies kein realistischer Vergleich und kann irreführend sein. Die eigentliche UV-Beschichtung ist ein Teilbereich des UV-Beschichtungsprozesses.
Abbildung 1. Projekteinbindungsprozess
UV ist ein Prozess
UV ist ein Verfahren, das erhebliche Vorteile für die Umwelt, allgemeine Prozessverbesserungen, eine verbesserte Produktleistung und, ja, Einsparungen pro laufenden Fuß Beschichtung bietet. Um ein UV-Beschichtungsprojekt erfolgreich umzusetzen, muss UV als Prozess mit drei Hauptkomponenten betrachtet werden: 1) dem Kunden, 2) dem UV-Anwendungs- und Härtungsanlagenintegrator und 3) dem Beschichtungstechnologiepartner.
Alle drei sind entscheidend für die erfolgreiche Planung und Umsetzung einer UV-Lackanlage. Werfen wir also einen Blick auf den gesamten Projekteinbindungsprozess (Abbildung 1). In den meisten Fällen wird dieser Aufwand vom UV-Beschichtungstechnologiepartner geleitet.
Der Schlüssel zu jedem erfolgreichen Projekt liegt in klar definierten Engagement-Schritten mit integrierter Flexibilität und der Fähigkeit, sich an verschiedene Arten von Kunden und deren Anwendungen anzupassen. Diese sieben Phasen des Engagements bilden die Grundlage für ein erfolgreiches Projektengagement mit dem Kunden: 1) Gesamtprozessbesprechung; 2) ROI-Diskussion; 3) Produktspezifikationen; 4) allgemeine Prozessspezifikation; 5) Musterversuche; 6) RFQ/allgemeine Projektspezifikation; und 7) fortgesetzte Kommunikation.
Diese Engagement-Phasen können nacheinander durchlaufen werden, einige können gleichzeitig stattfinden oder sie können ausgetauscht werden, aber alle müssen abgeschlossen werden. Diese eingebaute Flexibilität bietet den Teilnehmern die höchsten Erfolgschancen. In manchen Fällen kann es am besten sein, einen UV-Prozessexperten als Ressource mit wertvoller Branchenerfahrung in allen Formen der Beschichtungstechnologie, vor allem aber mit umfassender UV-Prozesserfahrung, zu beauftragen. Dieser Experte kann alle Probleme lösen und als neutrale Ressource für die ordnungsgemäße und faire Bewertung der Beschichtungstechnologien fungieren.
Stufe 1. Gesamtprozessbesprechung
Hier werden erste Informationen über den aktuellen Prozess des Kunden ausgetauscht, wobei das aktuelle Layout klar definiert und Positives/Negative klar definiert werden. In vielen Fällen sollte eine gegenseitige Geheimhaltungsvereinbarung (NDA) vorhanden sein. Anschließend sollten klar definierte Ziele zur Prozessverbesserung identifiziert werden. Dazu können gehören:
Nachhaltigkeit – VOC-Reduktion
Arbeitsreduzierung und -optimierung
Verbesserte Qualität
Erhöhte Liniengeschwindigkeit
Reduzierung der Stellfläche
Überprüfung der Energiekosten
Wartbarkeit der Beschichtungsanlage – Ersatzteile etc.
Anschließend werden auf Basis dieser identifizierten Prozessverbesserungen konkrete Kennzahlen definiert.
Phase 2. Return-on-Investment (ROI)-Diskussion
Es ist wichtig, den ROI des Projekts in der Anfangsphase zu verstehen. Der Detaillierungsgrad muss zwar nicht dem Grad entsprechen, der für die Projektgenehmigung erforderlich ist, der Kunde sollte jedoch einen klaren Überblick über die aktuellen Kosten haben. Diese sollten die Kosten pro Produkt, pro laufendem Fuß usw. umfassen; Energiekosten; Kosten für geistiges Eigentum (IP); Qualitätskosten; Betreiber-/Wartungskosten; Nachhaltigkeitskosten; und Kapitalkosten. (Zugriff auf ROI-Rechner finden Sie am Ende dieses Artikels.)
