Das Reinigen in der industriellen Fertigung findet zunehmend Aufmerksamkeit in der Produktionsplanung, da der Effekt der Wertschöpfung der Reinigung auch zwischen den einzelnen Fertigungsschritten erkannt wird. Die Zusammensetzung des wässrigen Reinigungsmediums aus Grundreiniger und Reinigungsverstärker richtet sich nach den zu entfernenden Verschmutzungen, nach dem zu behandelnden Werkstoff sowie nach dem Reinigungsverfahren. Die Reinigungswirkung wird zudem durch die Applikation – Tauchen/Ultraschall, Spritzen – und weitere Behandlungsparameter wie die Temperatur bestimmt. Dadurch lassen sich die Reinigungsqualität und Reinigungsdauer deutlich beeinflussen.
Aqueous Industrial Parts Cleaning
The role of cleaning in manufacturing is of growing importance, not least in production planning where its “value-added” significance, is increasingly appreciated, not least between individual process stages. The composition of an aqueous cleaner which includes basic cleaning agents and cleaning enhancement substances depends on various factors. These include the nature of the soil to be removed from the work, the material of construction of the component to be cleaned and lastly, the cleaning process itself. The actual cleaning process can be carried out by immersion, use of ultrasound, spraying with other parameters such as temperature also being considered. These parameters can significantly affect the quality of the cleaning operation and the time required for this.
Aufgrund stetig steigender Anforderungen an die Sauberkeit von Oberflächen wird in vielen Bereichen der Industrie der Bauteilreinigung eine immer höhere Bedeutung beigemessen. Auch wenn der Prozessschritt Reinigung oft nicht als Teil der Wertschöpfungskette betrachtet wird, ist doch die Güte der nachfolgenden Bearbeitungsschritte sehr oft maßgeblich dadurch beeinflusst.
1 Herausforderungen
Aufgabe der Reinigung beziehungweise Vorbehandlung ist die Erzielung einer konstant hohen Produktqualität und die Vermeidung von Reklamationen aufgrund unzureichender Reinigungsergebnisse. Selbstverständlich muss dabei stets die Wirtschaftlichkeit des Prozesses berücksichtigt werden. Das zu behandelnde Materialspektrum umfasst Stähle, Edelstähle und Eisenwerkstoffe, aber auch Aluminium, Buntmetalle (Messing, Kupfer, Bronze), Kunststoffe, Glas und keramische Werkstoffe sowie Verbundwerkstoffe aller vorher genannten Materialien.
Die zu entfernenden Kontaminationen werden grob in organische, anorganische und partikuläre Verunreinigungen unterteilt. Zu den organischen Verunreinigungen zählen Öle, Fette und Emulsionen. Anorganische Verunreinigungen können Oxide (Rost) und Salze sein. Partikuläre Verunreinigungen sind in erster Linie Späne, Festkörper aus Schleif- und Polierpasten, aber auch Fasern und Staubpartikel.
Ein Großteil der Kontaminationen entsteht bei der Fertigung und der mechanischen Bearbeitung der Bauteile und der dabei verwendeten Öle und Emulsionen, welche nach der Bearbeitung auf der Oberfläche zurückbleiben. Auch beim Handling, Prüfen, der Montage, Lagerung und dem Transport können Kontaminationen auftreten. Von Seiten der Konstruktion sollte bereits bei der Entwicklung der Bauteile berücksichtigt werden, ob komplexe Geometrien wie Hinterschneidungen, Sacklochbohrungen und ähnliches gegebenenfalls vermeidbar sind und somit für den Reinigungsprozess kritische Bereiche verhindert werden können (Abb. 1).
Abb. 1: Einflüsse aus dem Fertigungsprozess auf die Reinheit von Bauteilen
Um ein optimales Reinigungsergebnis zu erzielen, müssen das Reinigungsverfahren, die Arbeitstemperatur, die Behandlungszeit und die Reinigungschemie optimal aufeinander angepasst werden. Speziell bei bestehenden Reinigungsanlagen verbleibt oft nur das Reinigungsmedium als letzter frei wählbarer Parameter.
