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Dienstag, 14 Februar 2023 10:59

Trockendampf-Reinigung in der automatisierten Fertigung – Teil 12 – Zusammenfassung der Versuchsergebnisse

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Geschätzte Lesezeit: 5 - 9 Minuten
Trockendampf-Reinigung in der automatisierten Fertigung – Teil 12 – Zusammenfassung der Versuchsergebnisse Bild von StockSnap auf Pixabay

Die Möglichkeiten der elektrogalvanischen Trockendampf-Reinigung, in der Reinigungsserie auch als HD-Dampfreinigung bezeichnet, sind in den Artikeln eingehend untersucht worden. In dieser letzten Folge der Serie wird Bilanz gezogen. Was kann das Reinigungsverfahren, wo sind weitere technische Applikationen erforderlich, um das gewünschte Reinigungsergebnis zu erzielen, und welche Praxisbeispiele gibt es?

Reinigungsergebnisse mit galvanischem HD-Dampf

Die Abbildung 1 zeigt die Hinweise zur Auslegung einer Reinigungsanlage unter Verwendung der galvanischen HD-Dampfreinigung. Der Reinigungsprozess arbeitet immer im geschlossenen Medienkreislauf, d. h. minimaler Frischwasserbedarf und geringer Elektronergieverbrauch. Die Tandem-Venturidüse als HD-Düse wird als galvanische Düse mit bis zu 3 Volt elektrisch geladen. Wenn möglich erfolgt zusätzlich die Ladung des Bauteiles mit bis zu 3 Volt.

Abb 1: Entwurf zur Auslegung einer Reinigungsanlage unter Verwendung (alle Abbildungen IBH)Abb 1: Entwurf zur Auslegung einer Reinigungsanlage unter Verwendung (alle Abbildungen IBH)

Die galvanische HD-Dampfreinigung ist für die Entfernung von Ölfilmen und Fettfilmen bis zu einer vom Material der Verschmutzung abhängigen Struktur und Schichtdicke geeignet. Fette sind als dünne Filme zu entfernen. Ohne Hilfsmittel sichtbare „Fettschichten“, z. B. fettgeschmierte Kugellager, sind mit dieser Technologie nicht zu reinigen, da der Abtransport der gelösten Fettpartikel nicht ausreichend erfolgen kann. Hier müssen zusätzlich mechanische Luftströmungen in das Verfahren integriert werden. Der gelöste Schmutz muss zielsicher abgesaugt und aufbereitet werden.

Mechanische Späne können bis zu einem bestimmten Eigengewicht und einer dazu angemessenen Anströmfläche entfernt werden. Die Haftung auf der Bauteiloberfläche wird in jedem Fall gelöst, der Abtransport erfordert ausgewählte, zusätzliche mechanische Strömungssysteme.

In allen möglichen Anwendungen sind die Badpflege, die Aufbereitung des Wassers und die mechanische Abscheidung der Festpartikel in Filtern möglich. Die Abscheidefilter sollten mindestens eine Filterfeinheit kleiner 50 µm haben. Die Trennung der gelösten Schmutzpartikel wie Öle und Fette sowie Ziehseifen erfolgt im Dampferzeuger. Das regelmäßige Entschlammen trennt den Schmutz vom Siedewasser. Der HD-Reinigungsdampf ist nur mit Fremdpartikeln verunreinigt, die mit dem Dampf aus dem Siedewasser nach mehreren Reflexionen den Dampferzeuger verlassen können. Das Vorlagewasser wird durch einen Absolutfilter der Fa. Eaton Typ Hyflow Filterfeinheit 1 µm mit 11 bar Pumpendruck gepresst. Zur Verringerung des mechanischen Schmutzeintrages bei Nachbefüllung des Dampferzeugers wird in das Filtergehäuse eine Glasmembrane (Partikelweite absolut 40 µm) zusätzlich montiert. Das Vorlagewasser sollte eine Badtemperatur zwischen 70 und 80 °C haben. Die Wasserhärte ist immer geringer als 5 °d(H). Es wird immer leicht bis stark sauer sein.