Stufe 3. Diskussion der Produktspezifikation
Wie bei jedem heute hergestellten Produkt werden grundlegende Produktspezifikationen in den ersten Projektgesprächen definiert. Im Hinblick auf Beschichtungsanwendungen haben sich diese Produktspezifikationen im Laufe der Zeit weiterentwickelt, um den Produktionsanforderungen gerecht zu werden, und werden in der Regel mit dem aktuellen Beschichtungsprozess des Kunden nicht erfüllt. Wir nennen es „heute vs. morgen“. Es ist ein Balanceakt zwischen dem Verständnis der aktuellen Produktspezifikationen (die mit der aktuellen Beschichtung möglicherweise nicht erfüllt werden) und der Definition realistischer zukünftiger Anforderungen (was immer ein Balanceakt ist).
Stufe 4. Gesamtprozessspezifikationen
Abbildung 2. Verfügbare Prozessverbesserungen beim Übergang von einem wasserbasierten Beschichtungsprozess zu einem UV-Beschichtungsprozess
Der Kunde sollte den aktuellen Prozess sowie die positiven und negativen Aspekte bestehender Praktiken vollständig verstehen und definieren. Dies ist für den UV-Systemintegrator wichtig zu verstehen, damit bei der Gestaltung des neuen UV-Systems berücksichtigt werden kann, was gut läuft und was nicht. Hier bietet das UV-Verfahren erhebliche Vorteile, zu denen eine höhere Beschichtungsgeschwindigkeit, ein geringerer Platzbedarf sowie eine Reduzierung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit gehören können (siehe Abbildung 2). Ein gemeinsamer Besuch der Produktionsstätte des Kunden wird dringend empfohlen und bietet einen guten Rahmen, um die Bedürfnisse und Anforderungen des Kunden zu verstehen.
Stufe 5. Demonstrations- und Probeläufe
Der Kunde und der UV-Systemintegrator sollten auch die Anlage des Beschichtungslieferanten besuchen, damit jeder an einer Simulation des UV-Beschichtungsprozesses des Kunden teilnehmen kann. Während dieser Zeit werden viele neue Ideen und Vorschläge auftauchen, da die folgenden Aktivitäten stattfinden:
Simulation, Proben und Tests
Benchmark durch Testen konkurrierender Beschichtungsprodukte
Überprüfen Sie Best Practices
Überprüfen Sie die Verfahren zur Qualitätszertifizierung
Lernen Sie UV-Integratoren kennen
Entwickeln Sie einen detaillierten Aktionsplan für die Zukunft
Stufe 6. RFQ/Gesamtprojektspezifikation
Das RFQ-Dokument des Kunden sollte alle relevanten Informationen und Anforderungen für den neuen UV-Beschichtungsbetrieb enthalten, wie in den Prozessbesprechungen definiert. Das Dokument sollte die vom Unternehmen für UV-Beschichtungstechnologie identifizierten Best Practices enthalten, darunter das Erhitzen der Beschichtung über ein wasserummanteltes Heizsystem bis zur Pistolenspitze; Erhitzen und Rühren des Behälters; und Waagen zur Messung des Beschichtungsverbrauchs.
Stufe 7. Kontinuierliche Kommunikation
Die Kommunikation zwischen Kunde, UV-Integrator und UV-Beschichtungsunternehmen ist von entscheidender Bedeutung und sollte gefördert werden. Die heutige Technologie macht es sehr bequem, regelmäßige Zoom-/Konferenzgespräche zu planen und daran teilzunehmen. Bei der Installation der UV-Ausrüstung oder -Anlage sollte es keine Überraschungen geben.
Vom Rohrhersteller erzielte Ergebnisse
Ein entscheidender Bereich, der bei jedem UV-Beschichtungsprojekt berücksichtigt werden muss, sind Gesamtkosteneinsparungen. In diesem Fall erzielte der Hersteller Einsparungen in mehreren Bereichen, darunter Energiekosten, Arbeitskosten und Beschichtungsverbrauchsmaterialien.