2 Aufbau von Reinigungsmedien
Wässrige Reinigungssysteme haben in der Regel einen einheitlichen Aufbau: Sie bestehen aus einer Builder- (Grundreiniger) und einer Tensidkomponente (Reinigungsverstärker). Zu den gebräuchlichsten anorganischen Buildern zählen Kalium- und Natriumhydroxid, Phosphate, Borate und Silikate. Als organische Builder, welche hauptsächlich in salzfreien Produkten verwendet werden, finden zum Beispiel Amine und Fettsäureaddukte ihre Anwendung. Als Reinigungsverstärker werden vorwiegend nichtionische Tenside eingesetzt. Anionische Tenside werden als Emulgatoren und für emulgierend eingestellte Tauchtenside verwendet. Vertreter der Klasse der kationischen Tenside kommen zum Beispiel als Demulgatoren zum Einsatz.
Die Anwendung der Produktkonzentrate erfolgt in wässriger Verdünnung (je nach Additiv zwischen 0,1 % bis 10 %) und die Reinigungswirkung beruht auf chemischen und physikalischen Effekten wie Emulgieren und Demulgieren von Ölen und Fetten, Verseifen von pflanzlichen und tierischen Ölen und Fetten und Dispergieren von Partikelverunreinigungen. Erst durch das Zusammenwirken von Builder- und Tensidkomponente ist ein optimales Reinigungsergebnis bei kurzer Behandlungszeit erzielbar (Builder-Tensid-Synergismus). Tenside diffundieren aus der wässrigen Phase in die Öl-Wasser-Grenzschicht und schieben durch den von ihnen ausgehenden Spreitungsdruck die mehr oder weniger gleichmäßige Ölschicht zusammen bis Tropfen entstehen, die nur noch lose an der Oberfläche haften und leicht abgeschwemmt werden können. Im Öl gelöste und dispergierte Verunreinigungen werden mit den abrollenden Öltröpfchen ebenfalls entfernt (Abb. 2).
Abb. 2: Wirkungsweise von Bestandteilen des Reinigungsmediums auf Verunreinigungen
Im Folgeschritt werden die verbliebene, dünne Ölschicht durch eine Verdrängungsreaktion von Tensiden und Buildersubstanzen entfernt und Pigmente dispergiert. Die durch Adsorptions-Desorptions-Mechanismen bestimmten, bis zur Einstellung des Gleichgewichtszustands langsam verlaufenden Vorgänge, werden durch den Einsatz anorganischer Buildersubstanzen stark beschleunigt. Als Ergebnis der beiden Reinigungsschritte liegt nun eine hydrophile Metalloberfläche vor, die durch weitere Inhaltsstoffe des Reinigers aktiviert beziehungsweise passiviert werden kann.
Emulgierende Reiniger zeichnen sich durch ein hohes Ölaufnahmevermögen aus und kommen bei Anlagen ohne Ölabscheider zur Anwendung, häufig zum Beispiel als Abkochentfettung in galvanischen Vorbehandlungen. Allerdings weisen diese Systeme geringere Standzeiten im Vergleich zu demulgierenden Systemen auf. Bei demulgierenden Systemen schwimmen die von der Oberfläche entfernten Öle an der Oberfläche des Reinigungsmediums auf und können mit geeigneten Pflegemaßnahmen leicht entfernt werden. Dadurch bleibt der Ölgehalt in der Reinigungslösung konstant niedrig, die Reinigungsleistung der Lösung konstant hoch und ermöglicht so eine deutlich längere Standzeit (Abb. 3).
