Reinigung / Anlagen

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Für eine wirtschaftliche, reproduzierbare und umweltgerechte Teilereinigung ist eine auf die Anforderungen abgestimmte, moderne Reinigungslösung unverzichtbar. Wesentliche Kriterien bei der Auswahl sind:

Bauteilgeometrie, Werkstoff, Art und Grad der Verschmutzung, Bearbeitungszustand und der geforderte Reinheitsgrad.

Sauber, hygienisch oder steril? Bauteile und Produkte müssen am Ende des Herstellungsprozesses »sauber« sein, um nachfolgende Bearbeitungsschritte oder deren Einsatz nicht zu beeinträchtigen. Häufig reicht die Entfernung von Partikeln oder Bearbeitungsölen aus. Speziell im Bereich der Medizintechnik oder der lebensmittelverarbeitenden Industrie muss der Begriff »sauber« aber weiter spezifiziert werden. Die Produktoberflächen oder das komplette Werkstück müssen nun »hygienisch einwandfrei« oder gar »steril« sein. Sterilisation bedeutet die Abtötung aller vermehrungsfähigen Mikroorganismen sowie die Inaktivierung aller Viren, die sich in oder an einem Produkt oder Gegenstand befinden. Für medizintechnische Produkte wird zunehmend auch die »Pyrogen-Freiheit« gefordert. Pyrogene sind Stoffe, die in kleinen Mengen, parenteral (nicht über den Darm) verabreicht, Fieber auslösen können. Dies betrifft nahezu alle medizinischen Geräte, die in Körperkontakt stehen (Kanülen, Katheter, Endoskope, Implantate etc.).



Inhaltsverzeichnis

Nasschemische Reinigung

Die Wirkung nasschemischer Reinigungsverfahren wird in erster Linie durch das Lösevermögen des eingesetzten Reinigers bestimmt. Gängige Reinigungsmedien sind wässrige Reiniger und Lösemittel, letztere werden grob in nicht halogenierte Kohlenwasserstoffe (KW), Chlorkohlenwasserstoffe (CKW) und polare Lösemittel unterschieden. Je nach gewähltem Reiniger sind unterschiedliche gesetzliche Vorgaben zum Arbeitsschutz, Umweltschutz (z. B. VOC-Richtlinie, 2. BimSchV, Detergenzienverordnung) und Explosionsschutz zu beachten. Die Wirkung des Reinigungsmediums wird durch unterschiedliche physikalische Verfahrenstechniken unterstützt.

Spritzreinigung

Bei der Spritzreinigung, die überwiegend bei großen und flächigen Werkstücken zum Einsatz kommt, werden Verschmutzungen teils vom Reinigungsmedium (meist wässrige Reiniger) gelöst beziehungsweise emulgiert, teils durch die kinetische Energie des Spritzstrahls fortgeschwemmt. Eine zusätzliche Bewegung des Waschgutes und /oder der Düsen sorgt für ein gleichmäßiges Reinigungsergebnis.

Tauchreinigungsverfahren

Tauchreinigungsverfahren werden bevorzugt, wenn Teile mit komplexer Geometrie, beispielsweise mit Sacklochbohrungen, Hinterschneidungen, zu reinigen sind. Beim Eintauchen des Werkstücks in das Reinigungsbad lösen sich anhaftende Verschmutzungen durch die chemische Wirkung des Reinigungsmediums. Drehen oder Schwenken der Teile im Bad verstärkt die Reinigungswirkung.

Ultraschallreinigung

Die Reinigungswirkung der Ultraschallreinigung basiert auf Kavitation: Durch einen Ultraschallgenerator und ein abgestimmtes Schwingsystem wird die Badflüssigkeit beschallt. Die dabei entstehenden Schwingungen verursachen in der Flüssigkeit kleinste Hohlräume, die sofort wieder kollabieren. Dabei entstehen starke Strömungen und Turbulenzen, die den am Reinigungsgut vorhandenen Schmutz „absprengen“.

Druckumflutreinigung

Druckumflutreinigung steht für ein Verfahren, bei dem Pumpen Flüssigkeit aus dem Reinigungsbad ansaugen, um sie anschließend mit hohem Druck durch ein unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnetes Düsensystem zu pumpen. Dabei entstehen starke Strömungen, die an den Bauteilkanten Turbulenzen verursachen, die den Schmutz ablösen. Beim Vorbeiströmen an Sacklöchern und Vertiefungen bildet sich außerdem eine Sogwirkung, die die darin befindlichen Verunreinigungen „herauszieht“.


Biologische Reinigung

Zahlreiche in der Natur vorkommende Mikroorganismen sind in der Lage, komplexe organische Moleküle in weniger komplexes, ungefährliches Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln. Solche speziell gezüchteten Organismen kommen bei der biologischen Reinigung zum Einsatz. Dabei werden, wie bei der wässrigen Reinigung, Öle und Fette unter Mitwirken von Tensiden und Emulgatoren von der Bauteiloberfläche gelöst und im Reinigungsbad verteilt. Die Emulsion gelangt in einen vom Reinigungsbad getrennten Bioreaktor, in dem die Mikroorganismen die kontinuierliche Aufbereitung des Reinigungsbades übernehmen.


