Modulare Anlagenkonzepte erhöhen Flexibilität und senken Kosten

Die Automobilindustrie fährt mit Vollgas aus der Wirtschaftskrise der vergangenen Jahre heraus. Die weltweite Nachfrage nach Fahrzeugen steigt, was sich sowohl in den Produktions­zahlen wie auch in den Zulassungsstatistiken widerspiegelt. Dementsprechend nimmt auch die Investitionsbereitschaft der Automobilhersteller wieder zu. Neue Lackieranlagen werden geplant und gebaut. Hierbei macht sich ein Trend verstärkt bemerkbar. Immer mehr OEMs setzen auf Energie- und Materialeffizienz in Verbindung mit kompakten Lackierprozessen und flexiblen Automatisierungskonzepten.

Eine Lackieranlage, die eine hohe Flexibilität bietet, besonders kompakt ist und ein hohes Maß an Energie- und Materialeffizienz verspricht, ist das nicht zu viel verlangt? Eine Lackierung von Personenwagen, Transportern und LKW-Fahrerhäusern mit unterschied­lichsten Stückzahlen in einer Lackiererei, geht das überhaupt? Was auf den ersten Blick wie Wunschdenken aussieht, wird gerade realisiert. In Nanchang in China.

Am Anfang jeder Anlagenplanung stehen das zu lackierende Produktprogramm und die erforderliche Kapazität. In diesem Fall geht es um ein SUV mit 4 Modellvarianten, 26 Einheiten pro Stunde und 15 Quadratmeter zu lackierender Außenfläche. Dazu ein Transporter mit 20 unterschiedlichen Modellvarianten, 30 Einheiten pro Stunde und einer zu lackierenden Außenfläche zwischen 20 und 40 Quadratmetern. Bei diesem Fahrzeugtyp soll auch die Innenlackierung automatisiert erfolgen, was bei einem Lieferwagen bedeutet, dass auch der Laderaum mit seiner enormen Fläche zu betrachten ist. Nicht zu vergessen das LKW-Fahrerhaus mit nochmals zwei bis drei Einheiten pro Stunde und einer Fläche in der Größenordnung des Transporters. Es wird schnell klar, dass diese enorme Modellvielfalt nicht über eine Linie gefahren werden kann. Eine Aufteilung ist erforderlich, auch aus Kapazitätsgründen. Wie aber sollen die Anlagenkonzepte aussehen?

Eine Lackiererei für ein extrem breites Produktspektrum: ein Transporter und Kleinbus mit 20 unterschiedlichen Varianten, ein LKW-Fahrerhaus mit einem nur geringen  Anteil an der Gesamtproduktion und ein SUV.

Für die Nutzfahrzeuge sind zwei unterschiedliche Prozesse vor­gesehen: eine Monocoat-Lackierung mit nur einem Deck­lack­auftrag sowie ein vollständiger Dreischicht-Aufbau. Die kleinen und mittleren Fahrzeuge stellen die breite Masse dar, die großen sind nur mit einem kleinen Anteil von 11% vertreten.

Das Standardlayout einer Lackieranlage beruht auf einer sequentiellen Lackierlinie. Die Fahrzeuge durchlaufen diese kontinuierlich oder getaktet. In jeder Station wird nur ein Teil des gesamten Lackierumfangs erledigt. Prinzipiell besteht aber auch die Möglichkeit, einzelne Lackierstationen „parallel“ anzuordnen und ein sogenanntes Boxenkonzept zu realisieren.

Das charakteristische Merkmal dieses Konzeptes ist es, einen möglichst hohen, wenn nicht sogar den vollständigen Lackierumfang in einer Station durchzuführen. Bei näherer Betrachtung bieten beide Konzepte ganz spezifische Vorteile. Während sich die klassische Lackierlinie besonders für hohe Durchsätze bei geringer Modelvielfalt eignet, bietet das Boxenkonzept eine flexible Lösung für ein breites Produktspektrum.

Linienlayout im Vergleich zum Boxenkonzept, charakteris­tische Merkmale: geringe Modellvarianz, konstante Taktzeit, prozess­spezifische Applikation sprechen für die Linie. Individuelle Taktzeit in Abhängigkeit von Fahrzeug­größe, Prozess und Lackier­umfang, flexible Anpassung an Kapazitätsanforderungen sind die Vorteile eines Boxenkonzeptes.

Zurück zur konkreten Aufgabenstellung. Für den Transporter scheint das Boxenkonzept die günstigere Lösung zu sein. Doch, wie sieht das tatsächliche Layout aus? Hier kommt nun der Lackierprozess ins Spiel. Es soll ein so genannter 3wet-Prozess eingeführt werden. 3wet bedeutet nichts anderes, als dass alle drei Lackaufträge, d.h. Füller, Basislack und Klarlack direkt hintereinander, also ohne Zwischentrocknung, aufgetragen werden. Die ganze Schicht wird erst nach dem letzten Lackauftrag in einem Trockner vernetzt. Ein kompakter Prozess, der sich hier besonders vorteilhaft auswirken kann. Damit kann nun das Anlagenlayout skizziert werden. Die Transporter durchlaufen zunächst eine Reinigungsstation. Danach erfolgt der Füllerauftrag auf den Außenflächen, hier ebenfalls in einer Durchlaufstation zusammengefasst. Nun wird auf die einzelnen Boxen verteilt. In jeder Box wird der komplette Basislack- und Klarlackauftrag, innen wie außen erledigt. Jede Box kann mit einer variablen, an die jeweilige Lackieraufgabe angepassten Taktzeit betrieben werden. Somit sind nur drei Boxen für die vorgegebene Kapazität von 32 Fahrzeugen pro Stunde erforderlich. Eine vierte Box für eine zukünftige Kapazitätserweiterung kann auf einfachste Weise in das Layout integriert werden.

