Der sparsame Umgang mit Energie und Ressourcen sowie die Vermeidung von umweltschädlichen Emissionen zählt heute zu den wichtigsten Aufgaben der Menschheit. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen auch alle Verfahren zur Herstellung von Produkten einer genauen Betrachtung unterzogen werden. Die dazu notwendige Vorgehensweise wird am Beispiel von hocheffizienten und hochwertigen Oberflächen aufgezeigt. Verglichen werden metallische und organische Oberflächen auf Kunststoff, wobei zugleich gezeigt wird, wie die notwendige Anlagentechnik zur Herstellung der entsprechenden Beschichtungen optimiert werden kann. Bei diesem Vergleich schneiden galvanisch abgeschiedene Metallschichten im Vergleich zu Lackoberflächen gut ab.
Die BIA Gruppe ist im Bereich der Automobilindustrie ein bekannter Lieferant für verchromte Oberflächen. Chrombauteile finden eine breite Anwendung als Zierelemente im Interieur und Exterieur der Fahrzeuge (Abb. 1). Sie ergänzen das Design der Fahrzeuge neben Lackoberflächen, Prägungen und Foliendekoren. 2020 erweiterte BIA die Produktionskapazitäten am Stammsitz Solingen um eine Lackieranlage und nahm die Serienproduktion auf. Die neue Anlage ist auch mit dem Fokus auf eine klimaneutrale und effiziente Produktion geplant worden. Mit den aktuellen Kennzahlen aus der Serienproduktion und dem Vergleich zu anderen Beschichtungstechnologien im eigenen Haus, lässt sich nach neun Monaten Produktion eine erste Bilanz ziehen.
Abb. 1 Hochwertige Bauteile mit Ambientelicht in den Ausführungen Galvanik und Lack
1 Klimaneutral bis 2025
Die BIA Gruppe hat bereits in den letzten beiden Jahren die Zielsetzung verfolgt, bis 2025 eine klimaneutrale Produktion in der Bilanzierung von Scope 1 und Scope 2 nach dem Greenhouse Gas Protokoll [8] umzusetzen. Dies ist in energieintensiven Prozessen wie dem Spritzgießen und der Veredlung durch Galvanisierung oder Lackierung eine Herausforderung; sie zu meistern, erfordert zunächst eine Betrachtung zur Ressourceneffizienz, aber auch einen Blick auf die neueste Anlagentechnik. Dementsprechend wurden bei der Auslegung der neuen Lackieranlage mit dem Anlagenbauer Rippert GmbH & Co. KG aus Herzebrock-Clarholz, neueste Entwicklungen in das Konzept eingebracht. Eine hocheffektive Roboterlackierung sowie ein neuartiges Trocknungskonzept wurden integriert. Die Spezifika der Anlage werden im Weiteren noch erläutert [1-3].
Aus Sicht der Anwendung gibt es im Automobilinterieur einen klaren Trend zur Integration von Funktionen bei gleichbleibenden Anforderungen an Beständigkeit, Wertigkeit und Individualisierung. Diese Anforderungen muss ein Bauteil erfüllen und gleichzeitig den zukunftsweisenden Ansprüchen im Bereich der Nachhaltigkeit und Effizienz gerecht werden. Denn unabhängig davon, welche Fertigungstechnologie und Wertigkeitserwartung durch das Design vorgegeben sind, müssen Prozesse sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter Umweltgesichtspunkten effizient und nachhaltig gestaltet werden. Tabelle 1 gibt einen kurzen Einblick in mögliche Anforderungen und die Eignung der jeweiligen Fertigungstechnologie.
2 Vergleich der Technologien
Mit Blick auf die Anwendung sind insbesondere die Lackierung und galvanische Metallabscheidung vergleichbar. Direkt gespritzte Oberflächen im MoldinColor-Verfahren bedingen meist deutliche Rückschritte in der Beständigkeit und Folienbauteile haben andere Dekor- und Funktionsbereiche als Anwendungsziel. So sind Foliendekore in der Regel mit Zierrahmen in Metalloptik verbunden und bilden großflächige Dekore ab. Ein Vergleich mit PVD ist sicherlich möglich, allerdings sind die Fertigungskapazitäten und Rahmenbedingungen nicht mit denen von lackierten und galvanisierten Bauteilen zu vergleichen. So sind Lackierprozesse vor und nach der PVD-Beschichtung notwendig, um die OEM-Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit und Abrieb zu erfüllen. Ein genereller Vergleich auf technischer Ebene zwischen den Verfahren galvanische Metallabscheidung, Lackierung und PVD-Beschichtung ist in [4] dargestellt.
