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Dienstag, 19 April 2022 12:00

Trockendampf-Reinigung in der automatischen Fertigung – Teil 2 – Schmutzfilm und Aufgabe der Reinigung

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Geschätzte Lesezeit: 5 - 9 Minuten
Kurbelwellenreinigung mit einer Trockendampfreinigungsapparatur Kurbelwellenreinigung mit einer Trockendampfreinigungsapparatur

Nach der Erörterung der Schmutzschichtstrukturen, der werkstoffgebundenen Eigenschaften sowie dem Ablauf der elektrochemischen Oberflächenreinigung im 1. Teil dieser Serie wird nun ein näherer Blick auf die Schmutzschichten geworfen. Diese treten meist als Schmutzfilme auf, d. h. es sind Lösungsmittel enthalten. Die Feuchtigkeit im Schmutz fördert die galvanischen Reaktionen. Für die Auswahl der Technologie der Oberflächenreinigung wird der Schmutz in seinen Arten bewertet.

Das Objekt und sein Schmutzfilm – ein galvanisches Modell

Nach Herkunft des Schmutzes unterscheidet man:

  • Partikel des Zerspanungswerkzeugs (Schleifpaste, Späne und Abbrüche der Schneiden, Bindemittel usw.)
  • Partikel des Bauteils (Späne, Schleifstaub, Abrieb, Gusshaut usw.)
  • Schmutz aus der Umgebung (Ölnebel, Flugspäne, Hallenstaub, Lüfterstaub usw.)
  • Hilfsstoffe aus der Fertigung (Öle, Fette, Kühlschmierstoffe, Kühlmittel usw.).

Nach der chemischen Zusammensetzung des Schmutzes unterscheidet man:

  • Mineralöle
  • Synthetische Öle
  • Organische Öle und Fette, Ziehseifen
  • Metallische Späne
  • Festpartikel
  • Fasern
  • Verharzte Altöle und verharzte Fette
  • Wachse
  • Anorganische Partikel wie Gummi, Kunststoffe.

Nach dem Aggregatzustand unterscheidet man:

  • Feste, harte Partikel, nicht verdichtbare Werkstoffe
  • Flüssige Verunreinigungen mit gelösten Stoffen
  • Pastöse Verunreinigungen
  • Kondensierte Gase/Schwaden

Nach den chemischen und physikalischen Eigenschaften unterscheidet man:

  • Mechanische Eigenschaften (klebend, schmierend, schmirgelnd, abrasiv usw.)
  • Chemische Eigenschaften (polar/nicht polar, organisch/anorganisch, verseifbar/nicht verseifbar, basisch/sauer/neutral usw.)
  • Elektromagnetische Eigenschaften (magnetisch oder magnetisierbar, statisch aufladbar usw.
  • Thermische Eigenschaften (Temperaturbeständigkeit, Ausdehnungskoeffizient, Entzündbarkeit, Brennbarkeit usw.)
  • Viskose Eigenschaften (Oberflächenspannung, Adhäsion, usw.)
  • Aero-/hydromechanische Eigenschaften (Partikelgröße und Partikelform, Flächenkonturen, cw-Werte usw.)
  • Molekulare Eigenschaften (Stellung im PSE, elektrische Ladungen, Molekülstrukturen usw.).

Diese Kriterien der Zuordnung sind jedoch nicht ausreichend für die Auswahl des optimalen Reinigungsverfahrens. Aus Versuchen und Erfahrungen werden die Verschmutzungen beschrieben und in Gruppen einer möglichen Technologie zugeordnet.

Aus der praktischen Erfahrung im Umgang mit wasserlöslichen Reinigungsmitteln kann eine Gruppenbildung wie in Tabelle 1 genutzt werden: 

Tab. 1: Gruppenbildung von wässrigen Reinigern nach ihrer Anwendung

Lfd. Nr.