Strahlen/Strahlreinigung

Strahlen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Strahlmittel (als Werkzeuge) in Strahlgeräten unterschiedlicher Strahlsysteme beschleunigt und zum Aufprall auf die zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstücks (Strahlgut) gebracht werden [DIN 8200].


Als Strahlzweck differenziert man zwischen

  • Reinigungsstrahlen
  • Oberflächenveredlungsstrahlen
  • Strahlspanen
  • Verfestigungsstrahlen
  • Umformstrahlen


Die Beschleunigung des Strahlmittels erfolgt

  • pneumatisch durch einen Gasstrom (meist Druckluft)
  • hydraulisch mit Wasser oder Öl
  • mechanisch in einem Schleuderrad


Entscheidende Bedeutung aber kommt dem eigentlichen Werkzeug der Strahlverfahrenstechnik – dem Strahlmittel zu. Strahlmittel sind meist fest und körnig, gelegentlich auch flüssig (Wasserstrahlen) oder dampf- bzw. gasförmig (Dampfstrahlen, Abblasen). Zum Einsatz kommende Strahlmittel sind sehr vielfältig. Im Allgemeinen wird nach Strahlmittelart, Kornform und -größe unterschieden.


Feste Strahlmittelarten werden untergliedert in

  • metallisch (Strahl, Eisen, NE-Metall)
  • natürlich mineralisch (Gestein)
  • synthetisch mineralisch (Glas, Schlacken, Korund)
  • organisch (Kunststoff, Nussschalen)
  • sonstige Strahlmittel (Trocken-, Wassereis)


Strahlmittel können im Umlauf oder als Einwegstrahlmittel verwendet werden. Gründe für nur einmalige Verwendung sind das Zerschlagen der Körner, starke Verunreinigung oder ein nicht mögliches Auffangen und Rückgewinnen. Jedes Strahlverfahren ist ein so genanntes Sichtverfahren, d. h. es können nur sichtbare Flächen erreicht und bearbeitet werden.


Einflussgrößen auf das Strahlergebnis sind neben dem Strahlsystem und dem Strahlmittel selbst

  • Auftreffgeschwindigkeit
  • Strahlabstand und -auftreffwinkel
  • Strahlmitteldurchsatz, -bedeckungsgrad und -einwirkdauer


Kaum ein Reinigungs- oder Fertigungsverfahren weist so viele Varianten, Einflussgrößen und damit mögliche Anwendungsgebiete auf wie die Strahlverfahrenstechnik. Die Anwendungsgebiete reichen vom Mikrosandstrahlen in der Elektronikindustrie bis zum großflächigen Bearbeiten von Schiffsrümpfen und Monumenten.

Die Strahlverfahrenstechnik gilt vielfach als Stand der Technik mit wenig Innovationspotenzial und Forschungsbedarf. Strahlanlagen zeichnen sich jedoch durch hohe Flexibilität und geringe Investitionskosten aus. Gerade vor dem Hintergrund aktueller Trends in der Reinigungstechnik, wie dezentrale Reinigung, Reinigung von Funktionsflächen, Umweltfreundlichkeit (VOC-Richtlinie) etc. kann die Strahlverfahrenstechnik bei richtigem und bedarfgerechten Einsatz Lösungen anbieten.

Hohe Oberflächen-Reinheitsgrade lassen sich auch durch Strahlreinigungsverfahren erzielen. Diese mechanischen Verfahren kommen häufig zum Einsatz, wenn neben Sauberkeit weitere Eigenschaften wie beispielsweise Gratfreiheit, Glätten, Aufrauen oder Mattieren gefragt sind. Zu den Strahlverfahren zählen z. B. Druckluftstrahlen, Schleuderradstrahlen, Wasserstrahlen, CO2-Schnee- und Pelletstrahlen.


CO2-Schneestrahlreinigung/Trockeneisstrahlen

Beim Strahlen mit festem Kohlendioxid muss grundsätzlich zwischen dem Strahlen aus der festen und aus der flüssigen Phase unterschieden werden. Ersteres wird im Allgemeinen als Trockeneisstrahlen, letzteres als CO2-Schneestrahlen bezeichnet. Werden beim CO2-Strahlen höchste Abrasivität und Flexibilität für ein breites Parameterspektrum gefordert, kommt das Trockeneisstrahlen meist in manueller Anwendung zum Einsatz. Als Strahlmittel werden in einem separaten Prozess hergestellte Trockeneispellets oder aus Blöcken bzw. Nuggets gewonnene Partikel verwendet. Neben der eigenen Herstellung kann Trockeneis über Lieferanten bezogen werden. In Isolierboxen ist es einige Tage haltbar. Zu beachten ist dabei, dass sich ab dem Zeitpunkt der Herstellung die Eigenschaften des Trockeneis und damit das Strahlergebnis ändern. Beim CO2-Schneestrahlen wird flüssiges CO2 unter Druck als Ausgangsprodukt verwendet. Erst im Prozess entsteht durch Entspannung ein CO2-Schnee- / Gas-Gemisch, das einem Druckluftstrahl zugeführt wird. Je nach Erzeugung des CO2-Schneestrahls und je nach Abrasivität werden die Varianten reines CO2-Schneestrahlen, Zweistoffringdüse und Strahldüse mit Agglomerationskammer unterschieden. Die erste Variante ist ein reines CO2-Strahlverfahren ohne separate Druckluftbeschleunigung. Das flüssige CO2 wird am Düsenaustritt auf Umgebungsdruck entspannt und durch das nachströmende Kohlendioxid beschleunigt. Beim Strahlen mit Zweistoffringdüse wird das flüssige Kohlendioxid ebenfalls am Düsenaustritt auf Umgebungsdruck entspannt. Die CO2-Schneepartikeln werden für eine höhere Abrasivität durch einen Mantelstrahl aus überschallschneller Druckluft gebündelt und beschleunigt. Um die Flächenleistung zu steigern, können Düsen in Reihe, zu so genannten Düsenarrays geschaltet werden. Eine abrasivere Wirkung, aber auch den höchsten Druckluftverbrauch hat das Strahlen mit Agglomerationskammer. Hier wird das flüssige Kohlendioxid dem Druckluftstrom in einem Entspannungsraum zudosiert. Die Vorteile der CO2-Schneestrahlverfahren liegen vor allem in der guten Automatisierbarkeit aufgrund einer kontinuierlichen Strahlmittelversorgung sowie der hohen Verfügbarkeit, da keine bewegten Anlagenteile benötigt werden.

