von Michael Kelly, Allied PhotoChemical, und David Hagood, Finishing Technology Solutions
Stellen Sie sich vor, Sie könnten nahezu alle flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) im Herstellungsprozess von Rohren und Leitungen eliminieren – das entspricht einer Einsparung von mehreren zehn Tonnen VOCs pro Jahr. Stellen Sie sich außerdem vor, Sie könnten schneller produzieren, einen höheren Durchsatz erzielen und die Kosten pro Teil und laufendem Meter senken.
Nachhaltige Fertigungsprozesse sind der Schlüssel zu einer effizienteren und optimierten Produktion auf dem nordamerikanischen Markt. Nachhaltigkeit lässt sich auf verschiedene Weise messen:
VOC-Reduzierung
Geringerer Energieverbrauch
Optimierter Arbeitskräftepool
Schnellere Produktionsleistung (mehr mit weniger)
Effizientere Kapitalnutzung
Hinzu kommen viele Kombinationen der oben genannten Punkte.
Kürzlich führte ein führender Rohrhersteller eine neue Strategie für seine Beschichtungsprozesse ein. Die bisherigen Beschichtungsverfahren basierten auf Wasser, sind jedoch flüchtig und leicht entzündlich. Die nun implementierte nachhaltige Beschichtungstechnologie ist eine 100%ige UV-Beschichtung. Dieser Artikel fasst das Ausgangsproblem des Kunden, den UV-Beschichtungsprozess, die Prozessverbesserungen, die Kosteneinsparungen und die VOC-Reduzierung zusammen.
Beschichtungsverfahren in der Rohrherstellung
Der Hersteller nutzte ein wasserbasiertes Beschichtungsverfahren, das, wie in Abbildung 1a und 1b dargestellt, erhebliche Verschmutzungen hinterließ. Dieses Verfahren führte nicht nur zu Materialverschwendung, sondern schuf auch eine Gefahrenquelle in der Produktionshalle, die die VOC-Belastung und die Brandgefahr erhöhte. Darüber hinaus wünschte sich der Kunde eine im Vergleich zum bisherigen wasserbasierten Beschichtungsverfahren verbesserte Beschichtungsleistung.
Viele Branchenexperten vergleichen zwar wasserbasierte Beschichtungen direkt mit UV-Beschichtungen, doch dieser Vergleich ist nicht realistisch und kann irreführend sein. Die eigentliche UV-Beschichtung ist ein Teilprozess des UV-Beschichtungsverfahrens.
Abbildung 1. Projektbeteiligungsprozess
UV ist ein Prozess
UV-Beschichtung bietet erhebliche ökologische Vorteile, optimierte Gesamtprozesse, verbesserte Produkteigenschaften und – ja – Einsparungen pro laufendem Meter Beschichtung. Für die erfolgreiche Umsetzung eines UV-Beschichtungsprojekts müssen drei Hauptkomponenten berücksichtigt werden: 1) der Kunde, 2) der Systemintegrator für UV-Applikations- und Aushärtungsanlagen und 3) der Technologiepartner für Beschichtungen.
Alle drei Aspekte sind entscheidend für die erfolgreiche Planung und Implementierung eines UV-Beschichtungssystems. Betrachten wir daher den gesamten Projektablauf (Abbildung 1). In den meisten Fällen wird dieser vom Technologiepartner für die UV-Beschichtung geleitet.
Der Schlüssel zum Erfolg eines jeden Projekts liegt in klar definierten Arbeitsschritten mit integrierter Flexibilität, die sich an unterschiedliche Kundentypen und deren Anwendungsfälle anpassen lassen. Diese sieben Phasen bilden die Grundlage für eine erfolgreiche Zusammenarbeit mit dem Kunden: 1) Besprechung des Gesamtprozesses; 2) Besprechung des ROI; 3) Produktspezifikationen; 4) Spezifikation des Gesamtprozesses; 5) Testläufe; 6) Angebotsanfrage/Projektspezifikation; und 7) fortlaufende Kommunikation.
Diese einzelnen Schritte können nacheinander, teilweise parallel oder abwechselnd durchgeführt werden, müssen aber alle abgeschlossen werden. Diese Flexibilität bietet den Teilnehmern die besten Erfolgsaussichten. In manchen Fällen empfiehlt es sich, einen UV-Prozessexperten mit umfassender Branchenerfahrung in allen Bereichen der Beschichtungstechnologie, insbesondere aber mit fundierter Expertise im UV-Prozess, hinzuzuziehen. Dieser Experte kann alle relevanten Aspekte berücksichtigen und als neutrale Instanz die Beschichtungstechnologien sachgerecht und fair bewerten.
