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Elektronikproduktion | 09 März 2010

Die Umweltauswirkungen von Bestückungsautomaten

So genannte Energie-Etiketten sind zu einem wichtigen Bestandteil im Kampf gegen Umweltverschmutzung und für den Erhalt von Ressourcen geworden. Sie informieren Kunden bereits zu einem kritischen Zeitpunkt – dem Kauf – über die zukünftigen Folgen eben dieser Kaufentscheidung.

Heute gibt es viele verschiedene Energie-Etiketten – z.B. für Häuser, Autos, Lampen, Waschmaschinen, Trockner oder Klimaanlagen. Die EU-Richtlinie für energiebetriebene Produkte (EuP-Richtlinie) arbeitet auch an der Klassifizierung von Industriemaschinen, um Regeln für die künftige Reduzierung des Energieverbrauchs aufzustellen. Diese Regeln werden jedoch – frühestens – in 3 Jahren realisiert werden und in der Zwischenzeit gibt es für Industrieausrüstung keine Energie-Etiketten. Elektronik produzierende Unternehmen, welche sich zu ISO 14000 und anderen Umweltstandards verpflichten, müssen Berichte erstatten und versuchen die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern. Für einen Elektronik-Hersteller sind die Materialien für die Produktion in diesem Aspekt am wichtigsten. Z.B. können Mobiltelefone giftige Substanzen – wie etwa Arsen, Beryllium, Cadmium, Kupfer oder Blei enthalten. Die Kunststoff-Schalen der Mobiltelefone werden zudem mit bromierten Flammschutzmitteln behandelt. Auch der Energieverbrauch der Fertigungslinien ist enorm, da die meisten Maschinen 24 Stunden am Tag laufen können. Lötofen und Bestückungsautomaten sind die größten Energieverbraucher bei der Elektronikherstellung. Das Löten ist ein Hochenergie-Prozess (das Temperaturprofil des Lötbades ist jedoch streng an die Prozessanforderungen gebunden). Der Energieverbrauch wird also weitgehend vom Schmelzpunkt des Lotes, der Wärmekapazität (Länge des Ofens und die damit verbundene Zahl der Temperaturzonen) und der Qualität der Isolierung bestimmt. Bei beiden kann der Maschinenaufbau (das Design) jedoch sehr viel beeinflussen. Die Wärme, welche von den Maschinen an die Umgebung in der Fabrikhalle abgegeben wird, muss normalerweise mit Klimaanlagen entfernt werden. Niedrige Energiekosten können als doppelt sparen. Ein Vergleich der Auswirkungen auf unsere Umwelt erfordert deshalb standardisierte Messmethoden. In Europa umfasst die EuP-Richtlinie auch Öko-Design-Anforderungen (bei elektronischen Haushaltsgeräten) und fordert die Messung der entstehenden Umweltbelastungen. Eine allgemein anerkannte Methode um die Umweltauswirkungen von Produkten zu messen ist der Eco-Indikator 99. Hier wird die Ökobilanz (LCA = Life Cycle Assessment) genutzt um so genannte Öko-Punkte zuzuweisen. Dabei werden die Umweltschäden – über die gesamte Lebensdauer des Gerätes – geschätzt. Für Bestückungsautomaten heißt das u.a.: Transport, Installation, Nutzung und Entsorgung der Maschinen. Die meisten Bestandteile aus Stahl, Aluminium, Kupfer oder Plastik können wieder verwendet werden. Damit bleiben für die Schätzung also nur Transport, Installation und Nutzung wichtig. Da ein Bestückungsautomat eine Lebensdauer von 7 (oder mehr) Jahren hat, ist der Energieverbrauch über diesen Zeitraum der größte Faktor. Dies ist besonders in Ländern wie China wichtig, wo die Energienachfrage schneller als die Kraftwerkskapazitäten wächst. Häufige Energieknappheit (30 – 35 GW pro Jahr!) hat in China zu der Errichtung von weiteren Kohlekraftwerken geführt; Kohle ist der bei weitem größte Umweltverschmutzer und die thermischen Eigenschaften der chinesischen Kohle werden immer schlechter. Damit wird also der Faktor Energieeffizienz bei Maschinen immer wichtiger. Im Rahmen seines Umweltengagements EcoVision IV hat sich Philips dazu verpflichtet, die Energieeffizienz seiner Produkte bis 2012 um 25% zu steigern (Basisniveau: 2007). Diese Initiative betrifft das ganze Unternehmen – so auch