Bewertungsgrundlagen sind dabei zum einen der subjektive Eindruck aus Nutzersicht, zum anderen aber natürlich die Spezifikationen und Testanforderungen der OEM. Metallisch anmutende Oberflächen in Fahrzeugen mit einer Aluminiumoptik werden aktuell bevorzugt mit Mattchromverfahren durch galvanische Verfahren mit einer Echtmetalloberfläche hergestellt. Aber auch aktuelle Lackieranwendungen sind hier in der Lage, den Anforderungen der Designer an die Optik gerecht zu werden.
Hat die galvanische Metallabscheidung im Bereich der Beständigkeit und Haptik Vorteile, so sind Farbvarianten durch die Lackauswahl sehr gut und flexibel abzubilden. Dabei schließen sich beide Prozesse keineswegs aus, sondern können vielmehr auf ähnlichem Substrat und dem gleichen Spritzgießprozess realisiert werden. Entsprechend ergeben sich flexible und effiziente Konzepte, um individuelle Designvarianten zu erzielen, ohne Werkzeuge und Prozesse jeweils anpassen zu müssen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel, bei dem eine mit Ambientelicht versehene Dekorleiste in Echtmetall durch eine galvanisch abgeschiedene Metallschicht, aber auch matt und hochglänzend in Schwarz durch die Lackiertechnologie abgebildet wird.
Abb. 2: BIA-Nachtdesign Ambientebeleuchtung in Echtmetall-Chrom und Lack in den Ausführungen Matt sowie Hochglanz-Schwarz
Entsprechend ist es auch aus Sicht der Nachhaltigkeit sinnvoll, Designvarianten und die dafür notwendigen Fertigungskonzepte zu koordinieren, um den Aufwand bei der Werkzeugherstellung, Qualifizierung und final in der Produktion zu minimieren.
3 Effiziente Prozessgestaltung
Wird die Nachhaltigkeit und Effizienz von Prozessen betrachtet, so ergeben sich hier zwei wichtige Bereiche. Zum einen ist es der notwendige Einsatz von Energie und Rohstoffen zur Erstellung des Produkts, zum anderen ist es der stoffliche Wert des Produkts mit seinen Möglichkeiten, recycelt zu werden und recycelte Anteile einzubinden. Der Bereich der effizienten Produktion muss in der Anlagenplanung berücksichtigt werden und lässt einen direkten Vergleich der Prozesse in Bezug auf den Bedarf an elektrischer Energie, Wärmemenge, Wassereinsatz und CO2-Äquivalent referenziert zur beschichteten Oberfläche zu.
Die bei BIA installierte Lackieranlage hat daher ein spezielles Trocknungskonzept in einem von der Rippert GmbH & Co. KG patentierten Rondelltrockner. Darüber hinaus werden die Prozesse nicht über ein Flurfördersystem verbunden, sondern über einen zentralen Handlingsroboter bedient. Dies reduziert deutlich den notwendigen Platzbedarf der Anlagen, da Abdunsten, Trocknen und Abkühlen in verschiedenen Ebenen abgebildet werden können. Kurze Wege und die kompakte Bauweise reduzieren zudem den zu temperierenden Raum und eine geschickte Einteilung in Sauber- und Reinraumbereiche sowie die hierfür notwendige Energie in der Belüftung.
Mit dem Ziel, hochwertige Lackierungen in der Produktion in Ein- bis Dreischicht-Systemen abzubilden, ist die Anlage 2020 aufgebaut und in Betrieb genommen worden. Somit lässt sich ein direkter Vergleich zwischen der galvanischen Metallabscheidung und der Lackierung inhouse anstellen und ein Fazit nach den ersten Produktionsmonaten ziehen.
Die Lackierung von komplexen Geometrien wird über eine Roboterlackierung auf zwei Positionen sichergestellt, die über den Handlingsroboter bedient werden. Bei der Herstellung von Dekoroberflächen sind Overspray und Verschmutzung immer kritische Punkte. Der Overspray wird senkrecht unter den Lackiergestellen (Abb. 3) abgezogen und über eine RTS-Rotation trocken abgeschieden. Durch eine Trockenabscheidung läuft die Anlage abwasserfrei. Die notwendige Abluft bei der Verarbeitung von Lösemittellacken wird über eine regenerative Nachverbrennung vollständig gereinigt. Damit ergibt sich insgesamt ein nach aktuellem Stand der Technik hocheffizientes Anlagenkonzept.