Phase 1. Gesamtprozessbesprechung
Hier werden erste Informationen zum aktuellen Prozess des Kunden ausgetauscht, wobei die aktuelle Struktur sowie Stärken und Schwächen klar definiert werden. In vielen Fällen ist eine gegenseitige Geheimhaltungsvereinbarung (NDA) erforderlich. Anschließend sollten klar definierte Ziele zur Prozessverbesserung festgelegt werden. Diese können Folgendes umfassen:
Nachhaltigkeit – VOC-Reduzierung
Arbeitsreduzierung und Optimierung
Verbesserte Qualität
Erhöhte Liniengeschwindigkeit
Reduzierung der Bodenfläche
Überprüfung der Energiekosten
Wartungsfreundlichkeit des Beschichtungssystems – Ersatzteile usw.
Anschließend werden auf Basis dieser ermittelten Prozessverbesserungen konkrete Kennzahlen definiert.
Phase 2. Diskussion über die Kapitalrendite (ROI).
Es ist wichtig, den ROI des Projekts bereits in der Anfangsphase zu verstehen. Der Detaillierungsgrad muss zwar nicht dem für die Projektgenehmigung erforderlichen entsprechen, der Kunde sollte jedoch einen klaren Überblick über die aktuellen Kosten haben. Dazu gehören Kosten pro Produkt, pro laufendem Meter usw., Energiekosten, Kosten für geistiges Eigentum, Qualitätskosten, Betriebs- und Wartungskosten, Nachhaltigkeitskosten sowie Kapitalkosten. (Zugriff auf ROI-Rechner finden Sie am Ende dieses Artikels.)
Phase 3. Diskussion der Produktspezifikationen
Wie bei jedem heute hergestellten Produkt werden die grundlegenden Produktspezifikationen in den ersten Projektgesprächen festgelegt. Im Bereich der Beschichtungsanwendungen haben sich diese Spezifikationen im Laufe der Zeit weiterentwickelt, um den Produktionsanforderungen gerecht zu werden, und werden in der Regel vom aktuellen Beschichtungsverfahren des Kunden nicht erfüllt. Wir nennen das „heute vs. morgen“. Es gilt, ein Gleichgewicht zu finden zwischen dem Verständnis der aktuellen Produktspezifikationen (die mit der aktuellen Beschichtung möglicherweise nicht erfüllt werden) und der Definition realistischer zukünftiger Anforderungen (was immer eine Gratwanderung ist).
Phase 4. Allgemeine Prozessspezifikationen
Abbildung 2. Prozessverbesserungen, die beim Übergang von einem wasserbasierten Beschichtungsverfahren zu einem UV-Beschichtungsverfahren möglich sind
Der Kunde sollte den aktuellen Prozess sowie die Vor- und Nachteile der bestehenden Verfahren vollständig verstehen und definieren. Dies ist wichtig für den Systemintegrator der UV-Technologie, damit die Stärken und Schwächen bei der Entwicklung des neuen UV-Systems berücksichtigt werden können. Hierbei bietet das UV-Verfahren erhebliche Vorteile, wie z. B. höhere Beschichtungsgeschwindigkeit, geringerer Platzbedarf sowie niedrigere Temperatur- und Feuchtigkeitswerte (siehe Abbildung 2). Ein gemeinsamer Besuch in der Produktionsstätte des Kunden ist dringend zu empfehlen und bietet eine hervorragende Grundlage, um die Bedürfnisse und Anforderungen des Kunden zu verstehen.
Phase 5. Demonstration und Testläufe
Der Kunde und der Systemintegrator für UV-Beschichtungen sollten auch das Werk des Beschichtungslieferanten besuchen, damit alle Beteiligten an einer Simulation des UV-Beschichtungsprozesses des Kunden teilnehmen können. Währenddessen werden im Zuge der folgenden Aktivitäten viele neue Ideen und Vorschläge entstehen:
Simulation, Proben und Tests
Vergleich durch Test von Beschichtungsprodukten der Konkurrenz
Überprüfen Sie bewährte Verfahren
Überprüfung der Verfahren zur Qualitätszertifizierung
Lernen Sie UV-Integratoren kennen
Entwickeln Sie einen detaillierten Aktionsplan für die Zukunft.