Die meisten Zwischenprodukte und Bauteile aus industrieller Fertigung müssen vor der Weiterverarbeitung oder dem Verkauf von Produktionsrückständen gereinigt werden. Zur Reinigung werden heute vorwiegend nasschemische und wässrige Verfahren eingesetzt. Ein alternatives Reinigungsmittel stellt komprimiertes (flüssiges bzw. überkritisches) Kohlendioxid dar. Flüssiges und überkritisches Kohlendioxid zeigt gute Lösungseigenschaften für Fette und Öle und ist aufgrund seiner niedrigen Viskosität und geringen Grenzflächenspannung besonders für die Reinigung von Schüttgütern und komplexen Einzelbauteilen mit Hohlräumen geeignet. Im großtechnischen Einsatz wird überkritisches CO2 bereits seit Jahren in der Naturstoffextraktion wie zum Beispiel bei der Entkoffeinierung von Kaffee eingesetzt. Da das Reinigungsmedium Kohlendioxid bei Umgebungsbedingungen direkt in den gasförmigen Zustand übergeht, hinterlässt es im Gegensatz zu herkömmlichen Medien keine Reinigungsmittelrückstände. Eine aufwendige und kostenintensive Trocknung des Reinigungsguts entfällt. Anders als viele chemische Reinigungsmittel ist es zudem umweltneutral. Kohlendioxid fällt als Abfallprodukt aus einer Vielzahl chemischer Prozesse, wie zum Beispiel der Ammoniaksynthese, an und kann somit sinnvoll weiterverwertet werden.

Bei der integralen Bauteilereinigung werden die guten Lösemitteleigenschaften des CO2 mit Maßnahmen zur mechanischen Unterstützung der Reinigungsleistung – unter anderem auch Ultraschall – kombiniert. Bei dem Batch-Verfahren wird das Reinigungsgut in einer Kammer mit dem flüssigen Kohlendioxid in Kontakt gebracht und bei niedrigen Temperaturen (~ 20°C) und Drücken (~ 56 bar) gereinigt (Abbildung 4). Die entfernten Verunreinigungen werden aus dem Anlagensystem abgeschieden und das Kohlendioxid nahezu vollständig zurück gewonnen. Eine hohe technische Anforderung stellt auch die Funktionsflächenreinigung bei Bauteilen mit komplexen Innengeometrien, wie Sack- oder Gewindebohrungen mit einem großen Aspektverhältnis (d << t), dar, die mit herkömmlichen Reinigungsansätzen nicht mehr zu erfüllen sind. Der Lösungsansatz mit komprimiertem CO2 besteht darin, die im Bohrloch vorhandenen Ölreste zunächst mit überkritischem CO2 zu lösen und anschließend mit CO2-Schneestrahlen aus der Bohrung auszublasen. Vorteile des Verfahrens sind die restlose Ölentfernung, auch in Hinterschneidungen und porösen Oberflächen, kurze Prozesszeiten und einfache Integration in bestehende Fertigungsanlagen. Zudem ist die Partikel- und Spanentfernung bis in den μm-Bereich und die Reinigung von Bohrungen mit geringen Innendurchmessern (≤ 1 mm) möglich.

Die CO2-Schneestrahlreinigung verwendet flüssiges Kohlendioxid als Strahlmittel oder einen Trockeneisblock der abgeschabt wird. Durch die Kombination mechanischer und thermischer Eigenschaften entfernt der CO2-Schnee beim Auftreffen auf die Oberfläche feste und filmische Verunreinigungen trocken, rückstands- und chemikalienfrei von nahezu allen Materialien. Definierte Funktionsbereiche von Bauteilen wie beispielsweise Dicht- und Klebeflächen lassen sich mit diesem Verfahren gezielt behandeln, ohne dass das komplette Bauteil gereinigt werden muss. Es kann einfach automatisiert werden und die Anwendungsbereiche werden durch die Entwicklung neuer Werkzeuge kontinuierlich erweitert.