Energiekosten – mikrowellenbetriebenes UV vs. Induktionserwärmung
Bei typischen Beschichtungssystemen auf Wasserbasis ist eine Erwärmung des Rohrs vor oder nach der Induktion erforderlich. Induktionsheizgeräte sind teure, energieintensive Verbraucher und können erhebliche Wartungsprobleme verursachen. Darüber hinaus erforderte die wasserbasierte Lösung einen Energieverbrauch von 200 kW durch Induktionsheizungen im Vergleich zu 90 kW bei Mikrowellen-UV-Lampen.
Tabelle 1. Kosteneinsparungen von mehr als 100 kW/Stunde durch den Einsatz eines 10-Lampen-Mikrowellen-UV-Systems im Vergleich zu einem Induktionsheizsystem
Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, erzielte der Rohrhersteller durch den Einsatz der UV-Beschichtungstechnologie Einsparungen von mehr als 100 kW pro Stunde und senkte gleichzeitig die Energiekosten um mehr als 71.000 US-Dollar pro Jahr.
Abbildung 3. Darstellung der jährlichen Stromkosteneinsparungen
Die Kosteneinsparungen für diesen reduzierten Energieverbrauch wurden auf der Grundlage geschätzter Stromkosten von 14,33 Cent/kWh geschätzt. Die Reduzierung des Energieverbrauchs um 100 kW/Stunde, berechnet über zwei Schichten für 50 Wochen im Jahr (fünf Tage pro Woche, 20 Stunden pro Schicht), führt zu einer Ersparnis von 71.650 US-Dollar, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Senkung der Arbeitskosten – Bediener und Wartung
Da Fertigungsbetriebe ihre Arbeitskosten immer weiter bewerten, bietet das UV-Verfahren einzigartige Einsparungen bei den Arbeitsstunden von Bedienern und Wartungspersonal. Bei Beschichtungen auf Wasserbasis kann sich die nasse Beschichtung stromabwärts auf der Materialtransportausrüstung verfestigen und muss schließlich entfernt werden.
Die Mitarbeiter der Produktionsanlage verbrachten insgesamt 28 Stunden pro Woche damit, die wasserbasierte Beschichtung von den nachgeschalteten Materialtransportgeräten zu entfernen/reinigen.
Zusätzlich zu den Kosteneinsparungen (geschätzte 28 Arbeitsstunden x 36 US-Dollar [belastete Kosten] pro Stunde = 1.008,00 US-Dollar pro Woche oder 50.400 US-Dollar pro Jahr) kann der physische Arbeitsaufwand für die Bediener frustrierend, zeitaufwändig und geradezu gefährlich sein.
Der Kunde plante eine vierteljährliche Beschichtungsreinigung mit Arbeitskosten von 1.900 US-Dollar pro Quartal, zuzüglich der anfallenden Kosten für die Entfernung der Beschichtung, also insgesamt 2.500 US-Dollar. Die Gesamteinsparungen pro Jahr beliefen sich auf 10.000 US-Dollar.
Einsparungen bei der Beschichtung – wasserbasiert vs. UV
Die Rohrproduktion am Standort des Kunden betrug 12.000 Tonnen Rohre mit einem Durchmesser von 9,625 Zoll pro Monat. Zusammenfassend entspricht dies etwa 570.000 laufenden Fuß / ~ 12.700 Stück. Der Auftragsprozess für die neue UV-Beschichtungstechnologie umfasste Spritzpistolen mit hohem Volumen und niedrigem Druck und einer typischen Zieldicke von 1,5 mil. Die Aushärtung erfolgte durch den Einsatz von UV-Mikrowellenlampen von Heraeus. Einsparungen bei den Beschichtungskosten und den Transport-/internen Handhabungskosten sind in den Tabellen 2 und 3 zusammengefasst.
Tabelle 2. Vergleich der Beschichtungskosten – UV- und wasserbasierte Beschichtungen pro laufendem Fuß
Tabelle 3. Zusätzliche Einsparungen durch geringere Kosten für den eingehenden Transport und reduzierten Materialtransport vor Ort
Darüber hinaus können zusätzliche Material- und Arbeitskosteneinsparungen sowie Produktionseffizienzen realisiert werden.
