Magnetventile werden unter einer Stickstoff-Schutzgasatmosphäre per Laser verschweißt

Magnetventile werden in einer Kammer unter Stickstoff-Schutzgasatmosphäre per Laser verschweißt. (Bild: Atlas Copco)

| von Dörte Neitzel

Der Automobilzulieferer Kendrion entwickelt und produziert individuelle elektromagnetische Aktuatoren und mechatronische Systeme. Ein Großteil findet Anwendung in Verbrennungsmotoren, etwa als Steuerventile für die Kraftstoffeinspritzung sowie das Motor- und Thermomanagement.

"Die Anforderungen unserer Kunden sind sehr speziell", sagt Produktionsleiter Alexander Merz. "Deshalb stellen wir vergleichsweise wenige standardisierte Produkte her. Trotzdem ist die Fertigung weitgehend automatisiert. Schon längst werden die Magnete nicht mehr selbst gewickelt: Der Kupferdraht kommt von Endlostrommeln und läuft in rasanter Geschwindigkeit um die Spulen.

Am Kupferpreis kann Produktionsleiter Alexander Merz nicht drehen, aber wo er noch Potenzial für Kostensenkungen sieht, setzt er an: zum Beispiel bei einigen Hilfsstoffen, wie Stickstoff, Helium oder Argon, die für verschiedene Prozesse in Entwicklung und Produktion benötigt werden.

Eigenproduktion aus Kostengründen

Die Laserschweißanlagen im Reinraum arbeiten mit Stickstoff als Schutzgasatmosphäre, um die Qualität der Schweißung sicherzustellen. "Das Ventil fährt automatisch in die Schweißkammer ein und dreht sich unter einem Laser, der das Bauteil verschweißt", erklärt Merz. "Die Kammer fluten wir mit Stickstoff, um das Ventil vor Versprödungen und Blasen zu schützen." Blasen führen zu Leckagen an den Schweißnähten.

Die Druckregelventile müssen immerhin Drücke bis 2.700 bar regulieren: "Der Kraftstoff darf unter keinen Umständen austreten und auf den heißen Motor gelangen!" Deshalb würden die Ventile anschließend auch noch einer Leckagemessung unterzogen, um die Dichtigkeit nachweisen zu können. Dafür wiederum setzt Kendrion ein Gemisch aus 10 Prozet Helium und 90 Prozent Stickstoff ein. "Früher wurde nur mit reinem Helium geprüft", sagt Merz. "Das Gas ist aber extrem teuer. Um die Kosten zu senken, haben wir deshalb das Helium mit Stickstoff ergänzt." Zwar sei dadurch der Stickstoffverbrauch deutlich gestiegen - aber Stickstoff sei kostengünstiger als Helium.

"Wir haben uns dann die Bedarfsmengen angesehen", schildert der Produktionsleiter die weitere Vorgehensweise. "Bis dahin bezogen wir beide Gase in Flaschenbündeln von einem Lieferanten. Das waren schon erhebliche Mengen!" Zum einen kostenintensiv, zum zweiten waren die zahllosen Lkw-Transporte nicht gerade umweltfreundlich. Und drittens hätten die Bündel ein gewisses Gefahrenpotenzial dargestellt, da jede Flasche mit 300 bar unter Druck stand. "Da lag es dann nahe, den Stickstoff selbst zu erzeugen."

Gas-Flaschenbündel bei Kendrion
Früher benötigte Kendrion ein ganzes Arsenal an Gas-Flaschenbündeln für die Produktion. Jetzt wird der Stickstoff selbst erzeugt. (Bild: Atlas Copco)

Stickstoffstation amortisiert sich in gut zwei Jahren

Die Stickstoffstation bezog der Automobilhersteller von Atlas Copco. Die Basiselemente einer autarken Stickstofferzeugung sind ein Kompressor, der die Umgebungsluft verdichtet, und ein Stickstoffgenerator, der aus der erzeugten Druckluft den Sauerstoff abscheidet und den Stickstoff auf die gewünschte Reinheit anreichert. Bei Kendrion in Villingen-Schwenningen stehen nun ein kleiner öleingespritzter Schraubenkompressor sowie ein Stickstofferzeuger.