Beim Trockeneisstrahlen kommen statt flüssigem Kohlendioxid etwa reiskorngroße Eis-Pellets aus Kohlendioxid als Strahlmittel zum Einsatz. Einsatzgebiet des Trockeneisstrahlens ist die Reinigung von Werkzeugen, Formen, Maschinen und Anlagen. Das Strahlen mit festem Kohlendioxid hat sich in den letzten Jahren in unterschiedlichen Anwendungsfeldern etabliert. Grund dafür sind die vielen Vorteile des Verfahrens wie die schädigungsfreie Bearbeitung eines großen Werkstoffspektrums und die Sublimation des Strahlmittels. Da Trockeneis bei normalem Umgebungsdruck direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht, hinterlässt es im Gegensatz zu anderen Strahlmitteln keine Rückstände. Anders als viele chemische Reinigungsmittel ist es zudem umweltschonend, da das verwendete CO2, nicht aus fossilen Brennstoffen erzeugt wurde sondern ein Nebenprodukt chemischer Prozesse ist.

Im Gegensatz zu anderen Strahlmitteln beruht das CO2-Strahlen aufgrund der Temperatur des Strahlmittels von -78,5 °C auf einem thermischen Effekt und einem mechanischen Effekt durch die hohe Geschwindigkeit des auftreffenden Strahls. Die niedrige Härte des Strahlmittels von weniger als 2 Mohs gewährleistet eine schädigungsarme Bearbeitung des Substrats. Temperaturspannungen zwischen Verunreinigung und Substrat werden durch die Volumenvergrößerung und die zusätzliche Abkühlung bei der Sublimation unterstützt.


Laserstrahlreinigung

Eine Aufgabe der Reinigungstechnik in der Fertigung ist das Vorbehandeln von Funktionsflächen für weitere Prozessschritte wie zum Beispiel für das Fügen. Angesichts eines anhaltenden Trends zur flexiblen, dezentralen und in den Fertigungsprozess integrierten Reinigungstechnik steigt zunehmend die Nachfrage nach lokalen, umweltfreundlichen Reinigungsverfahren, die eine am Verarbeitungspunkt der Bauteile erforderliche Oberflächenqualität Just-in-time zur Verfügung stellen können. Das Reinigen mit Laserstrahlung wird diesen Anforderungen gerecht. Die Laserstrahlreinigung nutzt einen leistungsstarken, fokussierten Laserstrahl als Reinigungsmedium. Er wird über die zu reinigende Oberfläche geführt, wobei die Lichtenergie des Laserstrahls direkt in thermische Energie umgewandelt wird und auf der Schmutzschicht schlagartig verdampft. Dabei entsteht eine Plasmaschockwelle, durch die auch nicht verdampfbare Partikel entfernt werden. Laserstrahlreinigen ist das Abtragen dünner Schichten im Sub-Millimeter-Bereich ohne Schädigung des Untergrunds. Der Energieeintrag durch das Laserlicht erfolgt mit sehr kurzen Wechselwirkungszeiten und höchsten Intensitäten. In der Absorptionsschicht wird die Lichtenergie in Wärme umgewandelt. Infolge der hohen Intensität verdampft das Material schlagartig. Es kommt zur Entstehung eines Plasmas, welches den Abtrag unterstützt. Die sehr kurzen Wechselwirkungszeiten sind verantwortlich für die schädigungsfreie Reinigung. Die geringe laterale Ausdehnung und sehr flexible Strahlablenkung des Arbeitsspots sowie die berührungslose Wirkweise prädestinieren den Laser für die ortselektive Bearbeitung. Die Anwendungsmöglichkeiten umfassen das Abtragen von Beschichtungen, sowohl organischer als auch anorganischer Natur, sowie die Reinigung von Funktionsflächen vor nachfolgenden Prozessschritten. Verschmutzungen können dabei Prozesshilfsstoffe, Konservierungsmittel und Korrosionsprodukte sein. Ein Anwendungsbeispiel ist der Einsatz des Laserstrahlreinigens zum Entfernen von Korrosionsprodukten an einem Bauteil, das nachfolgend mit einer Folie beklebt wird. So ist zum Beispiel für die Haftung eines Klebstoffs auf einer Magnesiumoberfläche die Entfernung der Korrosionsprodukte zwingend notwendig. Eine gezielte Strukturierung der Oberfläche verbessert die Festigkeit der Klebverbindung zusätzlich. Der Laserstrahl verdampft in einem Arbeitsgang die Verschmutzungen und erzeugt eine definierte Oberflächentopographie. Zur Sicherstellung der Leckfreiheit an Rohrverbindungen über Dichtungen ist die lokale Entfernung der Korrosionsschutzbeschichtung erforderlich. Die Rohre rotieren um die Längsachse, der Laserstrahl bewegt sich in Achsrichtung linear und verdampft die Beschichtung. Im Ergebnis entsteht eine scharfe Kante am Rand und eine unbeeinflusste metallisch blanke Rohroberfläche. Auf die Oberfläche wirken keine mechanischen Kräfte oder Medien ein. Das Laserstrahlreinigen kann auch mit Schweißlasern direkt vor dem Laserstrahlschweißprozess erfolgen. Dabei wird die für das schädigungsfreie Verdampfen notwendige kurze Wechselwirkungszeit durch sehr hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Laserspot und Werkstück erreicht. Die eindimensionale Oszillation wird durch Strahlablenkung über Galvanometer-Scanner ermöglicht. Die Regelung der Laserleistung erfolgt positionsabhängig durch eine auftragsspezifische Scanner-Software. Der Vorteil für den Anwender besteht in der Nutzung nur einer Strahlquelle für die zwei Bearbeitungsaufgaben Reinigen und Schweißen. In der Zeit in der die Fügepartner zueinander positioniert werden und der Laserstrahl nicht zum Schweißen genutzt wird, erfolgt in der Reinigungsstation die Fügestellenvorbereitung. Der Laserstrahl kann dazu über ein Strahlweichensystem umgeschaltet werden. Der Prozessschritt Reinigen wird in das Taktzeitregime der Schweißstation eingeordnet. Die Laser-An-Zeit erhöht sich und es ist keine weitere Strahlquelle für die Reinigung erforderlich.