Ist mit dem beschriebenen Konzept wirklich die günstigste Lösung gefunden? Um diese Frage quantitativ beantworten zu können, wird für die gleiche Aufgabenstellung mit denselben Randbedingungen ein Linienkonzept entworfen. Die ersten beiden Stationen, die Reinigung und der Füllerauftrag, sind mit dem Boxenkonzept identisch. Danach folgt eine Reihe von Zonen, die im Taktbetrieb arbeiten. Hier wird der Transporter sukzessive zunächst innen, dann außen jeweils mit Basis- und Klarlack beschichtet. Schnell macht sich eine Einschränkung bemerkbar. Die Anzahl der erforderlichen Stationen richtet sich nach dem größten Fahrzeug. Nach einem Transporter mit 40 Quadratmeter Außenfläche und einem Anteil von 11% an der gesamten Produktion. Das bedeutet: Für die große Masse der kleineren Fahrzeuge ist die Anlage schlicht überdimensioniert. Die Anlagenlänge, bezogen auf das Lacknebel-Abscheidesystem, ist deutlich größer, damit auch der Energieverbrauch. Die Anzahl der Roboter ist höher und damit auch die Farbwechselverluste. Der konkrete Vergleich bestätigt die Annahme: das Boxenkonzept bietet für diesen Fall eine Lösung mit einem reduzierten Investment und geringeren Betriebskosten.

Bleibt noch die Frage nach dem Konzept für die PKW-Lackierung. Box oder Linie? Mit vier Modellvarianten hält sich die Typenvielfalt in Grenzen. Die Lackierumfänge und die Anzahl der Prozess-Schritte sind bei allen Varianten ähnlich. Die Innenlackierung soll manuell erfolgen. Hier empfiehlt sich als günstigste Lösung das Linienkonzept einfachster Bauart: kontinuierlicher Durchlauf und feststehende 6-Achs-Lackierroboter.

Box gegen Linie für die Transporter-Lackierung, ein konkreter Konzeptvergleich:
Die Gesamtanzahl der Roboter beträgt für das Boxenkonzept 42 Geräte. Dem gegenüber stehen 64 Roboter in der Lackierlinie. Die Länge des Auswaschsystems der Boxen ist mit 58m deutlich kürzer als die der Linie, die 91m aufweist. Daraus ergeben sich Einsparungen beim Energieverbrauch von rund 36% und von ca. 31% beim Invest. Hierbei sind die Mehrkosten für die aufwendigere Fördertechnik sowie die Be­lüftung der Transferzonen beim Boxenkonzept berücksichtigt. Nicht unerwähnt sollte die Reduzierung der Farbwechselverluste beim Boxenkonzept bleiben. Diese beträgt knapp 5 Tonnen Lack pro Jahr.

Ein modulares Boxenkonzept bringt auch dann Vorteile, wenn Anlagen für geringe Stück­zahlen konzipiert werden sollen. Hier können Innen- und Außenlackierung zu einer Zone zusammengefasst werden. Bei Decklackprozessen mit wasserlöslichen Basislacken und Klarlacken auf Basis organischer Lösemittel würden zwei hintereinander liegende, mit einem Zwischentrockner getrennte Stationen genügen. Bei ausreichender Taktzeit kann mit gerade nur zwei Lackierrobotern pro Zone der gesamte Decklackauftrag erledigt werden. Auch hier liegen die Vorteile klar auf der Hand: Halbierung der Lackierzonen, Roboterzahlen, Energiekosten und Farbwechselverluste. Voraussetzung dafür ist ein kompakter und leistungsfähiger Zerstäuber, der eine im weiten Bereich variable Sprühstrahlbreite ermöglicht und gleichermaßen für die Innen- wie auch Außenlackierung eingesetzt werden kann. Solche innovativen Lackier­konzepte sind seit kurzem bereits im Einsatz. Zu besichtigen bei namhaften Herstellern von Premium­fahrzeugen - in Deutschland, nicht in China.

Flexible Automation in einer modularen Lackierbox. Zunächst werden alle Innen­flächen wie Türeinstiege, Motor- und Laderaum aus­lackiert. Für den Laderaum wird ein Roboter mit großer Reichweite, ein sogenannter Swingarm-Roboter, benötigt.

Während der Swingarm-Roboter noch im Laderaum appliziert, erfolgt bereits die Außenlackierung des Trans­porters. Bei einem 3-Schicht-Lackaufbau schließt sich der zweite Metallic-Auftrag an, ge­folgt von einer Klarlack-Beschichtung innen und außen. Dies alles in ein und derselben Box. Möglich nur durch eine flexible Applika­tions­technik.

Zurück zur eingangs gestellten Aufgabe: eine hochflexible und effiziente Lackiererei zu konzipieren für ein extrem breites Produkt­spektrum. Die optimale Lösung: zwei unterschiedliche Layouts vereint unter einem Dach. Ein Boxenkonzept für die Nutzfahrzeuge mit der hohen Anzahl unterschiedlicher Varianten und ein Linienkonzept für den Personenwagen mit einer relativ geringen Modellvielfalt. Beide Konzepte ergänzen sich hier in idealer Weise.

 

Quellen:

  • Schumacher, H.: Modular Paint Box Concepts („Modshops“) in Comparison to Conventional Sequential Paint Lines. SURCAR, June/July 2011.
  • Schumacher, H., Svejda, P.: Process Chain “Painted Car Body”. Strategies in Car Body Engineering 2011. Bad Nauheim, March 2011.
  • Svejda, P.: Mehr Leistung bei geringerer Komplexität. JOT 3, 2010.