Innovative Farben- und Lackherstellung: Wettbewerbsvorteil Flexibilität

Abbildung 1: Der Füllstandsbereich, in dem ein Leitstrahlmischer (links) mit voller Leistung betrieben werden kann (s. grün markierte Abschnitte), ist deutlich größer als bei einem traditionellen Rührwerk oder einem Dissolver. Bild: ystral

Flexibilität in der Produktion ist nicht nur in Bezug auf Chargengrößen und Rezepturvarianten gefordert, sondern auch in Bezug auf die Prozesse selbst. Es kommt häufig vor, dass die Produktpalette erweitert wird oder neue Rohstoffe und Additive zum Einsatz kommen, die mit der bisherigen Technologie nicht mehr verarbeitet werden können. Oft geht die Initiative zu neuen Rohstoffen auch von der Einkaufsabteilung aus, der es gelingt, einen kostengünstigeren Rohstoff zu beschaffen, der allerdings schwieriger zu verarbeiten ist, weil er zum Beispiel agglomeriert vorliegt und nun viel stärker zerkleinert werden muss. Hinzu kommen immer neue Regelungen und Sicherheitsvorschriften – dieses Pulver darf nicht mehr offen zugegeben werden, jenes Additiv hat unerwünschte Nebenwirkungen, Biozide dürfen nur noch in kleinsten Mengen eingesetzt werden. Letztlich ändern sich die Kundenwünsche. Die Qualitätsanforderungen steigen stetig.

Herkömmliche verfahrenstechnische Anlagen lassen sich oft nur mit hohem Aufwand an die sich ändernden Anforderungen anpassen. Dies gilt beispielsweise für den Trend von lösemittelbasierten hin zu wasserbasierten Produkten. Aufgrund der hohen Oberflächenspannung des Wassers ist der Eintrag von Pulverstoffen und polaren Flüssigkeiten in wasserbasierte Medien schwieriger als dies beim Eintrag in lösemittelbasierte Produkte der Fall ist. Deshalb sind neue Verfahren erforderlich.

Auch hinsichtlich der in einem Prozessbehälter realisierbaren Chargengrößen erlauben traditionelle Technologien wie Rührwerke und Dissolver nur eine geringe Flexibilität. Die stark eingeschränkte Nutzbarkeit eines konventionellen Rührwerks oder Dissolvers zeigt Abbildung 1. In den rot markierten Füllstandsbereichen sind die Maschinen nicht einsetzbar, weil der Füllstand zu niedrig ist. Beim Propellerrührer (Mitte) sind dies sogar drei Bereiche. Die beiden oberen Abschaltbereiche ergeben sich aus dem unzulässigen Durchtrittsbetrieb. Läuft das Rührwerk bei Durchtritt des Propellers durch die Flüssigkeitsoberfläche, dann spritzen die Propeller, schlagen Luft ein, schwingen sich auf und können Lagerung und Dichtung zerstören. Bei sinkendem oder steigendem Füllstand, wie man ihn in Prozessen immer antrifft, muss der Rührer also früh genug abgeschaltet werden. Die gelb markierten Bereiche lassen nur einen reduzierten Leistungseintrag zu, weil der Füllstand über dem jeweiligen Werkzeug zu gering ist. 

Dissolverscheiben kann man zwar in gewissen Grenzen anheben und absenken, dann bewegt man sich allerdings auch aus dem Bereich des optimalen Leistungseintrages heraus.

Traditionelle Rührwerke und Dissolver sind für variable Füllstände nur begrenzt einsetzbar. Für unterschiedliche Chargengrößen benötigt man unterschiedlich große Systeme.

Abbildung 3: Anlagenkonzept zur Herstellung von Saatgutbeschichtungen. Bild: ystral

Flexible Produktion von Saatgutbeschichtungen und Tablettencoatings

Die Forderung nach variablen Batchgrößen ist in der Herstellung von Saatgutbeschichtungen oder Tablettencoatings höher als in vielen Bereichen der Lack- und Farbindustrie. Diese Produkte sind nicht für eine Lagerung optimiert. Weil diese Beschichtungen direkt verarbeitet werden und zudem häufig sehr unterschiedliche Saatgüter oder Tabletten beschichtet werden, ist bei ihrer Herstellung ein hohes Maß an Flexibilität nötig. Eine einzige Anlage muss ein extremes Batchgrößenspektrum abdecken. 

