Die tatsächlichen Kosten eines Faserlasers: Kauf, Betrieb und Wartung
Stellen Sie sich vor, Sie investieren in eine hochmoderne Faserlasermaschine, nur um festzustellen, dass der Kaufpreis nur die Spitze des…
Mit Sitz in Salzburg, Österreich, ist MACO ein führender internationaler Hersteller von Fenster- und Türbeschlägen. Das Unternehmen wurde 1947 gegründet und beschäftigt heute rund 2300 Mitarbeiter an drei Standorten in Österreich sowie an weiteren internationalen Standorten.
Die Fenster- und Türbeschläge von MACO werden in hochmodernen Anlagen in Österreich gefertigt und weltweit vermarktet. Ein Großteil der Eigenfertigung umfasst zahlreiche Oberflächenbehandlungsverfahren wie das Eloxieren (elektrolytische Oxidation von Aluminium), die elektrolytische Verzinkung und die chromfreie Pulverbeschichtung. Um die Umweltbelastung zu minimieren, setzt MACO ausschließlich auf moderne Technologien zur Abwasserbehandlung und Prozessführung.
Fenster- und Türbeschläge sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und werden in enormen Stückzahlen produziert. Je nach Einsatzbereich müssen sie unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden und gleichzeitig widrigen Witterungsbedingungen standhalten. Deshalb versehen Hersteller diese Beschläge meist mit einer zusätzlichen Beschichtung, um die gewünschten Produkteigenschaften zu erzielen. Beispielsweise erhalten Stahlkomponenten durch eine dünne Zinkschicht einen erhöhten Korrosionsschutz.
Beim elektrolytischen Verzinken wird eine Zinkschicht mittels elektrischem Strom aufgebracht. Hierfür wird ein Zinkelektrolytbad mit zwei Elektroden verwendet – einer Anode (Pluspol) und den zu verzinkenden Stahlteilen als Kathode (Minuspol), auf die der Strom aufgeschaltet wird.
Im Bad ist gelöstes Zink enthalten, das als Konzentrat über Dosierpumpen zugegeben wird; als leitfähiges Salz kommt meist Natronlauge (Natriumhydroxid/NaOH) zum Einsatz, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Unter dem Einfluss des Stroms wird das im Bad gelöste Zink (Zn2+) an der Kathode reduziert und scheidet sich allmählich auf der Stahloberfläche ab (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1. Elektrolytisches Verzinken in einem alkalischen Zinkbad.
Während des Verzinkungsprozesses nehmen die Zinkionen an der Kathode Elektronen auf und werden als elementares Zink auf dem Bauteil abgeschieden:
Zn2+ + 2e¯ → Zn
In der aktuellen Ausführung besteht die Anode nicht aus Zink, sondern aus einem inerten Material. Während des Verzinkens sinkt die Zinkionenkonzentration im Bad und wird durch Zugabe von Zinkkonzentrat wieder aufgefüllt. Die Qualität der Zinkschicht hängt davon ab, dass der gesamte Herstellungsprozess exakt eingehalten wird. Dabei sind sowohl die vor- als auch nachgelagerten Prozessschritte ebenso wichtig wie das Verzinken selbst, um hochwertige und langlebige Beschichtungen zu erzielen.
Die Stahlteile werden mithilfe von Beizbädern und vorgelagerter Entfettung gereinigt und für den Beschichtungsprozess vorbereitet. Da ein cyanidfreies und umweltfreundliches Zinkbad verwendet wird, muss sichergestellt sein, dass die zu beschichtenden Teile frei von Verunreinigungen wie Zunder und Rost sind. Nach der Beschichtung wird die empfindliche Zinkschicht durch Passivierung zusätzlich geschützt und versiegelt.
Die verschiedenen Bäder umfassen:
Der elektrolytische Verzinkungsprozess beinhaltet somit vier aktive Bäder sowie ergänzende Reinigungs- und Spülbäder (siehe Abbildung 2). Für eine ausgezeichnete Produktqualität ist es entscheidend, dass die Zusammensetzung der einzelnen Bäder im vorgegebenen Bereich bleibt. Bereits geringfügige Abweichungen vom Prozessfenster können die Qualität erheblich mindern und zu einer erhöhten Ausschussrate führen.