Gruppe

1

Frei von org. Salzen / ersetzt hochalkalische Systeme / Partikel- u. Graphitentfernung

2

Kalt- und Hochdruck spritzfähig (ab 25 °C bis 700 bar netto)

3

Stark demulgierend / Kühlschmierstoff bindend

4

Salzarmer, salzfreier, kräftiger Reiniger vor u. nach Härteprozess

5

Hochalkalische, inhibierte Systeme

6

Höchst alkalische Systeme, für extreme Verunreinigung, Beize

7

Anwendungsfertige Multimetallreiniger als Lösemittelersatz / überlackierfähig

8

Saurer und neutraler Metallreiniger (Beize), Saurer Kunststoffreiniger für PUR u. GFK

9

Alkalischer Kunststoffreiniger und alkalische Metallreiniger

10

Neutralreiniger mit Passivierung

11

Für geschmiedete Teile, Schmauchspuren entfernend, demulgierend, passivierend

Aus Tabelle 1 und Tabelle 2 zu wässrigen Reinigern und aus der Einordnung der Bauteilgrundwerkstoffe im Periodensystem der Elemente (PSE) folgen die Aussagen, dass Bauteilgrundwerkstoffe unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben und dass alle Fremdpartikel/Schmutzpartikel durch Aufladung auf der Bauteiloberfläche haften. Gelingt es, die Bauteiloberfläche zum Fremd-/Schmutzpartikel auf der Bauteiloberfläche zu entladen, bzw. zu neutralisieren, so sollten die Fremd-/Schmutzpartikel mit ihrer Masse mechanisch von der Bauteiloberfläche befördert werden können. Die Neutralisierung der Ladungen kann, wie in der Galvanik hinreichend bekannt, durch geringe Spannung und geringen Strom unterstützt und gesteuert werden.

Tab. 2: Wasserlösliche Reiniger und deren Verhalten im Reinigungsvorgang auf wässriger Basis
   

ph- Wert

Tauchen

Ultra- schall

Druck- fluten

Spritzen

Stahl

verzinkt

Edel- stahl

Alu- minium

Bunt- metall

Kunst- stoff

demul- gierend

Korr.- schutz

Temperatur- bereich

Anwendungs- konz.

Produkt

Beschreibung

Verfahren

Verträglichkeit

   

in °C

in %

HAKUPUR 324

Neutralreiniger, salzarm

9,8

ja

ja

ja

ja

ja

ja

ja

bedingt

bedingt

ja

ja

ja

35 – 80 °C

2 – 5 %

HAKUPUR 445

mildalkalischer Reiniger

10,3

ja

ja

ja

ja

ja

bedingt

ja

ja

bedingt

ja

teilweise

ja

35– 80 °C

0,5 – 10 %

HAKUPUR 448

Neutralreiniger, salzfrei

9,5

nein

bedingt

ja

ja

ja

ja

ja

ja

ja

ja

sehr gut

ja

20 – 80 °C

0,5 – 5 %

HAKUPUR 270

Neutralreiniger, salzfrei

10,1

nein

bedingt

ja

ja

ja

bedingt

ja

bedingt

bedingt

ja

ja

ja

20 – 80 °C

0,5 – 5 %

HAKUPUR 196-8

alkalischer Reiniger, salzfrei

10,9

bedingt

ja

ja

ja

ja

nein

ja

nein

nein

ja

teilweise

sehr gut

50 – 80 °C

0,5 – 5 %

HAKUPUR 50-706-3

alkalischer Reiniger

13

nein

nein

ja

ja

ja

ja

ja

ja

bedingt

ja

teilweise

ja

50 – 80 °C

0,5 – 5 %

HAKUPUR 50-706-2

alkalischer Reiniger

13

ja

ja

nein

nein

ja

ja

ja

ja

nein

ja

nein

ja

40 – 80 °C

0,5 – 10 %

HAKUPUR 56-70

saures Reinigungskonz.

< 1

nein

nein

ja

ja

nein

nein

ja

bedingt

zur Aufhellung

ja

ja

nein

20 – 60 °C

2 – 4 %

HAKUPUR 50-727-2

stark alkalischer Reiniger

> 13

nein

nein

ja

ja

ja

nein

ja

nein

nein

ja

nein

ja

30 – 80 °C

0,5 – 5 %

Decorrdal 20-1

Neutralentroster

6-7

ja

ja

ja

ja

ja

ja

ja

bedingt

ja

ja

ja

ja

20 – 80 °C

5 –1 0 %

Decorrdal 35-52

saurer Anlagenreiniger

< 1

       

nein

nein

ja

nein

nein

nein

 

 

20 – 80 °C

5 – 10 %

HAKUPUR 50-523

alkalischer Anlagenreiniger

> 14

       

ja

nein

ja

nein

bedingt

bedingt

 

 

21 – 60 °C

6 – 10 %

Aus diesen Aussagen folgt: die Bauteiloberfläche muss durch eine galvanische Lösung und /oder durch ein geladenes Gas mit mechanischer Energie und zusätzlicher elektrischer Ladung durch Anlegen einer definierten Gleichspannung sicher von Fremd-/Schmutzpartikeln gereinigt werden können.