Die Auslegung der Leistung des Dampferzeugers sollte nach der effektiven HD-Dampf- Düsenlänge erfolgen. Die Düsenschlitzbreite sollte immer bei 0,4 bis 0,5 µm liegen. Somit kann bei einer Düsenlänge, Länge der Schlitz-Abwicklung bei Runddüsen, bis zu 180mm mit einer Dampferzeugerleistung von 7 bis 14 kW gerechnet werden. Je nach Isolationsqualität und Wärmerückgewinnung. Die elektrische Heizung sollte mit Mantelheizbändern erfolgen. Diese werden einzeln verdrahtet und einzeln angesteuert. Die Heizbänder werden immer im Dauerbetrieb gefahren und stufenweise geschaltet. Die Baugröße des Dampferzeugers kann bei Bedarf stufenweise vergrößert werden. Für die Fertigung sicherer sind bei Bedarf mehrere Dampferzeuger kleiner Bauart. Im Störfall sind damit flexible Lösungen möglich.

Der Ringspalt zwischen zu reinigender Oberfläche und Austrittsöffnung der Venturidüse bzw. lichter Durchmesser der Düse sollte zwischen 1 bis 5 mm breit sein. Die Kontur der Bauteilfläche muss der lichten Düsenkontur angeglichen werden. Es sind aber auch ausreichende Ergebnisse bei runder Düsenkontur und abgerundeten quadratförmigen Kastenprofilen möglich.

Ebene Bauteilflächen müssen mit versetzten Flachdüsen, wie beim Schneepflügen auf der Autobahn, gereinigt werden. Grenze der Leistung ist die sich bildende Schmutzwelle. Diese muss durch ausreichende mechanische Energie, wie Druckluft oder Wasserstrahl, von der Bauteilfläche befördert werden.

Wesentlich für die Funktion sind die HD-Dampfdüsen. Diese werden nach einem Berechnungsschema konstruiert. Die Verhältnisse der Längenmaße stehen fest und können durch Zoom-Funktion auf die Baugröße variiert werden. Der Dampferzeuger wird immer auf 210 °C und 10 bar Druck ausgelegt. Eine Zusatzheizung mit 2 kW für die Überhitzung des Dampfes an der Werkzeugdüse ist erforderlich.

Die Schwadenabsaugung benötigt einen Unterdruck von 50 bis 200 mbar bei 8 m Sauglänge. Die HD-Dampfleitung als Versorgungsleitung zu den Werkzeugdüsen ist eine gedrosselte offene Ringleitung, die immer trockenen, wasserfreien Dampf bereitstellt. Die Ringleitung liegt innerhalb der Schwadenrohrleitung, um diese zu beheizen. Die Schwadenrohrleitung ist thermisch isoliert. Die Temperatur der Außenwandung sollte niedriger als 50 °C sein.

Die Sauberkeit der gereinigten Bauteiloberflächen liegt bei bis zu < 200 µm metallischer Partikellänge bei einer Breite von bis zu < 40 µm und einer Dicke von bis zu < 30 µm.

Dimensionierung der HD-Dampf-Ringleitung:

  • lichter Querschnitt 5 mm Durchmesser, bis 500 mbar Unterdruck formstabil
  • temperaturbeständiger Kunststoff bis 240 °C
  • keine Wasseraufnahme
  • keine Partikelabsonderung
  • für pH < 5.

Die Öffnung der Ringleitung endet vor dem Einlauf in den Sammeltank der Schwadenkondensation mit einer Vollstrahldüse mit einem Bohrungsdurchmesser von 0,6 mm als Injektordüse ausgeführt, um den Unterdruck zu verstärken.

Die Hallenluft muss bei Bedarf gefiltert der Reinigungskammer zugeleitet werden, Lufttemperatur 200 bis 400 °C stufenlos mit einem Druck von ca. 50 mbar Überdruck.

Bei massivem Schmutzanfall ist die Installation einer Wasserdüse erforderlich. Diese spült den von der Bauteilfläche entfernten Schmutz in den Sammeltank und hält den Düsenbereich frei von Schmutzpartikeln.

Die galvanische Spannung an der HD-Dampfdüse und/oder am Bauteil beträgt 2,5 bis 3 Volt Gleichspannung bei einem Strom kleiner 0,2 A.