Phase 6. Angebotsanfrage / Gesamtprojektspezifikation
Das Angebotsanfragedokument des Kunden sollte alle relevanten Informationen und Anforderungen für den neuen UV-Beschichtungsprozess gemäß den Prozessbesprechungen enthalten. Es sollte die vom UV-Beschichtungstechnologieunternehmen ermittelten Best Practices berücksichtigen. Dazu gehören beispielsweise das Erhitzen der Beschichtung mittels eines wassergekühlten Heizsystems bis zur Pistolendüse, das Erhitzen und Rühren des Behälters sowie Waagen zur Messung des Beschichtungsverbrauchs.
Phase 7. Kontinuierliche Kommunikation
Die Kommunikation zwischen Kunde, UV-Integrator und UV-Beschichtungsunternehmen ist entscheidend und sollte gefördert werden. Dank moderner Technologie lassen sich regelmäßige Videokonferenzen (z. B. per Zoom) bequem planen und durchführen. So vermeiden Sie Überraschungen bei der Installation der UV-Anlage.
Vom Rohrhersteller erzielte Ergebnisse
Ein entscheidender Aspekt bei jedem UV-Beschichtungsprojekt ist die Gesamtkostenersparnis. In diesem Fall erzielte der Hersteller Einsparungen in mehreren Bereichen, darunter Energiekosten, Lohnkosten und Verbrauchsmaterialien für die Beschichtung.
Energiekosten – Mikrowellenbetriebene UV-Lampen vs. Induktionsheizung
Bei herkömmlichen wasserbasierten Beschichtungssystemen ist eine Vor- oder Nacherwärmung des Rohrs mittels Induktion erforderlich. Induktionsheizgeräte sind teuer, energieintensiv und können einen erheblichen Wartungsaufwand verursachen. Zudem benötigte die wasserbasierte Lösung 200 kW Energie für Induktionsheizgeräte, im Vergleich zu den 90 kW, die Mikrowellen-UV-Lampen verbrauchen.
Tabelle 1. Kosteneinsparungen von mehr als 100 kW/Stunde durch den Einsatz eines 10-Lampen-Mikrowellen-UV-Systems im Vergleich zu einem Induktionsheizsystem
Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, erzielte der Rohrhersteller nach der Implementierung 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. Veranschaulichung der jährlichen Stromkosteneinsparungen
Die Kosteneinsparungen durch den reduzierten Energieverbrauch wurden auf Basis eines geschätzten Strompreises von 14,33 Cent/kWh berechnet. Die Reduzierung des Energieverbrauchs um 100 kWh, berechnet über zwei Schichten für 50 Wochen pro Jahr (fünf Tage pro Woche, 20 Stunden pro Schicht), führt zu einer Einsparung von 71.650 US-Dollar, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Reduzierung der Arbeitskosten – Bediener und Wartung
Da produzierende Unternehmen ihre Arbeitskosten weiterhin überprüfen, bietet das UV-Verfahren deutliche Einsparungen bei den Arbeitsstunden für Bediener und Instandhalter. Bei wasserbasierten Beschichtungen kann die nasse Beschichtung nachgelagert an den Förderanlagen aushärten und muss dann entfernt werden.
Die Mitarbeiter der Produktionsanlage benötigten insgesamt 28 Stunden pro Woche für die Entfernung/Reinigung der wasserbasierten Beschichtung von den nachgelagerten Materialförderanlagen.
Zusätzlich zu den Kosteneinsparungen (geschätzte 28 Arbeitsstunden x 36 $ [Gemeinkosten] pro Stunde = 1.008,00 $ pro Woche bzw. 50.400 $ pro Jahr) können die körperlichen Anforderungen an die Bediener frustrierend, zeitaufwändig und sogar gefährlich sein.
Der Kunde plante die Reinigung der Beschichtung für jedes Quartal, wobei die Arbeitskosten 1.900 US-Dollar pro Quartal und die angefallenen Kosten für die Beschichtungsentfernung betrugen, insgesamt also 2.500 US-Dollar. Die jährlichen Gesamteinsparungen beliefen sich auf 10.000 US-Dollar.
Kosteneinsparungen bei Beschichtungen – Wasserbasiert vs. UV-basiert
Die Rohrproduktion beim Kunden betrug 12.000 Tonnen pro Monat mit einem Durchmesser von 9,625 Zoll. Dies entspricht insgesamt etwa 570.000 laufenden Fuß bzw. ca. 12.700 Stück. Das neue UV-Beschichtungsverfahren wurde mit Hochdruck-Spritzpistolen und einer typischen Zielschichtdicke von 1,5 mils durchgeführt. Die Aushärtung erfolgte mit Heraeus-UV-Mikrowellenlampen. Die Einsparungen bei den Beschichtungskosten sowie den Transport- und internen Handhabungskosten sind in den Tabellen 2 und 3 zusammengefasst.