Plasmareinigung

Die Plasmatechnik bietet durch den Einsatz verschiedener Reaktionsgase ein breites Anwendungsspektrum bei Stück- und Schüttgütern aller Art aus Stahl, NE-Metallen, Kunststoffen, Glas und Keramik. Am effektivsten sind diese Verfahren, wenn dünnschichtige organische Verschmutzungen entfernt werden müssen.

Die Feinreinigung sowie die Aktivierung von Bauteiloberflächen durch Plasmaverfahren sind seit zwei Jahrzehnten industriell verbreitet. Plasmen können insbesondere zur Entfernung von Ölen und Fetten verwendet werden. In bestimmten Fällen können aber auch Partikel und andere anorganische Kontaminationen entfernt werden. Die Vorteile der Plasmaverfahren sind: sehr gute Reinigungswirkung, keine Trocknung notwendig, keine Reinigungsmittelrückstände, geeignet für alle Materialien. Durch die passende Wahl des Plasmaverfahrens ist es möglich, die gesamte Oberfläche sowohl geometrisch komplexer Körper (mit Hinterschneidungen und Bohrlöchern) als auch von Schüttgut sowie ausgewählte Bereiche beliebig großer Bauteile zu reinigen. Durch die plasmainduzierte Abscheidung funktionaler Schichten können Oberflächen mit Anti-Haftschichten zur leichten Reinigung bzw. Verminderung von Verschmutzung versehen werden.

Inaktivierung und Sterilisation mittels Plasmen oder Elektronenstrahltechnik
Ein international etabliertes und effizientes Verfahren beruht auf der bioziden Wirkung beschleunigter Elektronen. Die erforderliche Behandlungsintensität (Energiedosis) hängt maßgeblich von der Art und der Intensität der Kontamination ab. Niederdruckplasmen werden zur Zeit intensiv erforscht, um vor allem auf thermolabilen Gütern (Polymeren) sterile und pyrogenfreie Oberflächen zu erhalten. Alle Hygienisierungs- bzw. Sterilisierungsprozesse sind zu validieren, um die Wirksamkeit des Prozesses nachzuweisen und gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte einhalten zu können. Beispielsweise ermöglichen Rodac-Platten, Aussagen über die mikrobielle Belastung einer Oberfläche vor und nach einer Reinigung. Zur Bewertung des Sterilisationserfolges werden Bioindikatoren in definierter Anzahl auf das Untersuchungsgut aufgebracht und der Reduktionsfaktor ermittelt. Die inaktivierende Wirkung der Plasmen auf Mikroorganismen wird anhand von Rekultivierungsexperimenten überprüft. Der Abbau der Zellsubstanz kann beispielsweise mittels der Rasterelektronenmikroskopie veranschaulicht werden. Eine Inaktivierung erfolgt u. a. durch die Zerstörung der Zellstruktur. Ob die Zellstrukturen pyrogene Wirkung zeigen, kann anhand von spezifischen Pyrogentests ermittelt werden.

Technologie
Ein Plasma ist ein Gas mit einer großen Zahl ionisierter und angeregter Bestandteile, das aufgrund seiner hohen Reaktivität ideal zum Reinigen von Oberflächen geeignet ist. Es wird durch elektrische Anregung der im Gas befindlichen Spezies erzeugt. Die Plasmaerzeugung kann dabei im Vakuum oder bei Atmosphärendruck erfolgen und ermöglicht somit, die Prozesse an die spezifischen Gegebenheiten der Anwendung anzupassen. In einem Niederdruck-Plasmaprozess wird die gesamte Bauteiloberfläche in einer Vakuumkammer gereinigt, während bei Atmosphärendruck-Plasmen meist ein durch eine Öffnung austretender Plasmastrahl lokal auf die zu behandelnde Oberfläche geleitet wird.

Feinreinigung
Die Reinigungswirkung des Plasmas beruht auf der Wechselwirkung reaktiver Plasmabestandteile mit der Bauteiloberfläche. Diese bauen die Kontaminationen zu gasförmigen Reaktionsprodukten ab, die problemlos entfernt werden können. Eine Adaption der Plasmareinigung an eine spezifische Reinigungsaufgabe erfolgt durch die Ermittlung geeigneter Prozessparameter (z. B. Gasart, Prozessdauer) und der adäquaten Plasmatechnologie (Druck, Plasmaanregung). Die Bauteilereinigung kann dabei im Batch-Betrieb oder halbkontinuierlich ausgeführt werden. Nach erfolgter Prozess-optimierung kann die Plasmareinigung der Bauteile im palettierten Zustand, in genormten Boxen (z. B. Schäferkiste) oder auch als Schüttgut in Trommeln bzw. Bahnware mit Wickeleinrichtung erfolgen.

