Die industrielle Teilereinigung war lange ein unterrepräsentiertes Thema in der Produktion und wurde eher als notwendiges, kostenverursachendes Übel betrachtet, das nicht zur Wertschöpfung beiträgt. Heute gilt die technische Sauberkeit hingegen als Qualitätsmerkmal. Die Anforderungen an die Bauteilsauberkeit sind branchenunabhängig stark gestiegen, so dass für deren Realisierung eine hocheffiziente Reinigungstechnik notwendig ist. Für die Bewältigung dieser immer neuen Aufgaben reicht es nicht mehr aus, lediglich die Reinigungs- und Analyseverfahren zu betrachten. Vielmehr ist es notwendig, die Reinigung über den gesamten Produktlebenszyklus zu betrachten und den Fertigungsprozess – von der Konstruktion bis zur Verpackung – reinigungstechnisch optimal zu gestalten. Weiterhin haben die Bauteilgeometrie und der Werkstoff einen signifikanten Einfluss auf die Wahl des Reinigungsverfahrens und die Gestaltung des Reinigungsprozesses.
1 Markt- und Trendanalyse in der industriellen Teilereinigung
Die optimale Gestaltung von Reinigungsprozessen erfordert ein breites Wissen
über Verfahren und Methoden der Reinigungstechnik sowie über aktuelle Aufgabenstellungen und zukünftige Entwicklungen. Umfassende Marktdaten zur industriellen Teilereinigung sind jedoch kaum vorhanden. Aus diesem Grund führte die Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik (FAR) in Zusammenarbeit mit der fairXperts GmbH und dem Fachverband der Hightech-Industrie Spectaris im Jahr 2012 bereits zum zweiten Mal eine Markt- und Trendstudie in der industriellen Teilereinigung durch. Die Unternehmen wurden wie bei der ersten Studie im Jahr 2007 nach Hauptgeschäftsfeld, Mitarbeiter- und Umsatzentwicklung, aktuellen Reinigungstechniken und ihrer Einschätzung der zukünftigen Bedeutung der Reinigungstechnik in der Fertigung befragt. Im Rahmen der Auswertung werden die ermittelten Ergebnisse aus der aktuellen Studie denen aus dem Jahr 2007 gegenübergestellt. Die Kooperation mit fairXperts und Spectaris erlaubte die Befragung unterschiedlichster Teilnehmer aus verschiedenen Branchen, wie die Branchenzugehörigkeit der teilnehmenden Anwender in Abbildung 1 zeigt.
Abb. 1: Branchenzugehörigkeit der teilnehmenden Anwender von Reinigungstechnik
Im Folgenden wird aus dem Teilbereich der Markt- und Trendstudie 2012 zu Reini-
gungsprozesse innerhalb der Fertigung auf die Aspekte: Anzahl der Reinigungsschritte, Reinigungszweck, Bauteilwerkstoff, -geometrie und zu entfernende Verunreinigungen eingegangen.
2 Anzahl der Reinigungsschritte und Reinigungszweck
Welche Reinigungsverfahren und welche Anlagen in die Fertigungskette integriert werden können beziehungsweise müssen, hängt von vielen Faktoren ab. Zunächst sollte festgestellt werden, welches Reinigungsergebnis angestrebt wird. Anschließend muss das zu reinigende Bauteil näher bestimmt werden. Zu den entscheidenden Kriterien gehören dabei das Material, die Größe und die Oberflächenform. Schließlich wird die Art der Verunreinigung identifiziert. Auf diese Weise kann das passende Verfahren ausgewählt und gezielt eingesetzt werden. Die Anzahl der Reinigungsschritte kann für das Reinigungsergebnis von Bedeutung sein; eine Vorbehandlung oder Zwischenreinigung kann sowohl Kostenvorteile als auch eine Qualitätssteigerung bedeuten.
Abbildung 2 stellt die Angaben von allen Studienteilnehmern zur typischen Anzahl von Reinigungsschritten in ihren Unternehmen dar. Die meisten Anwender und Kunden der Hersteller reinigen in bis zu fünf Schritten. Mehr Reinigungsschritte sind wenig verbreitet, lediglich bei optischen Bauteilen wie Prismen können bis zu 20 Reinigungsschritte notwendig sein.
Abb. 2: Anzahl der Reinigungsschritte je Bauteil anhand eines Referenzbauteils der Teilnehmer
Das zu erzielende Reinigungsergebnis wird üblicherweise durch Toleranzgrenzen festgelegt. Es entspricht einem Grad an technischer Sauberkeit, der beispielsweise in maximaler Partikelanzahl pro Fläche angegeben wird. Wie diese Toleranzgrenzen genau bestimmt werden, hängt von den Anforderungen ab, die das Bauteil in den nachfolgenden Prozessen zu erfüllen hat. Aus diesem Grund gaben die Studienteilnehmer den Zweck zum Einsatz ihrer Reinigungsanlagen an (Abb. 3). Es werden vielfältige Reinigungsziele genannt, nicht nur die End- oder Zwischenreinigung mit je 81 Prozent, sondern auch die Reinigung zur Vorbereitung nachfolgender Prozesse, wie beispielsweise Montage (88 %), Beschichtung/Lackierung (79 %) sowie vor Mess- und Prüfverfahren (51 %).