UV-Beschichtungen sind wiederverwertbar (wasserbasierte Beschichtungen nicht), was eine Effizienz von mindestens 96 % ermöglicht.
Bediener verbringen weniger Zeit mit der Reinigung und Wartung der Auftragsgeräte, da die UV-Beschichtung nicht trocknet, wenn sie nicht hochintensiver UV-Energie ausgesetzt wird.
Die Produktionsgeschwindigkeiten sind höher und der Kunde hat das Potenzial, die Produktionsgeschwindigkeit von 100 Fuß pro Minute auf 150 Fuß pro Minute zu steigern – eine Steigerung von 50 %.
Die UV-Prozessausrüstung verfügt in der Regel über einen integrierten Spülzyklus, der anhand der Produktionsstunden verfolgt und geplant wird. Dies kann an die Bedürfnisse des Kunden angepasst werden, was dazu führt, dass weniger Personal für die Systembereinigung benötigt wird.
In diesem Beispiel realisierte der Kunde eine Kosteneinsparung von 1.277.400 USD pro Jahr.
VOC-Reduzierung
Durch den Einsatz der UV-Beschichtungstechnologie wurden auch VOCs reduziert, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4. VOC-Reduzierung durch die Implementierung einer UV-Beschichtung
Abschluss
Die UV-Beschichtungstechnologie ermöglicht es Rohrherstellern, VOCs in ihren Beschichtungsvorgängen praktisch zu eliminieren und gleichzeitig einen nachhaltigen Herstellungsprozess zu gewährleisten, der die Produktivität und die Gesamtleistung des Produkts verbessert. UV-Lacksysteme führen zudem zu erheblichen Kosteneinsparungen. Wie in diesem Artikel dargelegt, beliefen sich die Gesamteinsparungen des Kunden auf mehr als 1.200.000 US-Dollar pro Jahr und es wurden über 154.000 Pfund VOC-Emissionen eingespart.
Weitere Informationen und Zugang zu ROI-Rechnern finden Sie unter www.alliedphotochemical.com/roi-calculators/. Weitere Prozessverbesserungen und ein Beispiel für einen ROI-Rechner finden Sie unter www.uvebtechnology.com.
SIDEBAR
Nachhaltigkeit / Umweltvorteile des UV-Beschichtungsprozesses:
Keine flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs)
Keine gefährlichen Luftschadstoffe (HAPs)
Nicht brennbar
Keine Lösungsmittel, Wasser oder Füllstoffe
Keine Probleme mit der Feuchtigkeits- oder Temperaturproduktion
Allgemeine Prozessverbesserungen durch UV-Beschichtungen:
Schnelle Produktionsgeschwindigkeiten von mehr als 800 bis 900 Fuß pro Minute, je nach Produktgröße
Geringer Platzbedarf von weniger als 35 Fuß (lineare Länge)
Minimaler Work-in-Process
Sofort trocknend, ohne dass eine Nachhärtung erforderlich ist
Keine nachgelagerten Probleme mit der Nassbeschichtung
Keine Anpassung der Beschichtung bei Temperatur- oder Feuchtigkeitsproblemen
Keine besondere Handhabung/Lagerung bei Schichtwechseln, Wartungsarbeiten oder Wochenendausfällen
Reduzierung der Personalkosten für Bediener und Wartung
Möglichkeit, Overspray zurückzugewinnen, neu zu filtern und wieder in das Beschichtungssystem einzuführen
Verbesserte Produktleistung mit UV-Beschichtungen:
Verbesserte Ergebnisse bei Feuchtigkeitstests
Hervorragende Ergebnisse beim Salznebeltest
Möglichkeit, Beschichtungsattribute und -farbe anzupassen
Klarlacke, Metalliclacke und Farben erhältlich
Niedrigere Beschichtungskosten pro laufendem Fuß, wie der ROI-Rechner zeigt:
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. Dezember 2023