Schmutzabweisende Oberflächen
Neben der direkten Feinreinigung können durch die Plasmatechnologie Oberflächen zusätzlich so modifiziert werden, dass Kontaminationen weniger leicht anhaften und somit auch leichter entfernbar sind. Durch die Beschichtung mit moderner Nanotechnologie ist es beispielsweise möglich, Gitterroste leicht von angetrockneten Lackresten zu befreien. Ein weiteres Beispiel ist die Ausrüstung von Bedienelementen mit einer »Anti-Fingerprint-« Beschichtung. Hier kann die Plasmatechnologie Reinigung erleichtern bzw. vermeiden. (siehe auch Funktionelle Beschichtungen (Korrosionsschutz/Konservierung/Reinigungsvermeidung))


Anwendungsbeispiele

  • Kombination der Plasmareinigung mit vorgeschalteter wässriger Reinigung zur Entfettung von Metallschreibfedern vor galvanischer Beschichtung
  • Feinstreinigung von Edelstahlbauteilen vor Rissprüfung
  • Entfettung von Silber-Kontaktfedern ohne Veränderung der elektrischen Eigenschaften
  • Desmearing: Entfernung von Harzverschmierungen aus Bohrlöchern von Leiterplatten
  • Entfettung von Werkstücken vor Beschichtung, Lackierung, Bedruckung bzw. vor dem Kleben
  • Aktivierung von Kunststoffoberflächen vor Hartstoffbeschichtung
  • Modifizierung der Trennmittelkontaminationen auf Faserverbundkunststoffen (z. B. entformte CFK-Bauteile) für verbesserte Klebstoff- oder Lackhaftung
  • Flussmittelfreies Löten nach Plasmareinigung
  • Plasmagestützte Bauteilbeschichtung zur Erzeugung von »Easy-to-clean-« oder »Anti-Fingerprint-« Oberflächen



Elektrostatische Oberflächenreinigung

Feinste Staubpartikeln kommen überall vor und können nicht nur die menschliche Gesundheit, sondern auch die Qualität von Produkten beeinträchtigen. Besonders betroffen sind Produkte mit speziellen Oberflächenfunktionen wie optische Platten oder Halbleiter. Viele Produktionsprozesse beispielsweise Beschichtungen und Lackierungen erfordern ebenso partikelfreie Oberflächen, bevor der Beschichtungsprozess gestartet wird. Bei der Haftung von Staubpartikeln auf einer Produktoberfläche spielt die elektrostatische Kraft die Hauptrolle. Um diese Haftungskraft zu beseitigen, werden in ionisierter Luft in gleicher Zahl positive und negative Ionen erzeugt und auf die Produktoberfläche transportiert, wo sie die elektrostatisch anhaftenden Staubpartikeln und die Produktoberfläche neutralisieren. Der nachfolgende Abtrag der Staubpartikeln, beispielsweise über eine Luftströmung, ist dann möglich. Allerdings sinkt der Reinigungsgrad dieser Entelektrisierungsmethode mit abnehmenden Staubpartikelgrößen: Nach dem heutigen Stand der Technik liegt die effektiv entfernbare Partikelgröße bei 20 μm. Zudem werden bei dieser konventionellen Trockenreinigungsmethode (Entelektrisierung) lediglich die Staubpartikel in der Umgebungsluft resuspendiert, was eine schnelle Wiederbelegung der Produktoberfläche ermöglicht.

Im Rahmen eines EU-Projektes wurde ein tragbares Reinigungsgerät entwickelt, mit dem die unerwünschten und möglicherweise gesundheitsschädlichen Feinstaubpartikel nicht nur effektiv von den Produktoberflächen entfernt, sondern auch effizient aufgefangen und zuverlässig eingesammelt werden können. Dies würde sowohl die Produktqualität gewährleisten als auch das Arbeitsumfeld der Mitarbeiter verbessern.

Nach dem ElectroClean-Konzept werden die Staubpartikel – im Gegensatz zur konventionellen Trockenreinigungsmethode – nicht neutralisiert, sondern mit Ionen aufgeladen. Durch die entstehende Coulomb-Kraft zwischen der negativ und positiv geladenen Staubpartikeln wird die elektrostatische Haftung überwunden. Die Staubpartikel werden von der Produktoberfläche angehoben und dann mit einem kontrollierten Luftstrom zum Staubkollektor transportiert. Die erforderliche elektrische Feldstärke, um die Staubpartikel anzuheben, den für den Partikeltransport benötigten Luftstrom sowie die Prozessparameter für die Versuchsanlage werden mit einer speziellen Simulationssoftware spezifiziert und optimiert. Eine Versuchsanlage zur Evaluierung des ElectroClean-Oberflächenreinigungskonzeptswurde aus den industriellen Komponenten nach dem heutigen Stand der Technik aufgebaut. In ersten Reinigungsversuchen konnten Staubpartikeln kleiner als 20 μm von der Oberfläche entfernt werden: Durchschnittlich 85 % der Staubpartikeln kleiner als 15 μm und mehr als 95 % der Staubpartikeln größer als 15 μm wurden von der Probenoberfläche entfernt. Die Anzahl und die Größenverteilung der Partikel vor und nach der Reinigung wurden nach dem Streiflichtverfahren gemessen. Ein Prototyp wurde aufgebaut und im Reinraum die Funktionsfähigkeit dieses tragbaren Prototyps überprüft.