Das galvanische Modell dieser Arbeit lässt sich folgendermaßen zusammenfassen:

Bei normaler Umgebungstemperatur werden mindestens zwei an sich elektrisch neutrale Werkstoffe vollflächig und leitend aneinander gelegt. Über die Oberflächengrenzen hinweg werden Ladungsträger ausgetauscht. Der Austausch endet mit dem Erreichen des elektrischen Potentialgleichgewichts.

Werden die Oberflächen nach einer gewissen Zeit voneinander getrennt, verbleibt auf jeder Oberfläche ein Überschuss an Ladungsträgern gleicher Menge, aber mit ent- gegengesetzter Polarität. Diesen Zustand nenne ich „elektrostatische Ladung“. Die Zeit ist vom Grundwerkstoff und vom Fremdpartikel vorgegeben. Mehr als die einmalige Entladung ist nicht möglich. Ist die Entladung einmal erfolgt, ist der Prozess beendet.

Dieser Vorgang ist bei elektrisch leitenden Materialien hinreichend oft nachgewiesen und auch bei Isolatoren sicher bestätigt. Das Ergebnis dieser Serie wird im entwickelten technologischen Reinigungsverfahren mittels Trockendampf erreicht und es wird eine technische Anlagenausführung aufgezeigt.

Aufgabenstellung der Oberflächenreinigung

Abb. 1: Kriterien der Auswahl der Reiniger  Abb. 1: Kriterien der Auswahl der Reiniger Die saubere und trockene Bauteiloberfläche an sich gibt es nicht. Jede Oberfläche vor einer Reinigung hat undefinierte haftende Fremdpartikel. Der Reinigungsprozess entfernt bewusst ausgewählte Fremdpartikel und hinterlässt eine für den folgenden Bearbeitungsschritt erforderliche Oberfläche. Das Reinigungsergebnis ist immer eine zeitweilig gewollte Bauteiloberfläche, kein Endzustand der Bearbeitung. Langfristige Zwischenlagerungen vor dem Endprozess der Fertigung erfordern besondere Passivierungen nach der Oberflächenreinigung, da immer Sauerstoff und andere Oxydantien auf die Bauteiloberfläche, den Grundwerkstoff wirken.

Die Fragen der Reinigungstechnologie sind immer, aus welcher Umgebung und aus welchem physikalischen-chemischen Prozess das Bauteil zur Reinigung kommt.

Die auszuführende Reinigung in Raum und Zeit bestimmt den Aufwand an Automation, an Energie und an Medienanwendungen.

Das gereinigte Bauteil hat immer eine verbleibende Restverschmutzung als Film unterschiedlicher Dicke und unterschiedlicher physikalisch-chemischer Zusammensetzung. Die Menge in Volumenangaben, in der Regel in ml oder die Masse in mg lassen wesentliche Aussagen zur Beschaffenheit des Films zu. Die geometrischen Abmessungen der Fremdpartikel im Film werden in µm bei Länge, in µm bei Breite und in µm bei Dicke angegeben. Je nach geforderten, konstruktiven zulässigen Parametern der Fremdpartikel wird die Reinigung als erfolgreich oder als unzureichend bewertet.

Die Auswahl der chemischen Zusätze für die wässrige Reinigung erfolgt nach den Kritierien in Abbildung 1.

Im wässrigen Reinigungsprozess wird mittels Düsen das Reinigungsmedium auf die Bauteiloberfläche gespritzt. Flutinjektionsbäder nach dem ersten Spritzwaschen und vor dem Spritzspülen erreichen Bohrungen und Hinterschneidungen, schwemmen die Fremdpartikel sicher von der Oberfläche. Die Auswahl der Düsenform und der Düsenanordnungen im zur Bauteiloberfläche ausgerichteten Düsenstock bestimmt die Menge an Reiniger auf der Bauteiloberfläche. Die Regeln der Hydraulik wirken. Reflexionswinkel und das Aufbrechen der Wassertropfen zu Tröpfchen und damit Dunst sind für die Parameterwahl der Konstruktion bedeutend. Ein Modell für die Wirkungsweise der Düsen wird im Folgenden beschrieben.