Abbildung 2. Schematische Darstellung der einzelnen Prozessstufen bei der elektrolytischen Verzinkung.
Je nach Größe der zu beschichtenden Metallteile kommen unterschiedliche Beschichtungsverfahren zum Einsatz. Für einen guten Stromfluss während des Verzinkens werden kleinere Teile in der Trommel verzinkt, größere Teile durchlaufen die Bäder im Gestell.
Dies wird als Trommel- und Gestellverzinkung bezeichnet. Hierbei muss die Stromdichte im Zinkbad an die jeweiligen Bedingungen angepasst werden. Die elektrolytische Verzinkung ist eines der am häufigsten genutzten Verfahren in der Metallveredelung und zugleich die kostengünstigste Methode, um einen gleichmäßigen Korrosionsschutz zu gewährleisten.
Die Herstellung von Fenster- und Türbeschlägen mit anschließender elektrolytischer Verzinkung ist ein zeitaufwändiger Prozess.
Um eine verlässliche Produktqualität zu erreichen, muss jeder Prozessschritt genau überwacht und innerhalb der festgelegten Grenzwerte ausgeführt werden. Früher wurden die Badanalysen von den für den Prozess verantwortlichen Mitarbeitern zusätzlich zu ihren sonstigen Aufgaben durchgeführt. Dabei ging wertvolle Zeit verloren, da die Analysen nicht nur komplex, sondern auch weitgehend manuell erfolgten.
Um diesem Umstand zu begegnen, wurde die Badanalyse schließlich automatisiert. Eine ideale Lösung muss jedoch die Anforderungen des Prozesses erfüllen und ermöglichen, zahlreiche Badparameter direkt und zügig im Prozess zu messen – und das, ohne zusätzlichen Zeitaufwand. Ziel ist eine möglichst einfache Bedienung.
Metrohm hat ein neues ProcessLab-Analysesystem entwickelt, das die Anforderungen von MACO optimal erfüllt. Das System ist modular aufgebaut und wurde in diesem Fall speziell für den Verzinkungsprozess maßgeschneidert. Es ist dadurch exakt auf die Kundenbedürfnisse zugeschnitten und ermöglicht schnelle und einfache Messungen direkt an der Prozesslinie. Das für MACOs Badanalysen konzipierte ProcessLab umfasst zwei Analyse-Module sowie einen TFT-Monitor zur Steuerung des Gesamtsystems (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3. Das ProcessLab zeichnet sich dadurch aus, dass Analysen direkt an der Prozesslinie (Atline-Analyse) durchgeführt werden können. Bei MACO befindet sich das Analysesystem direkt an den Verzinkungsbädern.
Der Anwender muss lediglich die Badprobe auf das System aufgeben und die Analyse starten – alle weiteren Schritte erfolgen vollautomatisch durch das ProcessLab. Das System bestimmt die benötigte Probenmenge, überführt sie ins Messgefäß und fügt Hilfsstoffe und Reagenzien hinzu. Anschließend wird die Analytkonzentration entweder photometrisch im rechten Analysemodul oder durch Titration im linken Analysemodul bestimmt.
Für die photometrische Messung ist ein vollständig integrierter Photometer im Einsatz. Auswertungen und Berechnungen erfolgen automatisch mittels der integrierten tiamo™ for ProcessLab-Software. Mithilfe dieser Steuerungs- und Messsoftware werden sämtliche Analyseergebnisse zentral in einer Datenbank gespeichert und stehen später zur Verfügung.
Statusmeldungen können mithilfe des im ProcessLab integrierten Ein-/Ausgang-Controllers einfach weitergeleitet werden. Beispielsweise lassen sich Systemfehler oder Grenzwertüberschreitungen melden. Die ermittelten Badkonzentrationen können zudem als Analogsignal von 4…20mA an die Leitwarte übertragen werden.
Anhand dieser quantifizierten Werte werden alle weiteren Prozessschritte initiiert und automatisch gesteuert. Bei MACO wird ProcessLab als Atline-System zur Überwachung des Gesamtprozesses eingesetzt. Alle für die aktiven Bäder relevanten Parameter werden mit nur einem System schnell und direkt überprüft; bei Bedarf können weitere Prozesschemikalien dosiert werden.