Abbildung 4: Prozessanlage von ystral zur Herstellung von Tablettencoatings. Bild: ystral

Ein Misch- und Dispergiertechnikanbieter hat für einen Anwender beispielsweise eine Prozessanlage konzipiert, mit der in einem Prozessbehälter beliebige Chargengrößen zwischen 30 und 900 Litern produziert werden können – also in einem Größenverhältnis von 1:30 (s. Abbildung 3). 

Hierfür wird unterhalb des Prozessbehälters eine Pulverbenetzungs- und Dispergiermaschine positioniert, die im Kreislauf mit dem Behälter verbunden ist. Bei Kleinstchargen von 30 bis 90 Litern reicht die Umwälzung des Inline-Dispergierers für eine homogene Durchmischung des Behälterinhalts aus. Bei größeren Chargen erfolgt die homogene Durchmischung über den Leitstrahlmischer. Durch ein staubfreies Einsaugen der Pulverstoffe direkt in die Flüssigkeit und eine Verarbeitung im geschlossenen System werden bei einem solchen Kreislaufprozess Explosionsrisiken und Gesundheitsgefahren für den Bediener ausgeschlossen.

Abbildung 4 zeigt eine Prozessanlage zur Herstellung von Tablettencoatings mit moderner Misch- und Dispergiertechnologie. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Tablettencoatings ist dieses System deutlich flexibler und kann zur Herstellung aller lösemittelbasierten und wässrigen Coating-Suspensionen eingesetzt werden. Das Pulver kann entweder über eine Sauglanze oder direkt ab Gebinde eingezogen werden. Die kolloidale Benetzung und Dispergierung findet unter Vakuum statt. Die Rohstoffe werden vollständig desagglomeriert. Die Prozessanlage kann auch problemlos schwierige Pulver verarbeiten. die sich zum Beispiel schwer benetzen lassen, spontan quellen, stark schäumen oder kleben. Die Lagerstabilität erhöht sich um bis zu 90 % und Anwender können den Coating-Prozess auch ohne Rührwerk im Vorlagebehälter realisieren. Außerdem wird durch die neue Prozessanlage die Produktionszeit um bis zu 80 % verkürzt und der Energieverbrauch um etwa 60 % im Vergleich zum bisherigen Verfahren reduziert.

Abbildung 5: Prozessanlage mit einem extern betriebenen Dispergierer und zwei Prozessbehältern mit jeweils zwei verbauten Leitstrahlmischern. Bild: ystral

Flexibilität durch Modularisierung

Werden Anlagen von vorneherein modular aufgebaut und damit nicht von Grund auf neu konzipiert, sondern vielmehr nach dem Baukastenprinzip aus einzelnen Modulen zusammengesetzt, ist eine spätere Prozessanpassung oder auch Kapazitätserweiterung auf einfache Weise möglich. Physische Module wie Big-Bag-Entleerstationen und Dosiereinheiten, aber auch Steuerungsmodule können dadurch flexibel miteinander kombiniert und den Anforderungen entsprechend angepasst oder erweitert werden. Bei Bedarf können Hersteller dann beispielsweise ihre Anlage um ein zweites Modul für das Big-Bag-Handling ergänzen oder vom Pulverhandling mit Säcken hin zu Silos wechseln. In Verbindung mit innovativer Misch- und Dispergiertechnologie ergeben sich dabei vielfältige Prozessoptionen: Eine außerhalb des Behälters betriebene Pulverbenetzungs- und Dispergiermaschine kann inline oder im Kreislauf an einem Prozessbehälter betrieben werden und mit mehreren Prozessbehältern oder Lagertanks verrohrt werden. Bei geringen Raumhöhen können Fertigungsprozesse mit zwei Pulverbehältern und einem Flüssigkeitsbehälter umgesetzt werden. 