In der Praxis laufen folgende Reinigungsanlagen:

  • 4 Reinigungsanlagen mit Ringdüsen von 40 mm und 80 mm lichtem Durchmesser für geschlossene V2A-Rechteckprofile für Wärmetauscher, Außenreinigung
  • 1 Reinigungsanlage für Fensterabstandshalter, geschlossenes Rechteckprofil mit Perforation aus Aluminium profiliert
  • 1 Reinigungsanlage für Metallmarkisen, Stäbe aus V2A Rechteckprofil profiliert
  • 1 Reinigungsanlage für gesägte Rohre im Zuschnitt aus V2A
  • 1 Reinigungsanlage in der Endfarbgebung zum Entfernen lokaler Verölungen oder öligen Schmutzspuren vor der Endfarbgebung, Arbeit in der Lackierhalle
  • 1 Versuchsreinigungsanlage für Drahtreinigung von gezogenen Schweißdrähten
  • 1 Reinigungsanlage für Wärmetauscherrohre aus V2A, Durchmesser 20, Gewinde gewalzt direkt nach dem Walzen, außen und innen

Auf Nachfrage können Aussagen zu den konkreten Fertigungsprozessen gegeben werden. Die Prüfunterlagen sind alle betriebsinterne Unterlagen. Die Einsicht ist auf Nachfrage möglich.

Für die Nutzung der galvanischen HD-Dampf-Technologie wird in Abbildung 2 ein Schema zur möglichen Auswahl dieses Verfahren als Reinigungstechnologie beschrieben.

Abb 2: Auswahl des HD-DampfreinigungsverfahrensAbb 2: Auswahl des HD-Dampfreinigungsverfahrens

Je nach Art und Schichtdicke der Verschmutzung wird das Reinigungsergebnis pro Reinigungszyklus ausfallen. Massive Schichten sollten vor der HD-Dampfreinigung wässrig alkalisch vorgereinigt werden, das Flutinjektionsspülen ist dabei sehr wirkungsvoll.

Der Lösungsweg wird in Abbildung 3 aufgezeigt. Der Reinigungsprozess ist die Folge technologischer Abläufe, die Schritt für Schritt das Reinigungsergebnis bestimmen. Die Prüfungen für den folgenden Schritt sind unbedingt auszuführen, da sonst die Ausgangsparameter für den Folgeschritt nicht vorliegen.

Abb. 3: Entwurf der Bauteilreinigung nach IBH-TechnologieAbb. 3: Entwurf der Bauteilreinigung nach IBH-Technologie

In Abbildung 3 sind alle Schritte für die Bauteilreinigung auf der Basis der Ergebnisse dieser Arbeit gelistet. Die Dimensionierung der Anlage, speziell der Werkzeuge, in der Regel spezielle Düsensysteme, erfolgt nach einem Auswahlsystem, das Abbildung 4 zeigt.

Die Püfungen der Teilreinigungsergebnisse müssen automatisiert werden, damit gleichbleibende Ergebnisse erreicht werden. Die Prüfergebnisse werden in der Steuerung archiviert, d. h. der Bauteilnummer zugeordnet. Auftretende Fehler werden eindeutig abrufbar ausgewiesen.

Abb. 4: Auslegung und Dimensionierung der Werkzeuge der HD-Dampf-IBH-TechnologieAbb. 4: Auslegung und Dimensionierung der Werkzeuge der HD-Dampf-IBH-Technologie

Der Prozess des HD-Dampfspülens wird zur Erreichung der Endreinigungsqualität genutzt. Die Bauteiloberfläche ist rein und trocken. Chemische Filme auf der Bauteiloberfläche gibt es nicht (Abb. 5).

Wie in Abbildung 3 gezeigt, wird bei Bedarf die Passivierung im Reinigungsablauf eingefügt. Mit diesem Schritt ist eine eindeutige, reproduzierbare Filmbildung auf der Bauteilfläche gegeben.

Abb. 5: Entwurf der Bauteilreinigung mit der  HD-Dampf-IBH-TechnologieAbb. 5: Entwurf der Bauteilreinigung mit der HD-Dampf-IBH-Technologie

In Abbildung 6 wird die Übersicht zur Auswahl möglicher Technologien und deren Werzeuge/Düsen aufgezeigt. Die Auslegung des Dampferzeugers und des Überhitzersystems sowie der Kondensation der Schwaden und deren Aufbereitung im Wasserkreislauf der Anlage kann nach Anfrage erfolgen.