Assembleón. Berechnungen nach der Eco-Indicator 99 Methode zeigen, dass der Energieverbrauch bei Bestückungsautomaten der wichtigste und größte Faktor ist. Strom muss für die Motoren & Steuerungen, die Druckluftzufuhr, für Beleuchtung und Klimaanlage (für den Standplatz in der Fabrik) eingerechnet werden. Auch Rework-Stationen müssen einkalkuliert werden. Öko-Bilanz (LCA) und Öko-Punkte Bis zu einem gewissen Grad schaden alle Produkte der Umwelt. Rohstoffe müssen gewonnen, das Produkt hergestellt, verpackt, verkauft und transportiert werden. Während der Lebensdauer – und dem Gebrauch – verbrauchen die Produkte Energie und/ oder Materialien. Letztlich müssen die Geräte dann auch noch entsorgt werden. Die Verringerung dieser Auswirkungen auf unsere Umwelt muss bereits bei der Bewertung und beim Design beginnen; was eine Untersuchung des gesamten Lebenszyklus verlangt. In den 90er Jahren entwickelte eine Gruppe von Wissenschaftlern aus Dänemark, den Niederlanden und der Schweiz die so genannte Eco-Indicator 99 Methode um die Umweltauswirkungen von Produkten zu schätzen. Diese Methode wurde erstmals vom niederländischen Ministerium für Umwelt (VROM) zur Bewertung der Umweltauswirkungen von neuen Produkt-Designs eingesetzt und entwickelte sich später zur ISO 14042. Die Methode ist auch sehr gut geeignet, um die Umweltauswirkungen von Bestückungsmaschinen zu berechnen. Der Eco-Indicator 99 hat drei Stufen. Zunächst wird eine Bestandsaufnahme aller ‚Ströme’ zu und von den Prozessen im Produktzyklus (LCA-Baum) aufgestellt. Danach wird der Schaden berechnet, welchen diese Ströme verursachen – als Öko-Punkte in drei Hauptkategorien. In der dritten und letzten Stufe werden die normalisierten Daten mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert und für jede Kategorie zusammengefasst – die endgültige Zahl von Öko-Punkten. (Ein Durchschnitts-Europäer hat pro Jahr rund 1000 solcher Öko-Punkte). Auswirkungen für Bestückungsautomaten Der vereinfachte LCA-Baum in Abbildung 1 zeigt die wichtigsten Material- und Energieflüsse für einen Bestückungsautomaten während der gesamten Lebensdauer. Bei der Herstellung der Maschinen ist die (energieintensive) Produktion des Stahls der Hauptfaktor. Der Transport der Maschine zu Land oder (und dies ganz besonders) als Luftfracht ist ebenfalls ein nicht unwichtiger Faktor. Abbildung 1: Die Umweltauswirkungen eines Bestückungsautomaten nach Produktion, Nutzung und Entsorgung getrennt. Die wichtigsten Umweltauswirkungen während des Einsatzes der Maschine ist der Energieverbrauch – Energie für Stromversorgung, für Druckluft / Vakuum, etc. Dazu gehört auch der Strom, welcher für das Betreiben der Klimaanlage in der Produktionshalle notwendig ist. Um bei der Berechnung zu helfen, ‚sieht’ Assembleón den Bestückungsautomaten in einer Art virtuellem Feld. (Die Abmessungen werden durch die Länge und Tiefe der Maschine bestimmt; plus 1m für den Maschinenführer auf jeder Seite und 4m als Deckenabstand). Obwohl der Energieverbrauch den größten Umwelteinfluss bildet, muss der Materialabfall (Komponenten-Verpackung) mit berücksichtigt werden. Bei der Entsorgung wird die Maschine in Einzelteile zerlegt – wiederverwertet oder zur Deponierung verwendet. Berechnung der Öko-Punkte Der nächste Schritt in der Berechnung des Schadensmodells für diese Ströme. Hier gibt es drei so genannte Schadenskategorien (Abbildung 2). Abbildung 2: Der Eco-Indicator 99 teilt die Auswirkungen auf unsere Umwelt in drei ‚Schadenskategorien’ auf. In die Kategorie Ressourcen fällt die zusätzliche Energie, welche in der Zukunft notwendig wird um (qualitativ minderwertige) mineralische und fossile Rohstoffe zu fördern. Die Kategorie Ecosystem Quality beinhaltet die Auswirkungen auf die Artenvielfalt (Faktoren wie etwa Ökotoxizität, Versauerung, Eutrophierung, Klimawandel, Zerstörung der Ozonschicht oder auch Landnutzung). In die Kategorie Human Health fallen