Bei Doppeltankanlagen wird ein Inline-Dispergierer zwischen zwei Behältern installiert, der sowohl mit dem rechten als auch linken Behälter arbeiten kann. Die Flüssigdosierung, die Pulverzuführsysteme und die Steuerung sind nur einmal erforderlich. Je nach Anwendung können dabei auch zwei Mischer in einem Behälter installiert werden (s. Abbildung 5), etwa bei der Herstellung hochkonzentrierter Dispersionen für Industrielacke. 

Abbildung 6: Flexible Doppeltank-Prozessanlage für Batchgrößen von 100 bis 3.000 Liter. Bild: ystral

Flexible Produktion von Holzlacken

In einem Werk zur Produktion von Holzlacken waren bisher 20 Dissolver in verschiedenen Größen im Einsatz, um 400 unterschiedliche Rezepturen in variablen Batchgrößen zu fertigen. Die gesamte Produktion lässt sich auf zwei Doppeltankanlagen mit jeweils einem Inline-Dispergierer realisieren. Die Prozessbehälter einer solchen Doppeltankanlage können dabei – wie in diesem Fall – ganz unterschiedliche Größen haben. Auf diese Weise ist mit nur einem Inline-Dispergierer ein breites Batchgrößenspektrum möglich, während gleichzeitig der Zeitaufwand für die Reinigung minimiert wird – denn kleine Behälter lassen sich deutlich schneller reinigen als große Behälter. Der Holzbeschichtungshersteller kann auf einer Doppeltankanlage Chargengrößen zwischen 100 und 3.000 Liter produzieren. Die beiden Anlagen decken die komplette Bandbreite an Rezepturen und Chargengrößen ab, transparent und farbig. Keiner der bisher eingesetzten 20 Dissolver wird mehr benötigt.

Abbildung 7: Prozessanlage mit Inline-Dispergierer und drei Prozessbehältern mit darin verbauten Leitstrahlmischern. Bild: ystral

Sind die Unterschiede der Batchgrößen noch größer oder werden Prozesse mit einem sehr großen Volumenzuwachs realisiert, kann es sinnvoll sein, statt zwei sogar drei unterschiedlich große Prozessbehälter einzusetzen (s. Abbildung 7). Anwender ergänzen Produktionsanlagen außerdem noch aus einem ganz anderen Grund um einen weiteren, sehr kleinen Prozessbehälter: Um kleine Chargen für die Produktentwicklung, zum Test neuer Inhaltsstoffe und Rezepturen, für Bewitterungs- oder Applikationstests oder für die Bemusterung beim Kunden zu fertigen. Dieses Vorgehen hat zwei entscheidende Vorteile: Beim Einsatz moderner Inline-Dispergiertechnologie spielt die Chargengröße für die Maschine keine Rolle, die Pulvereintrags- und Dispergiermaschine wird außerhalb des Prozessbehälters installiert und produziert kleinste und größte Chargen mit exakt gleicher Effektivität. Darüber hinaus sind alle Voraussetzungen für eine sichere Pulver- und Flüssigkeitshandhabung, Steuerung und Prozessüberwachung in der Produktionsanlage bereits vorhanden. 

Stellt man solche Kleinchargen alternativ in einem Labor her, so ist dies nur mit Kompromissen möglich. Laborgeräte verwenden oft viel kleinere und auch anders konstruierte Werkzeuge, benötigen mehr Leistung und Energie bezogen auf das Produktvolumen und nutzen oft sogar eine veraltete und weniger effiziente Batch-Technologie anstelle des Inline-Dispergierverfahrens. Und natürlich bedeutet die Möglichkeit, die vorhandene Prozessanlage für kleine Versuchsmengen nutzen zu können eine entscheidende Zeit- und Kostenersparnis.