Abb. 6: Entwurf der Bauteilspülung mit der  HD-Dampf-IBH-TechnologieAbb. 6: Entwurf der Bauteilspülung mit der HD-Dampf-IBH-Technologie

Die Venturidüsen werden in Auswertung dieser Arbeit nach einem Berechnungsschema dimensioniert. Auf Nachfrage kann hier weitere Information erfolgen.

Die Parameter für die Absaugung und für die Heizung werden ebenso in Auswertung dieser Arbeit in einem Berechnungsschema dimensioniert. Auf Nachfrage kann hier Hilfestellung gegeben werden.

Ausblick

Ausgehend von der Zielstellung dieser Arbeit wird mit den Ergebnissen die Optimierung in Funktion befindlicher Anlagen sowie der Neubau von Reinigungsanlagen in einer neuartigen Qualität möglich. Ausgeführte Lösungen zeigen, dass Energieeinsparungen und Medieneinsparungen möglich werden.

In Auswertung dieser Arbeit laufen Untersuchungen zum automatisierten Entgraten von Schnittkanten in Steuerblöcken. Bisher wird hier mit Sandstrahlblasen und Wasserstrahl-Hochdruckanlagen gearbeitet. In Kombination mit der HD-Dampfreinigung kann die Saugstrahl-Entgratung genutzt werden. Hier werden Energieeinsparungen von jetzt 40 bis 110 kW Pumpenleistung auf künftig weniger als 30 kW elektrischer Leistung bei optimierten Ergebnissen möglich. Die Medienkreisläufe sind geschlossen und damit wesentlich kleiner im Volumen der Medien. Die kontinuierliche Aufbereitung der Medien und der geschlossene Wärmekreislauf sind Basis für neuartige Reinigungsanlagen.

Die Anwendung von chemischen Zusätzen, wie wässrigen Reinigern kann stark zurückgehen, oder aber sogar entfallen. Die gereinigte Bauteiloberfläche nach einer HDDampfreinigung endet immer mit einer Bauteiloberfläche ohne Filmauflage von Restpartikeln aus der Reinigung. Somit kann die Versiegelung der gereinigten Bauteiloberfläche nach Bedarf zielsicher erfolgen.

Der entwickelte Dampferzeuger ermöglicht die stufenweise Auslegung der Heizung. Somit ist mit den Ergebnissen dieser Arbeit ein Baukastensystem für Reinigungsanlagen möglich. Nur durch Variation der Anzahl und der Größe der Werkzeuge können Bauteilflächen unterschiedlicher Größe und Form gereinigt werden.

In Abbildung 3 wird auf die Qualitätsprüfung der Reinigung hingewiesen. Hierzu läuft ein Forschungsthema mit dem Ziel, die Werkzeuge Roboter-gestützt zu führen und die optische Kontrolle per Kamera als Restschmutzanalyse an jedem Bauteil zerstörungsfrei, eingebunden im automatischen Reinigungsprozess, auszuführen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen neue Wege in der Oberflächenreinigung von Bauteilen.

Prüfergebnisse aktueller Reinigungsanlagen mit der HD-Dampf-Technologie und mit der nasschemischen Reinigung von Bauteilen aus der gleichen Serienfertigung – ABS-Servosteuerblöcke aus Aluminium – haben durch die Längen und die Anzahl der gefundenen metallischen Partikel auf den Prüffiltern gezeigt, dass die HD-DampfTechnologie die Bauteile sauberer reinigt – mit weniger Medienaufwand und geringerem Energieverbrauch – als die nass-chemische Reinigung.

HD-Dampf-Parameter:

7 kWh für den Dampferzeuger + 2 kWh für die Überhitzung; < 3 Liter/h Frischwasser
Nass-chemische Reinigung – Parameter:
30 kWh für Heizung und Pumpen + chem. Reinigerzusatz; > 50 Liter/h Frischwasser

Literatur

TRW – Prüfunterlagen, Oktober 2014, auf Nachfrage zur Einsicht

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 2
  • Jahr: 2023
  • Autoren: Jürgen Hannemann

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