Faktoren wie die Dauer, Schwere und Häufigkeit von Krebs erzeugenden Einflüssen oder auch Erkrankungen der Atemwege; und die verlorenen Lebensjahre durch frühzeitigen Tod (auf Grund von Umwelt bedingten Ursachen). Wertung der Auswirkungen Die Folgen dieser verschiedenen Kategorien (Human Health, Eco Quality & Ressourcen) müssen nun gewertet werden. Die Beurteilung der tatsächlichen Auswirkungen der einzelnen Faktoren ist unpraktisch (vollständige und schlüssige Zahlen sind einfach nicht vorhanden). Das bedeutet, dass die Wertung im Wesentlichen ein subjektiver Prozess ist. In der Schweiz hat Dr. Hofstetter die Antworten von 65 Befragten untersucht. Seine Dreieck-Methode, welche er 1999 entwickelte, ist eine der beliebtesten Methoden zu Berechung von Umweltauswirkungen. Die Kategorie Human Health wurde von den Befragten als die Wichtigste angesehen (84% aller Befragten). Siehe Abbildung 3. Ecosystem Quality auf Position 2 und Ressourcen auf Position 3. Dies wiederum ergibt nun eine Gewichtung der Umweltauswirkungen jeder einzelnen Maschine; 40% für Human Health – 40% für Ecosystem Quality – 20% für Ressourcen. Abbildung 3: Die Gewichtung der Kategorien basieren auf den Ergebnissen von 65 Fragebogen. Faktoren wie etwa Umweltverschmutzung durch Kraftwerke oder durch Stahl- und Kunsthoff-Hersteller müssen natürlich auch in die Berechnung integriert werden, obwohl Energieverbrauch der wichtigste Faktor bleibt. Das Ergebnis wird besonders von der Tatsache beeinflusst, wie die Energie der Produktionsanlage oder Fabrik ‚zugeführt’ wird. Der Anteil an erneuerbaren Energiequellen – im Vergleich zu fossilen Brennstoffen – wird sehr viel geringer sein, was wiederum die Auswirkungen der Maschine auf die Umwelt beeinflussen wird. Da eine Großzahl der Produktion in China angesiedelt ist, wurden die Zahlen für den ‚ungünstigsten Fall’ eines Kohlekraftwerkes berechnet. Treibhausgasemissionen (CO2, NOX und SO2) und Restemissionen (U, Th und Hg) wurden ebenfalls mit berücksichtigt. Erkrankungen der Atemwege (durch organische Stoffe) in der Luft, gefolgt von Klimawandel, Karzinogene und fossile Brennstoffe sind die wichtigsten Auswirkungen von Energieverbrauch (Abbildung 4). Abbildung 4: Umweltauswirkungen des Bestückungsautomaten AX-501 (bei 100k Bauteilen pro Stunde skaliert); in Öko-Punkten ausgedrückt. Die Auswirkungen werden in überwiegendem Maße auf den Energieverbrauch (blauer Balken) während des Einsatzes der Maschine bestimmt - und nicht auf die Herstellung der Maschine selbst (roter Balken). Was kann ein Hersteller tun? Im Rahmen seiner Verpflichtungen als Unternehmen der Philips Gruppe, hat Assembleón die auf dem Markt erhältlichen Serien verbessert und die Umweltverträglichkeit war ein zentraler Punkt für die A-Serie (als diese 2003 am Markt eingeführt wurde). Zudem ist Energieverbrauch – in Europa oder in anderen Teilen der Welt – ein gutes Maß, um die Qualität und Effizienz einer Maschine zu bestimmen. Hohe Leistung verbessert alle Umweltfaktoren, indem die gesamten Auswirkungen z.B. auf mehrere Leiterplatten aufgeteilt werden. Assembléon hat deshalb bereits zweimal die Leistung der Bestückungsautomaten der A-Serie angehoben – mit einem einfachen Software-Upgrade (die Leistung der AX-501 wurde so z.B. auf 148k Bauteile /Stunde angehoben). Das kann auch bedeuten, dass nur eine Maschine zum Einsatz kommen muss – und nicht zwei oder mehr. Zudem wurden auch die Maschinen neu ‚gestaltet’: um ein weiteres Beispiel zu nennen – das Gewicht einer AX-501 konnte so auf 3200kg (für einen leichten Transport) gesenkt werden. Auch Faktoren wie modularer Aufbau verlängern die Lebensdauer der Ausrüstung (was auch die Entsorgung weiter hinauszögert). Die Vorbereitung Offline bedeutet, dass die Ausrüstung nicht ungenutzt läuft und Energie verbraucht. Dasselbe gilt für High Yields – weniger Komponenten werden nutzlos verbraucht, was wiederum weniger Rework