Der Generator arbeitet mit einem Kohlenstoffmolekularsieb und dem Prinzip der Druckwechseladsorption, wodurch Sauerstoff und Stickstoff aus der Druckluft voneinander getrennt werden. Die Maschine weise einen sehr niedrigen Druckluftfaktor von etwa 5,5 auf. Das bedeute, für ein bestimmtes Stickstoffvolumen werde nur das 5,5-fache an Druckluft benötigt. Auf dem Markt seien dagegen Werte bis zum 10- oder 12-fachen durchaus gängig. Je weniger Druckluft aber für die geforderte Stickstoffmenge benötigt wird und je effizienter ein Kompressor die benötigte Druckluft erzeugt, umso geringer fallen die Betriebskosten aus. Das System soll sich binnen zwei Jahren und drei Monaten amortisiert haben.

Stickstoffreinheit von 5.0

Der GA-Kompressor liefert Druckluft mit 9,7 bar, die in einem 500-Liter-Behälter zwischengespeichert wird. Der Kessel versorgt den Stickstofferzeuger, der den Stickstoff zunächst aus der Luft abscheidet und dann in einem Kreislauf über einen Reinhaltetank auf die geforderte Reinheit von 99,9992 Prozent anreichert. Die Stickstoffqualität liegt damit bei 5.0. Bei der Auslegung der Anlage sah Kendrion einen großen Puffer für einen geplanten weiteren Reinraum vor, sodass zunächst nur etwa die Hälfte der möglichen Erzeugungsleistung genutzt wurde.

Der größte Teil des produzierten Stickstoffs geht in die Produktion - mit Laserschweißkammer (80 Prozent) und Helium-Leckagemessungen (20 Prozent). Ferner benötigt die Entwicklungsabteilung für ihre Prüfstände etwas Stickstoff, und die IT schützt mit dem Inertgas die Serverräume vor Bränden. Der Druck am Auslass des Stickstoffgenerators beträgt etwa 9,4 bis 9,5 bar. "Wir arbeiten mit einem vergleichsweise hohen Druck, weil unser Mischer, in dem wir Helium und Stickstoff mischen, einen Druckabfall von etwa 3 bar benötigt", führt Alexander Merz aus.

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Lieferungen per Lkw entfallen

Die neue Stickstoffstation hat den Einkauf um 79 Bündel à 12 Flaschen pro Jahr entlastet. "Wir sind damit unabhängig von unserem Gaslieferanten, haben das Gefahrenrisiko reduziert und den CO2-Footprint verbessert, weil die Lkw-Fahrten mit den Stickstoff-Flaschenbündeln nun entfallen", resümiert Alexander Merz. Darüber hinaus sei auch der Heliumverbrauch durch die neue Vorgehensweise gesunken, und zwar von 12 Flaschen auf nun nur noch eine Flasche pro Monat. Natürlich könne man, wenn nötig, auch weiterhin Stickstoff-Flaschenbündel an die Gasstation anschließen, sagt Merz: "Damit sind wir für Notfälle gerüstet oder können Wartungsarbeiten am Kompressor oder am Generator auch bei laufendem Betrieb vornehmen." Seit die Station im April 2018 ans Netz ging, habe es aber keine ungeplanten Stillstände gegeben.

Für die Zukunft plant Alexander Merz noch den Einbau eines 1000-Liter-Stickstoffbehälters. "Derzeit werden die Verbraucher mittels Zentralleitung direkt versorgt", sagt er. "Aus Sicherheitsgründen wäre mir mit dem Puffer aber noch etwas wohler!"

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