In Abbildung 2 wird die Spritzdüse als Vollstrahldüse in der Wirkung unabhängig von der Einbaulage gezeigt. Die Wirkung der Schwerkraft wird durch die wesentlich größere Pumpenenergie überlagert. Das auf der Bauteiloberfläche abfließende Medium, ein Flüssigkeitsfilm mit einer Dicke und einer Fließgeschwindigkeit bestimmen den Abtransport der gelösten Fremdpartikel. Die Richtung, die Neigung der Düsenachse zur Bauteiloberfläche bestimmt die Fließrichtung und damit das Volumen auf der jeweiligen Bauteiloberfläche. Das Austrittsvolumen aus der Düse und die Größe der reflektierenden Bauteiloberfläche ergeben, mit der Relativgeschwindigkeit der Düse zur Bauteil- oberfläche und der Verweildauer, die Medien-Filmdicke und die Medien-Fließgeschwindigkeit.

Abb. 2: Freistrahl auf senkrecht stehender PlatteAbb. 2: Freistrahl auf senkrecht stehender Platte

Der Dampf kühlt sich mit dem Austritt aus der Düse und auf der kalten Bauteiloberfläche ab, er kondensiert und bildet Wassertropfen. Diese werden durch nachfolgenden Dampf verdunstet. Somit entladen die kondensierten Wassertropfen die Oberfläche und die Fremdpartikel und saugen die Fremdpartikel von der Oberfläche. Sie werden mit der Schwadenabsaugung in Richtung Sammeltank abgesaugt.

In Abbildung 3 werden im Freistrahl die Wassermoleküle unterschiedlich verteilt. Die gelben Pfeile zeigen die Wasserstrahlmoleküle in großer Häufigkeit. Die blauen Pfeile zeigen den diffusen, von Luft getrennten Wasserstrahl. Im Zentrum des Wasserstrahls sind wenige Wassermoleküle.

Abb. 3: Verteilung des Wassers im Strahl und auf der Oberfläche  Abb. 3: Verteilung des Wassers im Strahl und auf der Oberfläche

In Abbildung 4 sind die Aufprallenergien auf der Bauteilfläche als Funktion der Wassermenge und der Aufprallkräfte aus einer Flachdüse mit 45° Spreizwinkel gemessen worden.

Abb. 4: Aufprallkraft auf der BauteilflächeAbb. 4: Aufprallkraft auf der BauteilflächeWird Heißdampf statt wässriger Lösung mittels Düse auf die Prallplatte gelassen, ist ein mechanischer Transport nur durch Zugabe von Luft aus der Umgebung möglich. Durch Injektionswirkung des strömenden Heißdampfes wirkt die Luft als Blasrohr in Richtung Bauteiloberfläche. Unter Beachtung der Reflexionswirkungen wird in den im Rahmen dieser Artikelserie dargestellten Versuchen der reflektierte Schwaden, eine Mischung aus Dampf, Wassertröpfchen, Fremdpartikeln und Luft abgesaugt. Die Umgebung der Wirkstelle der Düse auf der Oberfläche bleibt ohne Schwaden, der Heißdampf bleibt im Wasserkreislauf des Reinigungssystems. Die gelösten Fremdpartikel werden sicher in den Sammeltank gefördert.

Das Ergebnis der Reinigung wird durch genormte Verfahren ermittelt. Diese Verfahren sind von der Reinigungstechnologie unabhängig. Sie werden durch Festlegung des Prüfverfahrens für das jeweilige Bauteil bestimmt. Die Verfahren sind genormt, also reproduzierbar. Die Norm für diese Prüfungen sind ISO – Norm 16232/ 1-10 und die Norm VDA 19.

Der Inhalt von Teil 3 reicht von den Schwächen bisheriger Oberflächenreinigung über die Definition der Reinheit bis zur Trennung der Bindungen zwischen Oberfläche und Partikeln.

 

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 4
  • Jahr: 2022
  • Autoren: Jürgen Hannemann, IBH Ingenieurbüro Hannemann, Wartenburg

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