Abb. 3: Blick auf das Lackierrack mit den Vergleichsteilen
4 Energetischer Prozessvergleich
Um eine einheitliche Basis für einen Vergleich zu schaffen, wird die Produktion einer lackierten Chromeffektoberfläche mit einer galvanisch abgeschiedenen Metalloberfläche auf dem gleichen Bauteil und PC/ABS als Substrat herangezogen. Die Spezifikationsanforderungen sind für beide Varianten nahezu identisch. Lediglich Korrosionsanforderungen oder Hydrolysetests unterscheiden sich, die bei dem jeweils anderen Verfahren als unkritisch zu bewerten sind. Als konkreter Anwendungsfall wird die Produktion einer Zierleiste im Interieur in beiden Oberflächen mit einem Jahresvolumen von 250.000 Bauteilen (Abb. 4) betrachtet.
Abb. 4: Einbausituation des Zierrahmens um die Mittelkonsole (Bild: Daimler AG)
Im ersten Schritt wird die generelle Effizienz der Anlage bezogen auf die notwendige Energie pro beschichtetem Quadratmeter Oberfläche (angegeben in kWh/m2) herangezogen. In [5] ist der aktuelle Stand der Industrie in der Lackierung dargestellt; er wird im Weiteren als konventionelle Lackierung für Vergleiche herangezogen. Dabei laufen die entsprechenden Anlagentypen in der Regel nicht mit einem Roboterhandling sondern über Fördersysteme und Durchlauföfen. Somit kann die neue Struktur der Anlage direkt bewertet werden.
Beim direkten Vergleich zur konventionellen Lackierung, die aktuell den Stand der Technik in der Industrie darstellt, zeigt das bei BIA umgesetzte Konzept bereits deutliche Vorteile. Durch das innovative Trocknungs-, Handlings- und Reinraumkonzept können bereits knapp 50 Prozent der notwendigen elektrischen Energie eingespart werden [5]. Dies ist insbesondere auf die Belüftung, das Handling und die Reinigung zurückzuführen. Hinzu kommen weitere knapp 20 Prozent im Bereich der durch Erdgas eingebrachten thermischen Energie. Der kompakte Anlagenaufbau und die innovative Trocknungslösung zeigen also bereits Wirkung.
Des Weiteren wurden deutliche Einsparungen im Bereich des Lack- und Lösemittelverbrauchs ermittelt. Diese sind auf eine integrierte Ausrichtung der Bauteile zum Lackierroboter zurückzuführen, die minimalen Overspray und eine nahezu immer ideale Ausrichtung der Lackierung zum Bauteil gewährleistet. Die Kennzahlen sind in Tabelle 2 gegenübergestellt und betrachten dabei ebenfalls die galvanisch hergestellte Beschichtung.
Aus Sicht des direkten Prozessvergleichs kann in der Produktion bei BIA auch die galvanische Metallisierung dieser Bauteile betrachtet werden. Die hochautomatisierte Abscheidung von Metall als Schichtverbund aus Kupfer, Nickel und Chrom stellt sich dabei in der Abbildung dieser Bauteile als sehr effizient dar. So liegt der notwendige Energieeinsatz sowohl bei thermischer als auch elektrischer Energie im Bereich der neuesten Anlagentechnik zur Lackierung. Damit zeigt sich, dass beide Oberflächen unter Verwendung aktueller Anlagentechnik effizient produziert werden können, wobei die herangezogene galvanische Metallabscheidung bereits zehn Jahre in Betrieb ist. Ein Vergleich mit neuester Anlagentechnik für die galvanische Metallabscheidung wird mit der Inbetriebnahme einer neuen Galvaniklinie am Standort Solingen in 2022 möglich sein.
5 GWP als Bewertungsfaktor bei Prozessen
Neben der eingebrachten Energie spielt natürlich auch das dafür notwendige CO2-Äquivalent eine wichtige Rolle. Dabei zeigt sich insbesondere, dass durch eine Integration von neuer Technologie in die Produktionsstrukturen, Kohlenstoffdioxid (CO2) eingespart werden kann und eine auf den exakten Anwendungsfall ausgelegte Anlagentechnik einen Beitrag zur kontinuierlichen Reduzierung der Umweltbelastung leistet.
Wird das in Abbildung 1 dargestellte Bauteil als Produktionsreferenz mit einem Jahresvolumen von etwa 250.000 Bauteilen betrachtet, so benötigt eine konventionelle Lackierung dazu 149.520 Kilogramm Kohlenstoffdioxid [6]. Die bei BIA installierte Anlage liegt mit 91.700 Kilogramm Kohlenstoffdioxid entsprechend des Energiemix aus Erdgas und elektrischer Energie deutlich unter diesem Wert, allein durch die Reduzierung der eingebrachten Energie. Weitere 30 Prozent des CO2-Ausstoßes können bei BIA durch die Nutzung von Photovoltaik sowie einem reduzierten CO2-Bedarf des lokalen Strommix eingespart werden [7].