Abb. 3: Zweck für den Einsatz von Reinigungsanlagen in den Unternehmen
3 Bauteilwerkstoff und -geometrie
Wie oben erläutert, haben Bauteilwerkstoff und Geometrie einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Reinigung innerhalb der Fertigung. Wie aus Abbildung 4 zu entnehmen ist, werden überwiegend eisenhaltige (FE) und nicht-eisenhaltige (NE) Metalle (62 %) verarbeitet und gereinigt. In der vorliegenden Studie lässt sich dieses Ergebnis durch den großen Anteil von Teilnehmern aus dem Fahrzeug- und Maschinenbau sowie der Metallindustrie erklären. Wie in der Studie von 2007 prognostiziert wurde, ist der Anteil an Kunststoffen zur Reinigung gestiegen (von 8 % auf 15 %). Vor allem in Branchen wie der Gummi- und Kunststoffverarbeitung, der Medizin- und Elektrotechnik sowie der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik werden diverse Materialien zunehmend durch Kunststoffe ersetzt.
Abb. 4: Zu reinigende Bauteilwerkstoffe in den Unternehmen
In Abbildung 5 ist die Verteilung der Werkstoffe auf die wichtigsten Anwenderbranchen aufgelistet. Dabei wird der Anteil der Unternehmen einer Branche dargestellt, welche die entsprechenden Werkstoffe reinigen. In den Bereichen Fahrzeug- und Maschinenbau sowie in der Metallindustrie dominieren Metalle und insbesondere eisenhaltige Metalle mit bis zu 89 Prozent. Dagegen ist die Verteilung in den Branchen Medizin-, Elektro- und Feinwerktechnik diversifizierter, was die Anforderungen an die Teilereinigung vielfältiger gestaltet. Kunststoffe werden am häufigsten in der Medizin- und der Elektrotechnik eingesetzt, während in der Feinwerktechnik überwiegend Glas/Keramik verwendet wird.
Abb. 5: Verteilung der Bauteilwerkstoffe in den wichtigsten Branchen
Für eine detaillierte Betrachtung wurden die zu reinigenden Werkstoffe weiter untergliedert. In Abbildung 6 sind die zu reinigenden eisenhaltigen Metalle zusammengefasst. Am häufigsten werden rostfreier (32 %) und gehärteter (28 %) Stahl gereinigt. Unter Sonstige fallen beispielsweise Reineisen, legierte Stähle sowie Werkzeug-, Tiefzieh- und Schnellarbeitsstähle. In Abbildung 7 ist die Unterteilung der nicht-eisenhaltigen Metalle dargestellt. Bei diesen wird hauptsächlich Aluminium (26 %), Messing (16 %) und Kupfer (12 %) verarbeitet und gereinigt. Weniger verbreitet sind Bronze und Titan mit je acht Prozent. Kaum berücksichtigt werden Magnesiumlegierungen, Nickel und Zink.
Abb. 6: Unterteilung der zu reinigenden FE-Metalle
Abb. 7: Unterteilung der zu reinigenden NE-Metalle
Der Anteil an Kunststoff als Bauteilwerkstoff ist, wie bereits festgestellt wurde, in seiner Bedeutung für die industrielle Teilereinigung gestiegen, da Kunststoff zunehmend als der Werkstoff der Zukunft betrachtet wird. In Abbildung 8 sind die Kunststoffe aufgeführt, die am meisten eingesetzt und gereinigt werden. Demnach sind Polyethylen (18 %), Polypropylen (18 %) und Polyamid (11 %) am weitesten verbreitet.
Abb. 8: Unterteilung der zu reinigenden Kunststoffe
Die Oberfläche des Bauteils beeinflusst neben dem Material und dem Reinigungsziel ebenfalls die einzusetzende Reinigungstechnologie sowie das Reinigungsergebnis. Aus Abbildung 9 wird ersichtlich, wie die zu reinigenden Bauteile beschaffen sind. Die Eigenschaften der zu reinigenden Bauteile erweisen sich als sehr vielfältig. Es wird jedoch deutlich, dass die Bauteile zumeist eine glatte Oberfläche (18 %) oder offene Spalten und Bohrlöcher haben (14 %) sowie empfindlich für Kratzer (11 %) sind. Auch die Größe eines Bauteils beeinflusst die Auswahl einer Reinigungstechnologie. Die Bandbreite der zu reinigenden Bauteile und somit der Anwendungsbereich der Teilereinigung ist sehr groß. Die Bauteilgröße variiert hier von kleinen Schrauben bis hin zu großen Komplettbauteilen, wie beispielsweise Karosserieelementen.