Da am Standort Trieben sieben parallele Prozesslinien betrieben werden, wurde aufgrund der hohen Analysefrequenz zusätzlich der Online-Analysator ADI 2040 von Applikon installiert. Applikon ist Teil der Metrohm AG und fertigt seit über 25 Jahren Prozessanalysatoren. Der ADI 2040 überwacht und regelt automatisch den NaOH- und Zinkgehalt in den Zinkbädern, während das ProcessLab-System den Gesamtprozess in allen aktiven Bädern überwacht.
Am Standort Salzburg, wo weniger parallele Linien betrieben werden, wird ausschließlich das ProcessLab-System zur Prozessüberwachung eingesetzt. Dieser Fall zeigt, wie sich Atline- und Online-Analysatoren ideal ergänzen – insbesondere, wenn die Lösungen aus einer Hand stammen.
Ein automatisiertes Analysesystem kann sämtliche relevanten Parameter des elektrolytischen Verzinkungsprozesses messen und überwacht alle aktiven Bäder.
Die Bestimmung der Säurekonzentration erfolgt durch eine Basentitration mit einer pH-Elektrode (Profitrode) und Natronlauge. Aus der verbrauchten NaOH-Menge wird die Säurekonzentration berechnet.
Im Beizbad wird die Säurekonzentration durch Titration mit pH-Elektrode und NaOH ermittelt. Das ProcessLab-System bestimmt die Säurekonzentration automatisch anhand der verbrauchten NaOH-Menge.
Zur Bestimmung der Zinkkonzentration wird eine komplexometrische Titration durchgeführt. Nach Zugabe einer Cu-EDTA-Pufferlösung zu einer Badaliquote werden die freigesetzten Cu2+-Ionen mit einer kupferselektiven Elektrode (Cu-ISE) und einer EDTA-Lösung titriert. Die aufgenommene EDTA-Menge erlaubt Rückschluss auf die Zinkkonzentration im Bad. Abbildung 4 zeigt eine typische Titrationskurve für die titrimetrische Zn2+-Bestimmung als Beispiel für die zahlreichen Titrationen.
Abbildung 4. Typische Titrationskurve für die komplexometrische Zn2+-Bestimmung.
Die NaOH-Konzentration im alkalischen Zinkbad wird mittels Titration mit HCl und pH-Elektrode bestimmt. Aus der verbrauchten HCl-Menge lässt sich die NaOH-Konzentration im Zinkbad ermitteln.
Für das Passivierungsbad kann ein Badkonzentrat gelöst werden. Aufgrund der enthaltenen Additive weist das Bad eine charakteristische Eigenfarbe auf, die für die photometrische Überwachung des Passivierungsbades genutzt wird.
Zusätzlich zur Überwachung der prozessrelevanten Parameter müssen auch Schwermetalle im Abwasser kontrolliert werden, um strenge gesetzliche Vorgaben einzuhalten. Dank des modularen Aufbaus des ProcessLab-Systems kann auch das photometrische Analysemodul hierfür eingesetzt werden. Je nach Anforderung lassen sich so Metalle wie Eisen, Chrom, Kupfer oder Zink bestimmen. Die photometrische Messung erfolgt automatisch – Chrom mit 1,5-Diphenylcarbazid, Kupfer mit 2,2′-Biquinolin, Zink mit Zincon und Eisen mit 5-Sulfosalicylsäure.
Das von Metrohm entwickelte ProcessLab-System erfüllt sämtliche Prozessanforderungen von MACO, vereinfacht die routinemäßigen Atline-Analysen und liefert reproduzierbare, verlässliche Messwerte aller relevanten Badparameter im Verzinkungsprozess. Neben der Überwachung der Bäder können auch Schwermetallkonzentrationen im Abwasser gemessen werden. Bei der Systemauswahl ist entscheidend, ein automatisiertes System zu wählen, das die Mitarbeiter entlastet und ihnen mehr Zeit zur Überwachung des eigentlichen Prozesses verschafft. MACO entschied sich auch aufgrund des modularen Aufbaus und der zukünftigen Erweiterbarkeit für das ProcessLab-System.