Die bei BIA betriebene Lackieranlage läuft vollständig ohne Abwasser zur Abscheidung des Overspray und kann diesen ungefährlich über wiederverwendbare Trockenabscheider entsorgen. Dies muss ebenfalls in der Bilanz berücksichtigt werden, ist in diesem Fall allerdings nicht als direkter Vergleich zu erfassen. Zusätzlich ist ein deutlicher Fortschritt durch die Reduzierung der notwendigen Lösemittelmenge und Lackmenge zu berücksichtigen. Eine konkrete Bilanzierung hierzu wird mit dem Lacklieferanten erstellt.
6 Ausschuss und Qualitätsniveau
Final ist der Ausschuss in der Produktion ein Faktor, der sich in jedem Fall deutlich auf alle notwendigen Produktionsmittel auswirkt. Jeder Prozentanteil reduzierter Ausschuss kann direkt in der Bilanz als Verbesserung dargestellt werden. Entsprechend ist je nach Geometrie und Bauteilanforderung auch immer das Produktionsverfahren zu bevorzugen, dass geringere Ausschusswerte abbilden kann.
Statistiken nach [5] zeigen, dass bei der Lackierung von hochwertigen Oberflächen mit einem durchschnittlichen Ausschuss von bis zu 35 Prozent zu rechnen ist. Dies zeigt sich auch bei einem Benchmark mit neuester Anlagentechnik, die ebenfalls bei 25 Prozent Ausschuss liegt. Dabei sind Füllstoffe in den Lacken, die hohen Lösemittelanteile sowie Chargenschwankungen bei dem Ziel, eine homogene Effektoberfläche zu erzielen, schwer zu beherrschen. Alleine die Reduzierung des Ausschusses um zehn Prozent durch die verfügbare Anlagentechnik, würde bereits rund 10.000 Kilogramm Kohlenstoffdioxid durch den nicht notwendigen Einsatz des Kunststoffs ermöglichen. Hinzu kommt die deutliche Reduzierung an Lack, durch die weitere knapp 40 Prozent des über das Material eingebrachten CO2-Bedarfs eingespart werden können.
7 Bilanzierung als erster Schritt
Um sich dem Thema einer klimaneutralen und umweltbewussten Produktion zu stellen, ist die Bilanzierung der erste wichtige Schritt. Die BIA Gruppe ist hier seit 2019 in der Lage, die relevanten Energieträger und GWP-Anteile der Standorte auszuweisen. Dies kann ebenfalls auf die jeweilige Produktion fokussiert werden und zeigt entsprechend die bereits über die letzten zwei Jahre integrierten Optimierungen. Einfache Schritte wie eine Optimierung der Beleuchtung in der Bauteilkontrolle zeigen mit etwa drei Prozent Einsparung schnell Wirkung. Dazu ermöglichen die Bilanzen, auch in der Anlagenplanung konkrete Ziele vorzugeben. Dass durch eine intensive Zusammenarbeit mit dem Anlagenbauer hier deutliche Potentiale gehoben werden können, zeigt der Vergleich der Lackierung bei BIA mit der konventionell verfügbaren Technologie. Einsparpotentiale und CO2-Bedarf in der Produktion können so bis zur Bauteilebene ausgewiesen werden.
Bis 2025 wird die BIA Gruppe sukzessive die Entwicklung in Richtung einer klimaneutralen Produktion vorwärtstreiben. Bei Prozessen, die stark von elektrischer Energie abhängig sind, wird bereits die Integration von Öko-Strom einen deutlichen Einfluss ausüben. Dazu werden Projekte zur Wertstoffrückgewinnung, Integration von lokal aufbereiteten Rezyklaten und Weiterentwicklungen der Prozess- und Anlagentechnik diese Entwicklung unterstützen.
Literatur
[1] P. Bruck: CO2-Bilanzierung von Maßnahmen; Klimaschutz- und Energieagentur Niedersachsen; 2020
[2] P. Bruck: Instrumente zur Erstellung von CO2-Bilanzen; Energiekonsens, 2017
[3] N. N.: Lackieranlage mit neuartigem Rondelltrockner spart Platz und Ressourcen; Rippert-News, 2020
[4] F. Heinzler, M. Dahlhaus: Verfahren zur Kunststoffbeschichtung für Chromoptiken im Vergleich; WOMag 12/2018, S. 26–27
[5] Abschlussbericht BMUB-Umweltinnovationsprogramm - Innovatives und umweltfreundliches Lacksystem für Automobil-Chrom-Optik; 2016
[6] Effizienz-Agentur NRW; https://ecocockpit.de/; 2021
[7] Stadtwerke Solingen; https://www.stadtwerke-solingen.de ; Strommix/Stromkennzeichnung, 2021
