CO2-Schneestrahlreinigung von Sensoren für funktionskritische Automobilanwendungen

Oberflächen 09. 04. 2013
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Sensoren, die in Fahrzeugen Drücke überwachen, sind funktionskritisch. Entsprechend hoch sind die Sauberkeitsanforderungen. Um die Vorgabe kein Partikel größer 200 µm prozesssicher zu erfüllen, investierte ein weltweit führender Sensorhersteller in ein 

CO2-Schneestrahlreinigungssystem von acp mit vollautomatischem Teilehandling.

Mit einer breiten Palette innovativer, kundenspezifischer Sensoren und Kontrollgrup­pen für funktionskritische Anwendungen zählt die Sensata Technologies Holding N. V. im niederländischen Almelo zu den führenden Unternehmen in diesem Bereich. Die Produkte kommen in Automobilen, Flugzeugen und Elektromotoren zum Einsatz. Im Pkw überwachen Mittel- und Hochdrucksensoren unter anderem Drücke im Common-Rail-, Kraftstoff- und Ölsystem sowie im Antriebsstrang. Die Sensoren sind hinter den jeweiligen Filtersystemen montiert und erfüllen funktionsentscheidende Aufgaben. Von Automobilherstellern und Tier-1-Zulieferern, speziell aus dem europäischen Raum, hat das Unternehmen die Vorgabe erhalten, dass die Sensoren keine Partikel größer 200 µm aufweisen dürfen. Betroffen davon ist laut Sander Slaa, Prozessingenieur Sensor-Produkte Europa bei der Sensata Technologies Holland N. V., neben den neuen Generationen der Hochdrucksensoren für Common-Rail-Applikationen und der Mitteldrucksensoren für Anwendungen im Kraftstoff-, Öl- und Antriebssystem die laufende Produktion am Standort Malaysia. Dieser Sauberkeitswert ließ sich nach seinen Worten mit der bisher eingesetzten Wasserstrahlreinigung jedoch nicht erreichen.

Der gut fokussierbare CO2-Strahl entfernt filmische und partikuläre Verunreinigungen von den Sensoren

Schnee zur Verbesserung der Teilesauberkeit

Da die CO2-Schneestrahltechnik in einem Unternehmensbereich in Mexiko für die Reinigung keramischer Oberflächen im Einsatz ist, sahen Sander Slaa und Dennis Giesen, Produktmanager Sensor-Produkte Europa, darin einen Ansatz zur Verbesserung der Sauberkeit in der Sensorproduktion. Nach einer Internetrecherche kontaktierten sie verschiedene Hersteller von Schneestrahl- und Trockeneisreinigungssystemen. Die Leistungsfähigkeit des CO2-Schneestrahlsystems der acp hat die Beiden überzeugt. Außerdem verfügt dieses Unternehmen bereits über Erfahrung in der Automobilindustrie und ist in Europa ansässig, was die Prozessentwicklung für Sensor-Produkte Europa vereinfachte, erklärt Dennis Giesen.

Das gute Reinigungsvermögen des Verfahrens der acp GmbH, einem Unternehmen der ACI-Group, basiert auf der patentierten­ Überschall-Zweistoffringdüse. Durch die Düse wird flüssiges Kohlenstoffdioxid geleitet, das beim Austritt zu einem Schnee/Gas-Gemisch entspannt. Diesem Kernstrahl wird Druckluft als Mantelstrahl zugeführt, der die CO2-Schneekristalle auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Der ungiftige und nicht brennbare Kohlenstoffdioxidschnee entfernt durch die Kombination mechanischer, chemischer sowie thermischer Eigenschaften feste und filmische Verunreinigungen trocken und rückstandsfrei. Trifft der gut fokussierbare Strahl auf die zu reinigende Oberfläche verflüssigen sich die Schneekristalle und sublimieren nach dem Aufprall. Der dabei entstehende Sublima-
tionsimpuls löst die anhaftenden Metall- und Kunststoffpartikel ab. Die geringe Härte der winzigen Schneekristalle gewährleistet die schonende und gleichzeitig reproduzier­bare Reinigung der empfindlichen und teilweise sehr filigranen Sensoroberflächen.