bedeutet. Letzteres wird bei den Ursachen für Abfall häufig übersehen (es ist jedoch ‚reine’ Verschwendung von Energie, Materialien und Ressourcen). Gutes Design minimiert zudem die Materialien, die nach dem Ende der Maschinenlebensdauer entsorgt werden müssen. Die meisten Materialen einer AX-501 (>99% des Maschinengewichts) können wieder verwertet werden. Ein Beispiel: Bewertung einer Leiterplattenbestückung (Telekom) Abbildung 5 zeigt die Umweltauswirkungen der verschiedenen Aufgaben bei der Bestückung einer Platine – für ein typisches Mobiltelefon (1456-Komponenten auf einem Vierfach-Board / 364 Komponenten pro Telefon). Abbildung 5: Die Umweltauswirkungen der verschiedenen Aufgaben bei der Leiterplattenbestückung. Die Einteilung von 0 bis 100% für jeden Einflussfaktor zeigt deutlich, dass die Leiterplatte (PWB) den größten Teil einnimmt (im Durchschnitt 50%). Auch ist der Energieverbrauch für bleifreies Lot wesentlich höher als bei Sn-Pb-Lot (Abbildung 6), vor allem weil der Schmelzpunkt von bleifreiem Lot höher ist (in der Regel:> 215°C versus >183°C für Sn-Pb-Lote). Bleifreie Lote sind jedoch viel weniger toxisch als die Sn-Pb-Typen. Abbildung 6: Die Umweltauswirkungen von Lötverfahren. Nacharbeiten ist eine besonders ‚verschwenderische’ Tätigkeit und die AX-501 reduziert diese Abfallfalle schon ‚bei der Entstehung’ – mit paralleler Platzierung. Parallele Platzierung hat eine DPMO (Defects per Million Opportunities = Defekte pro einer Million Möglichkeiten) von weniger als 10. Andere Maschinen – mit sequenzieller Platzierung – haben eine DPMO von 50. Dieser Unterschied in DPMO ergibt auch einen Unterschied in der FPY (First Pass Yield) von über 20%. Die Vermeidung von Nacharbeit (Rework) reduziert zudem die Menge an verwendeter Lotpaste (von 14,5kg über einen Zeitraum von 7 Jahren auch rund 3,5kg) und die Energiekosten für das Reflow-Löten. Noch wichtiger ist, dass dies auch weniger Rework-Stationen bedeutet (Energienutzung von 2,5 kW) – 3 Stationen pro Fertigungslinie (im Vergleich zu sequenziellen Bestückungsautomaten bei durchschnittlicher Nutzung). Ein ‚Energie-Sticker’ für Bestückungsautomaten Mit der überragenden Bedeutung und die Auswirkungen des Energieverbrauchs auf unsere Umwelt, regt Assembleón ein Energie-Etikett für Bestückungsautomaten an. Die EuP-Richtlinie konzentriert sich – bis dato – auf den Verbrauchermarkt. Industrieprodukte sind jedoch ebenfalls wichtig. Hier üben die F&E-Abteilungen der Unternehmen den stärksten Einfluss auf die künftigen ökologischen Auswirkungen der neu entwickelten Produkte aus. Die Methode, welche von Assembléon genutzt wird, stützt sich auf die Empfehlungen der EuP-Richtlinie. Das betrifft z.B. Öko-Design-Anforderungen für die Gestaltung und Entwicklung von Produkten (welche erhebliche Energiemengen und natürliche Ressourcen verwenden). Assembleón hat 6 Bestückungsautomaten – unter Nutzung des Eco-Indicator 99 – verglichen. Die ISO 14042 erlaubt jedoch keinen Vergleich von verschiedenen Produkten mit dieser Methode allein. Die Berechnungen zeigen jedoch, dass eine Kennzeichnung des Energieverbrauchs von Bestückungsautomaten durchaus wichtig ist. Die Energie-Etiketten selbst sind einfach und die EuP-Richtlinie schlägt Etiketten mit 6 bis 9 Klassen vor. Der "durchschnittliche" Energieverbrauch aller verfügbaren Produkte wird mit 100 bewertet. Wenn der Energieverbrauch eines bestimmten Produktes bei 55% liegt (oder allgemein als unterdurchschnittlich bewertet wird), dann ist dieses Produkt in Klasse A (Abbildung 7). Abbildung 7: Vorschlag für Energie-Label für Bestückungsautomaten (nutzt die bestehenden Energie-Etiketten für Kühl- und Gefrierschränke). Produkte der Klasse A haben einen Energieverbrauch, welcher 55% unter dem durchschnittlichen Energieverbrauch der meisten Produkte auf dem Markt. ----- Quelle: Assembleón
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2019.11.12 07:31 V14.7.10-1