Oberflächenreinigung mit flüssigen Medien

Die Reinigung mit flüssigen Medien ist die am häufigsten eingesetzte Technologie in der Oberflächenbehandlung. Entsprechend breit ist das Einsatz- und Anforderungsspektrum – von der Reinigung ganzer Automobilkarosserien bis zu präzisionsoptischen Bauteilen im Millimetermaßstab – und damit verbunden auch die Palette an Reinigungsflüssigkeiten, Reinigungsanlagen und mechanischer Reinigungsunterstützung. So vielseitig wie die Möglichkeiten sind, so schwierig ist es auch für die konkrete Anforderung die beste Lösung zu finden. In den letzten Jahren vollzieht sich zunehmend ein Wandel von der »Universal-Waschmaschine« in der Ecke der Werkhalle hin zur spezialisierten Reinigungsanlage als technologisches Glied in der Produktionskette. Damit wird es immer wichtiger, einen umfassenden Überblick über die technologischen Möglichkeiten moderner Reinigungsverfahren zu besitzen, um eine optimale Lösung für eine Reinigungsaufgabe zu finden. Optimal heißt dabei nicht nur ein anforderungsgerechtes Reinigungsergebnis, sondern gleichzeitig auch angepasste Produktivität, ergonomische Bedienung, geeignete Qualitätssicherung, geringer Energieverbrauch, effektive Nutzung des Reinigungsmediums und umweltverträgliche Betriebsweise.


Wässrige oder Lösemittel-Reinigung?

Die Oberflächenreinigung mit flüssigen Medien teilt sich im Wesentlichen in zwei große Gruppen von verwendeten Reinigungsmedien:

  • basierend auf Wasser als Lösemittel und
  • basierend auf organischen Lösemitteln

Daneben gibt es auch Reinigungsmethoden, die beide Lösemittelgruppen in Kombination verwenden. Es gibt kein generelles »Für und Wider«, wenn man sich für eine von beiden Gruppen entscheiden soll. Nachdem organische Lösemittel in der Vergangenheit durch die stärkere Beachtung von Umweltaspekten in Verruf gekommen waren, sind diese Nachteile durch deutliche Fortschritte im Bereich Anlagentechnik und der Entwicklung alternativer organischer Lösemittel (Ersatz von FCKW/CKW) nahezu ausgeglichen. Entscheidend für die Wahl eines geeigneten Reinigungsmediums ist die Kombination aus Reinigungsanforderungen und Ausgangszustand. Dazu zählen nicht nur das Material des Bauteils und die Verschmutzung, sondern auch viele begleitende Bedingungen, wie Produktivität, Einzel- oder Schüttgut, Batch- oder Inlinereinigung, schöpfende oder einfache Geometrie.


Verfügbare Dienstleistungsangebote:

  • Beratung

Für die unabhängige Auswahl eines geeigneten Reinigungsverfahrens, über Reinigungstests bis hin zu gesetzlichen Vorschriften, Anlagenkonzeptionen, Ausschreibungen und Anbieterbewertung sowie Inbetriebnahmeunterstützung stehen Fachleute zur Verfügung.

  • Zustandsanalyse

Bei auftretenden Reinigungsproblemen aller Art, werden durch die gezielte Analyse der Prozesskette vor Ort Ursachen ermittelt, Lösungsmöglichkeiten entwickelt und ggf. eine Optimierung des Reinigungsprozesses durchgeführt

  • Schadensanalytik

Bei Reinigungsproblemen oder Folgeschäden nach einer ungenügenden Reinigung können mit einer umfangreichen Palette an prozess- und oberflächenanalytischen Methoden gezielt Ursachen ermittelt und Maßnahmen zur Verbesserung der Prozesssicherheit erarbeitet werden.

  • Reinigung

Für die Reinigung von Mustern, Einzelteilen und Kleinserien stehen bei vielen Dienstleistern eine große Palette an Reinigungstechnologien zur Verfügung.

  • Entwicklung

Im Rahmen der Auftragsforschung sowie unter Nutzung von Förderprogrammen werden Reinigungstechnologien, Qualitätssicherungssysteme und Anlagenkomponenten entwickelt.

  • Qualitätssicherung

Messverfahren, Methoden und Handlungsvorschriften für prozessorientierte und ergebnisorientierte Qualitätssicherungsmaßnahmen werden entwickelt.

  • Schulung

Es werden Grundlagenseminare zur industriellen Reinigungstechnik angeboten. Selbstverständlich können auch speziell angepasste Inhouse-Seminare zusammengestellt werden.