Abb. 9: Beschaffenheit der Bauteile bei den Unternehmen anhand eines Referenzbauteils
4 Typische Verunreinigungen
Reinigung hat per definitionem immer den Zweck, unerwünschte Kontaminationen von Bauteilen zu entfernen. Neben den bereits aufgeführten Punkten wie Bauteilgeometrie oder Werkstoff hat die Verunreinigung selbst natürlich einen maßgeblichen Einfluss auf die Wahl des Reinigungsverfahrens. In Abbildung 10 sind die verschiedenen Arten von Verunreinigungen, die in den Unternehmen entfernt werden müssen, aufgeführt. Partikuläre Verunreinigungen sind mit 37 Prozent am häufigsten zu entfernen, gefolgt von filmischen/pastösen Verunreinigungen mit einem Anteil von 33 Prozent. Die Verunreinigung durch Mikroorganismen ist dagegen nur zu sechs Prozent das adressierte Reinigungsproblem, was sich auf die Verteilung der Teilnehmer auf ihre spezifischen Branchen zurückführen lässt.
Abb. 10: Zu entfernende Verunreinigungen in den Unternehmen
Ursache für partikuläre Verunreinigungen ist häufig der Bearbeitungsprozess in der Fertigung. In Abbildung 11 ist die Unterteilung der partikulären Verunreinigung dargestellt, wobei Metallspäne (33 %) sowie Schleifstaub und Strahlmittelrückstände (30 %) zu den meistgenannten Verunreinigungen zählen. Erst danach wird Staub aus der Umwelt in 27 % der Fälle angegeben. Zu den filmischen Verunreinigungen gehören in erster Linie wassermischbare Kühlschmierstoffe (15 %), Korrosionsschutzöle (12 %) sowie verseifbare und nicht verseifbare Öle und Fette (12 % bzw. 10 %).
Abb. 11: Unterteilung der partikulären Verunreinigungen
Abbildung 12 zeigt die verschiedenen Arten von filmischen oder pastösen Verunreinigungen bei den Unternehmen. In Abbildung 13 sind darüber hinaus die sonstigen Verunreinigungen aufgeführt, die einen Gesamtanteil von 22 Prozent der zu entfernenden Verunreinigungen darstellen. Davon sind 27 Prozent Handschweiß und Fingerabdrücke, die beim Handling im Fertigungsprozess auf das Bauteil übertragen werden. Außerdem müssen Oxide, Zunder und Korrosionsprodukte (26 %) von der Oberfläche entfernt werden. Weiterhin stellt sich das Entgraten (18 %) ebenfalls als ein wichtiger Prozess heraus, der per Definition keine Reinigungsanwendung ist, jedoch als eine solche wahrgenommen wird.
Abb. 12: Unterteilung der filmischen Verunreinigungen
Abb. 13: Unterteilung der sonstigen Verunreinigung
5 Zusammenfassung
Die aufgeführten Ergebnisse verdeutlichen noch einmal, wie komplex und vielseitig die industrielle Teilereinigung ist. Dabei wurden hierbei noch nicht alle relevanten Aspekte zur Integration von Reinigungsprozessen in die Fertigung thematisiert. Zusätzlich gibt es Fragestellungen wie Funktionsflächen- oder Integralreinigung, Anforderungen an das Reinigungsergebnis, Überwachung und Prüfung des Prozesses und natürlich Zeit und Kosten. Dieses Feld lässt sich noch weiter öffnen durch eine frühzeitige Berücksichtigung von Reinigungstechnik in der Produktplanung, der Implementierung neuer Verfahren in den Fertigungsprozess und der Vielzahl von Reinigungsverfahren und deren Anwendungsmöglichkeiten.
Die Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik hat in der Markt- und Trendstudie in der industriellen Teilereinigung 2012 diese Themengebiete neben anderen erfragt, um Herstellern und Anwendern von Reinigungstechnik eine Hilfestellung für die tägliche Arbeit zu Verfügung zustellen.
Hinweis
Die vollständige Studie kann über die Website der Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik (www.allianz-reinigungstechnik.de) bezogen werden.
Kontakt
Dr.-Ing. Martin Bilz (Autor), Sprecher/Leiter Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik, c/o Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK), Pascalstraße 8–9, D-10587 Berlin; E-Mail: martin.bilz@ipk.fraunhofer.de
- www.allianz-reinigungstechnik.de
DOI: 10.7395/2014/Bilz2