Tabelle 1: Prozesszeiten und Outputmengen einer Twin-Tank-Anlage mit Inline-Dispergierer bei der Fertigung von Wandfarbe mit unterschiedlichen Batchgrößen. (Quelle: ystral, s. hierzu auch separates Word-Dokument)

Höhere Flexibilität durch kleinere Chargen

Die bei einem traditionellen Dissolverprozess unvermeidbaren Qualitätsschwankungen führten in den vergangenen Jahren dazu, dass in der Lack- und Farbindustrie die Batches tendenziell immer größer wurden. Jeder einzelne Batch musste aufwändig geprüft, korrigiert, wieder geprüft und letztlich freigegeben werden. All diese Kontrollen waren zeitaufwendig und unterbrachen den Produktionsprozess. Dies führte zu der Tendenz, immer größere Chargen zu produzieren, damit die zur Prüfung und Korrektur aufgewandte Zeit im Verhältnis zur produzierten Menge weniger stark ins Gewicht fiel. Mit diesen größeren Chargen im Dissolverprozess ging ein enormer Verlust an Flexibilität einher, da ein effektives Mischen kleinerer Mengen in einem großen Prozessbehälter mit einem Dissolver schlicht nicht möglich ist.

Beim Einsatz von Inline-Dispergiertechnologien gibt es keine Qualitätsschwankungen mehr, ein Nachjustieren von Viskosität, Farbstärke oder Deckvermögen ist nicht erforderlich. Das ermöglicht eine wesentlich schnellere, effektivere und vor allem flexible Fertigung in kleinen Chargen. Tabelle 1 zeigt einen Prozesszeitvergleich für Chargen von 2, 6 und 20 m³ für Wandfarben nach dem Twin-Tank-Konzept. Eine kleine Anlage mit Inline-Dispergiertechnologie kann die identische Outputmenge wie eine große Anlage produzieren. Allerdings ist eine kleine Anlage mit geringeren Investitionskosten verbunden und ermöglicht zudem die Fertigung kleinster Chargen sowie schnelle Produktwechsel.

Abbildung 8: Multipurpose-Systeme mit Wechselschäften (links) und mit austauschbaren Werkzeugköpfen (rechts). Bild: ystral

Multipurpose-Systeme im Prozessbehälter

Zusätzliche Flexibilität ermöglicht eine Modularisierung der Fertigungstechnik auf der Maschinenebene, etwa in Form von Multipurpose-Mischwerkzeugen im Prozessbehälter (s. Abbildung 8). Bei Multipurpose-Systemen ist der Kopf der Maschine austauschbar, wodurch unterschiedliche Prozesse und Produktmengen mit dem jeweils am besten dafür geeigneten Werkzeug realisiert werden können. Multipurpose-Systeme werden für verschiedene Aufgaben wie das Leitstrahlmischen, Mischdispergieren und Dispergieren sowie das Einsaugen und Benetzen von Pulvern eingesetzt. Auf diese Weise ist man auch für zukünftige Änderungen der Prozessbedingungen bestens gerüstet. Derartig flexible Aggregate, die bislang nur im Laborbereich bekannt waren, können in Prozessgrößen von 5 bis 50.000 Litern eingesetzt werden. Bei kleinen Maschinen (bis zu einer Größenordnung von etwa 7,5 kW) kann dabei nicht nur der Mischkopf, sondern der komplette Schaft mittels Schnellkupplung von einem Mitarbeiter gewechselt werden. 

Abbildung 9: Rotor und Stator zum Umrüsten der Conti-TDS in eine Sechskranz-Dispergiermaschine mit Schergeschwindigkeiten bis zu 50 m/s. Bild: ystral