Produktionsintegrierte Reinigung

Die Bauteilreinigung wird in der Industrie vielfach als ein notwendiges Übel angesehen, was dazu führt, dass dieser Vorgang an das Ende bestehender Fertigungslinien angehangen wird, ohne den Produktionsprozess umfassend zu betrachten und die Reinigung ganzheitlich zu integrieren. Hinzu kommt, dass die Reinigung der Bauteile nicht frühzeitig, beispielsweise in der Konstruktionsphase, berücksichtigt wird und so im Nachhinein integriert werden muss, was grundsätzlich mit höheren Kosten verbunden ist. Dabei ist die Sauberkeit der Bauteile unerlässlich, um bei hohen Qualitätsanforderungen an die Produkte und bei kleinen Gewinnspannen die Konkurrenzfähigkeit der produzierenden Unternehmen zu gewährleisten. Grundsätzlich muss beachtet werden, dass eine Reinigung nicht nur nach der Produktion der Bauteile erforderlich ist, um bestimmte Eigenschaften zu garantieren, sondern dass oft auch zwischen den einzelnen Fertigungsabschnitten eine Reinigung erforderlich ist.

Entfernt werden müssen dabei z. B.:

  • Kühlschmierstoffe
  • Kontaminationen
  • Reste von Kunststoffen
  • Späne oder Partikel


Insbesondere bei nachfolgenden Prozessen wie Schweißen, Löten und Kleben müssen die entsprechenden Bauteilflächen die erforderliche Reinheit aufweisen.


Jedoch beschränkt sich die Reinigung nicht allein auf Bauteile bzw. Produkte. Für einen störungsfreien Fertigungsablauf und eine ausschussfreie Produktion ist es ebenfalls nötig, die Werkzeugmaschine zu reinigen. So können Verunreinigungen in den Maschinen z. B. an Führungsschienen oder Drückrollen zu einer Beeinträchtigung des Bauteils und damit zu Ausschuss führen. Wird die Reinigung frühzeitig mit eingeplant, lassen sich die Reinigungsanlagen problemlos in die Fertigungslinie integrieren. Dabei können entweder flexible Robotersysteme, welche z. B. Handling, Reinigung und Entgraten in einem Prozessschritt übernehmen oder aber vielseitige Durchlaufanlagen eingesetzt werden, in denen eine Reinigung und anschließende Passivierung erfolgt. Bei einer nachträglichen Integration der Reinigung in die Produktion, ist es in vielen Fällen möglich, das Reinigungsverfahren direkt in die Fertigung bzw. in die Maschine zu integrieren. Müssen nur Funktionsflächen oder die erwähnten Maschinenkomponenten gereinigt werden, lassen sich Reinigungsverfahren wie das CO2-Schneestrahlen oder das Laserstrahlen nachträglich in eine Maschine integrieren und behindern nicht den ursprünglichen Fertigungsablauf.


Ziele

  • die Reinigung vermeiden, wo es möglich ist
  • den Reinigungsbedarf durch Optimierung der Prozessabläufe vermindern
  • die Reinigungsvorgänge automatisieren, wo es wirtschaftlich sinnvoll ist


Die verfügbaren Technologien zur Bauteilreinigung sind vielfältig:

Sie reichen von Druckluftstrahlen mit unterschiedlichen Strahlmitteln über Laser- und Elektronenstrahlen und Plasmaverfahren bis hin zur Verwendung nasschemischer und wässriger Reinigungsmedien. Je nach Problemlage wird eine bedarfsgerechte Technologie ausgewählt und angewendet.


Kosten-Nutzen-Analyse

  • Umsetzung Ihrer definierten Unternehmensziele – Qualitätssteigerung und Kostenreduktion in der Produktion – durch sinnvolle Technologien für die Bauteilreinigung
  • Steigerung Ihres Marktpotenzials und Ausbau Ihrer Wettbewerbsposition




Ziele / Anforderungen

  • Erfüllung von Anforderungen an Bauteilsauberkeit, Durchsatzanforderungen
  • Gesetzeskonform (WHG, BImSchG, MRL, BG, ATEX …)
  • Umweltverträglich (insbesondere ressourcenschonend)
  • Wartungsarm und preiswert (Investitions- und Betriebskosten)


Verfahren

Spritzreinigen im Durchlauf oder in Kammern (z. T. mit Hochdruck), Tauchreinigen in offenen Becken oder in Kammern (z. T. mit Ultraschall), Flutreinigen in Kammern, Bürstreinigen im Durchlauf oder in Kammern, Sonstige


Einflussfaktoren

  • Bauteil (Material, Art und Menge der Verunreinigung, Geometrie, Menge, Reinigungszeit)
  • Reinigungsmedium
  • Badpflegemaßnahmen (Medienaufbereitung)
  • Anspruch an die Oberflächengüte und die Sauberkeit des Bauteils


Qualitätssicherung

  • Überwachung anlagenspezifischer Prozessparameter (Druck, Temperatur, Reinigerzustand)
  • Indirekt durch Prüfung der resultierenden Bauteilsauberkeit


Sonstige Anmerkungen

Reinigungsmedien in der Anlage sind verfügbar, jedoch noch nicht etabliert (z. B. Messgeräte zur Bestimmung des Tensidgehaltes wässriger Reinigungsbäder, Online-Partikelzähler, …)

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