Zur Reinigung entnimmt der Greifmechanismus jeweils zwei Sensoren aus den Trays

Prozessentwicklung unter Reinraumbedingungen

Zur optimalen Anpassung des Verfahrens an die Anforderungen von Sensata erfolgten zunächst Versuche im Technikum von acp in einer normalen Umgebung. Um umgebungsbedingte Einflüsse weiter zu mini­mieren, regte der Anlagenhersteller an, zusätzliche Tests mit der Abteilung Reinst- und Mikroproduktion am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart durchzuführen. Dafür wurde dort ein Schneestrahlsystem der acp aufgestellt. Am IPA stand laut Sander Slaa einerseits eine Reinraumumgebung zur Verfügung, die eine umgebungsbedingte Verschmutzung der Sensoren während und nach der Reinigung verhindert. Andererseits konnten dort die Sauberkeitskontrollen entsprechend der VDA 19 beziehungsweise ISO 16232 durchgeführt werden. Sie belegten, dass die geforderte Sauberkeit reproduzierbar erzielt wird, wie Sander Slaa erläutert.

Eine weitere Vorgabe von Sensata war, dass die Teile nach der Reinigung nicht mehr manuell gehandhabt werden dürfen. Wie Dennis Giesen erklärt, werden die Sensoren nach der Endinspektion gereinigt und anschließend verpackt. Aus dem bisherigen Reinigungsprozess für die Hochdrucksensoren ist bekannt, dass manuelle Eingriffe zwischen der Reinigung und Verpackung das Risiko einer Rekontamionation beinhalten und daher großen Einfluss auf die Teilesauberkeit haben.

Nach der Reinigung werden die Sensoren in speziellen Reinteiltrays, die über ein zweites Schubladensystem zugeführt werden, abgelegt

Anlagenkonzept mit vollautomatischem Teilehandling

Um diese Anforderungen umzusetzen, entwickelten acp und das ebenfalls zur ACI-Group gehörende Automatisierungsunternehmen ACI ecoTec ein maßgeschneidertes Anlagenkonzept. Es basiert auf einem nur etwa 3 m x 1,5 m (L x B) großen Standard­modul, in das der CO2-Schneestrahlprozess integriert ist. Die hermetisch geschlossene Reinigungszelle steht bei Sensata Malaysia in einem Sauberraum und verfügt über eine Filter-Fan-Unit für die Reinluftversorgung. Ausgestattet ist das Modul auch mit einer Medienaufbereitung für das flüssige Kohlenstoffdioxid und die Druckluft. Die kompakte Plug-and-Play-Lösung bietet zudem den Vorteil, dass die Pneumatik- und Elektroschaltschränke vollständig integriert sind.

Der CO2-Schneestrahlprozess ist in ein ca. 3 x 1,5 m (L x B) großes Standardmodul integriert, das über eine Filter-Fan-Unit für die Reinluftversorgung und eine­ Medienaufbereitung für das flüssige Kohlendioxid und die Druckluft verfügt

Die Beschickung der Anlage erfolgt durch eine nach dem Poka Yoke-Prinzip gestaltete Schubladeneinheit mit konsequenter­ Trennung nicht gereinigter und sauberer Werkstücke. In die Schubladen werden Trays eingestellt, in denen sich schmutzige Sensoren in einer definierten Position befinden. Sobald die jeweilige Schublade in Position ist, entnimmt eine an einer Linear­einheit platzierte, ACI ecoTec-spezifische Aufnahme zwei Sensoren und transportiert diese in die Reinigungseinheit, wo sie von einem speziellen Greifmechanismus übernommen werden. Anschließend strahlen jeweils zwei Düsen in einem definierten Winkel auf die Sensoren, die sich während des Reinigungsprozesses drehen.

Um sicherzustellen, dass eine optimale Reinigungswirkung erzielt wird, überwacht ein inline positionierter Sensor den CO2-Schneestrahl kontinuierlich. Abgereinigte Partikel werden sofort gezielt über ein Abluftmodul aus der Reinigungszelle entfernt. Nach der Reinigung übergibt der Greifmechanismus die Sensoren wieder an die Linearaufnahme. Dabei wird strikt zwischen Schmutzig- und Sauberteilen getrennt, um eine Rekontamination nach der Reinigung auszuschließen. Die Sensoren werden in speziellen, über ein zweites Schubladensystem zugeführte, Reinteiletrays abgelegt. Dieser Prozess dauert rund zehn Sekunden, so dass eine Taktzeit von nur fünf Sekunden pro Sensor erreicht wird.

Nach Ansicht von Dennis Giesen und Sander Slaa ist acp eines von sehr wenigen Unternehmen weltweit, das eine solche Aufgabe lösen kann. Dafür spricht auch, dass Sensata mit acp und ACI ecoTec bereits an weiteren Projekten arbeitet

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