Tabelle 2. Kostenvergleich von Beschichtungen – UV- vs. wasserbasierte Beschichtungen pro laufendem Meter
Tabelle 3. Zusätzliche Einsparungen durch geringere Transportkosten im Wareneingang und reduzierten Materialumschlag vor Ort
Darüber hinaus können weitere Einsparungen bei Material- und Arbeitskosten sowie eine Steigerung der Produktionseffizienz erzielt werden.
UV-Beschichtungen sind wiederverwertbar (wasserbasierte Beschichtungen nicht), wodurch eine Effizienz von mindestens 96 % erreicht wird.
Die Bediener müssen weniger Zeit für die Reinigung und Wartung der Applikationsgeräte aufwenden, da die UV-Beschichtung nur bei Einwirkung hochintensiver UV-Strahlung austrocknet.
Die Produktionsgeschwindigkeiten sind höher, und der Kunde hat das Potenzial, die Produktionsgeschwindigkeit von 100 Fuß pro Minute auf 150 Fuß pro Minute zu erhöhen – eine Steigerung um 50 %.
Die UV-Prozessanlagen verfügen typischerweise über einen integrierten Spülzyklus, der anhand der Produktionsstunden überwacht und geplant wird. Dieser kann an die Kundenbedürfnisse angepasst werden, wodurch der Personalaufwand für die Systemreinigung reduziert wird.
In diesem Beispiel erzielte der Kunde eine Kostenersparnis von 1.277.400 US-Dollar pro Jahr.
VOC-Reduzierung
Durch den Einsatz der UV-Beschichtungstechnologie wurden auch die VOCs reduziert, wie in Abbildung 4 zu sehen ist.
Abbildung 4. VOC-Reduzierung durch UV-Beschichtung
Abschluss
Die UV-Beschichtungstechnologie ermöglicht es Rohrherstellern, VOCs in ihren Beschichtungsprozessen nahezu vollständig zu eliminieren und gleichzeitig einen nachhaltigen Fertigungsprozess zu realisieren, der die Produktivität und die Gesamtproduktleistung verbessert. UV-Beschichtungssysteme führen zudem zu erheblichen Kosteneinsparungen. Wie in diesem Artikel beschrieben, überstiegen die jährlichen Gesamteinsparungen des Kunden 1.200.000 US-Dollar, und zusätzlich wurden über 70 Tonnen VOC-Emissionen vermieden.
Weitere Informationen und Zugriff auf ROI-Rechner finden Sie unter www.alliedphotochemical.com/roi-calculators/. Zusätzliche Prozessoptimierungen und ein Beispiel für einen ROI-Rechner finden Sie unter www.uvebtechnology.com.
SEITENLEISTE
Nachhaltigkeit des UV-Beschichtungsprozesses / Umweltvorteile:
Keine flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs)
Keine gefährlichen Luftschadstoffe (HAPs)
Nicht entflammbar
Keine Lösungsmittel, Wasser oder Füllstoffe
Keine Produktionsprobleme mit Luftfeuchtigkeit oder Temperatur
Allgemeine Prozessverbesserungen durch UV-Beschichtungen:
Hohe Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 800 bis 900 Fuß pro Minute, abhängig von der Produktgröße
Geringer Platzbedarf von weniger als 35 Fuß (lineare Länge)
Minimaler Arbeitsaufwand
Sofort trocknend, keine Nachhärtung erforderlich
Keine Probleme mit der Nassbeschichtung im nachgelagerten Bereich
Keine Anpassung der Beschichtung an Temperatur- oder Feuchtigkeitsprobleme
Keine besonderen Handhabungs-/Lagerungsmaßnahmen während Schichtwechseln, Wartungsarbeiten oder Wochenendstillständen.
Reduzierung der Personalkosten für Bediener und Wartung
Fähigkeit, Sprühnebel aufzufangen, erneut zu filtern und dem Beschichtungssystem wieder zuzuführen
Verbesserte Produktleistung durch UV-Beschichtungen:
Verbesserte Ergebnisse der Feuchtigkeitsmessung
Hervorragende Ergebnisse bei Salznebeltests
Möglichkeit zur Anpassung der Beschichtungseigenschaften und der Farbe
Klarlacke, Metallic-Lacke und Farben erhältlich
Niedrigere Beschichtungskosten pro laufendem Meter, wie der ROI-Rechner zeigt:
Veröffentlichungsdatum: 14. Dezember 2023