Flexibel einsetzbare Inline-Maschinen

Mit einfach austauschbaren Umrüstsätzen können Anwender bei Inline-Maschinen eine universelle Basismaschine an veränderte Anforderungen, unterschiedliche Rohstoffe und variable Aufgabenstellungen anpassen. Diese bestehen aus wenigen Teilen, lassen sich einfach wechseln und beinhalten neben den Dispergierwerkzeugen mit unterschiedlichen Geometrien auch die auf die Aufgabenstellung zugeschnittenen Pulver- und Flüssigkeitsanschlüsse, Sensoren und Zubehörkomponenten. Auf dieser Weise ist eine Inline-Maschine nicht auf ein bestimmtes einzelnes Verfahren beschränkt, für welches sie ursprünglich angeschafft wurde, sondern kann durch Austausch des Werkzeugkopfes einfach an neue Anforderungen angepasst werden – etwa an die Verarbeitung von extrem klebrigen oder verdickenden Pulvern, an die Verarbeitung von Medien, die scherempfindlich sind und deshalb nur schonend gemischt und gar nicht dispergiert werden dürfen, bis hin zur Verarbeitung von Produkten, die eine besonders intensive Dispergierung erfordern. Die Maschine kann von einer Pulvereintragsmaschine zu einer Inline-Dispergiermaschine mit bis zu sechs verschiedenen ineinander liegenden Werkzeugkränzen umgerüstet werden (s. Abbildung 9). Für den Anwender bedeutet eine solche Modularisierung der Fertigungstechnik bis auf die Maschinenebene Investitionssicherheit, da bei einem veränderten oder komplett neuen Prozess nicht die ganze Maschine, sondern lediglich einzelne Werkzeuge ausgetauscht werden müssen.

Für international agierende Unternehmen ist Variabilität in genau umgekehrter Richtung erforderlich. Um weltweit die gleiche Produktqualität zu gewährleisten, werden überall die gleichen Werkzeuge und Verfahren eingesetzt. Unterschiedliche Standards gibt es jedoch bei der elektrischen Ausrüstung, insbesondere bei den Motoren und den nicht einheitlichen Standards für den Explosionsschutz. Die identischen Werkzeuge werden deshalb mit länderspezifischen Basismaschinen kombiniert. Auch dies lässt sich bei einem modularen, flexiblen Maschinendesign realisieren.

Flexibilität ist für die Hersteller heute häufig überlebenswichtig

Es gibt Anwendungen, bei denen Produktwechsel fast nie vorkommen. Dies ist bei der Herstellung von Massenprodukten wie Druckfarben, Korrosionsschutzgrundierungen oder Papierbeschichtungen der Fall. Flexibilität spielt aufgrund der sehr geringen Anzahl an Produktvarianten nahezu keine Rolle, allerdings ist das modulare Konzept auch hier von Vorteil. Bei den meisten Lacken, Farben und anderen Beschichtungen ist eine flexible, einfach skalierbare Produktion für die Hersteller heute jedoch überlebenswichtig, insbesondere dort, wo neue Produkte entwickelt bzw. Produkte individuell auftragsbezogen mit einer großen Bandbreite an Rezepturen und Batchgrößen hergestellt werden. Die Lösung hierfür ist eine flexible modularisierte Fertigungstechnik und eine innovative Technologie, die anpassungsfähig und sicher ist – nicht nur heute, sondern auch in Zukunft.

Ergebnisse auf einen Blick

• Anwender müssen auf neue Anforderungen und Änderungen am Markt reagieren. Das betrifft sowohl die Chargengrößen, die Rezepturvarianten als auch die Prozesse selbst. 
• Traditionelle verfahrenstechnische Methoden, Maschinen und Anlagenkonzepte lassen nur eine geringe Flexibilität zu. Eine Anpassung an veränderte Anforderungen ist häufig nur mit hohem Aufwand oder mit Anlagen unterschiedlicher Größe möglich.
• Anwender können durch eine Modularisierung der Fertigungstechnik auf Anlagen- und Maschinenebene Prozesse flexibel und zukunftssicher gestalten.
• Innovative Misch- und Dispergiertechnologien ermöglichen es Herstellern, mit einem Prozessbehälter ein großes Batchgrößenspektrum abzudecken, schnelle Produktwechsel durchzuführen und flexibel auf veränderte regulatorische Vorgaben zu reagieren.
   

Dieser Text ist in einer redigierten Fassung erschienen in: FARBE UND LACK, 11.2024.

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