Abb. 3: Wirkung des demulgierenden (obere Bildreihe) und emulgierenden (untere Bildreihe) Systems, gezeigt an Testöl auf einer Glasplatte und in einem Reinigungssystem bei 60 °C
Einkomponentensysteme, also Produkte, welche sowohl Builder- als auch Tensid-komponenten in einem einzigen Konzentrat beinhalten, sind hinsichtlich der Nachdosierung recht einfach im Handling. Wird aber eine der beiden Komponenten schneller verbraucht als die andere, ein Effekt der beispielsweise häufig bei hohem Öleintrag auftritt, ist es mit einem Einkomponentensystem nicht mehr möglich, Builder und Tensid jeweils optimal einzustellen. Abhilfe schafft die Verwendung von so genannten Zweikomponentensystemen, bei denen Builder und Tensid als zwei separate Additive vorliegen und unabhängig voneinander im richtigen Verhältnis und verbrauchsabhängig dosierbar sind. Dadurch kann das Builder-Tensid-Verhältnis über einen langen Zeitraum auf gleichem Level gehalten und eine konstant gute Reinigungsleistung gewährt werden. Auch eine Aufsalzung von Reinigungs- und Spülmedien und damit verbundene Fleckenbildung durch Überdosierung der Builderkomponente ist damit vermeidbar. Voraussetzung für den Einsatz ist eine separate Analysierbarkeit beider Komponenten.
3 Einfluss Werkstoff
Bei der Auswahl einer geeigneten Reinigungschemie hat neben der Anlagentechnik in erster Linie der zu reinigende Werkstoff großen Einfluss. Das Reinigungsmedium muss so ausgewählt werden, dass ein unbeabsichtigter Oberflächenangriff vermieden wird. Nachfolgeprozesse wie zum Beispiel Verkleben oder Lackieren müssen berücksichtigt werden. Es sollte vorab geklärt sein, ob seitens der vorliegenden Werkstoffe der Einsatz von Korrosionsschutzadditiven nötig ist. In der Regel können Verbundwerkstoffe oder verschiedene Materialien problemlos gemeinsam behandelt werden. Liegen aber Bauteile unterschiedlichster Werkstoffe mit extrem unterschiedlichen Anforderungen vor, ist eine separate Reinigung vorteilhaft beziehungsweise notwendig.
Werden für Stahl-, Eisenwerkstoffe und Magnesium Produkte im alkalischen bis hochalkalischen Bereich verwendet, kommen zur Reinigung von Aluminium und Buntmetallen üblicherweise Reiniger im sauren bis mildalkalischen Bereich zum Einsatz. Hier bilden silikathaltige, alkalische Systeme eine Ausnahme, da das Silikat als eine Art Inhibitor wirkt und einen Angriff auf das Grundmaterial verhindert. Bei Verbundwerkstoffen oder Materialmix müssen zur Reinigerauswahl alle beteiligten Werkstoffe berücksichtigt und ein Kompromiss gefunden werden, der Materialangriffe auf allen Werkstoffen verhindert, die verschiedenen Verunreinigungen beseitigt und, falls erforderlich, Korrosionsschutz beinhaltet.
4 Verfahren und Ausstattung
Bei der Reinigungsaufgabe sollte grob zwischen Systemen zur Zwischen- und zur Endreinigung unterschieden werden. Bei Zwischenreinigungen kommen in der Regel kleinere, günstigere und oftmals Spritzanlagen mit einfacher Technik zum Einsatz. Häufig weisen diese Anlagen verminderte Spültechnik und reduzierten Aufwand für die Aufbereitungen auf. Hier bieten sich üblicherweise salzfreie Produkte, so genannte Neutralreiniger, sowie einfache Einkomponentenreiniger an.
Spritztenside sind üblicherweise erst oberhalb ihres Trübungspunktes schaumfrei spritzbar. Dabei liegt der Trübungspunkt je nach Tensidart in der Regel zwischen Raumtemperatur und 50 °C. Die Reinigungsleistung des Tensids lässt oberhalb des Trübungspunktes mit steigender Temperatur nach. Tenside, welche oberhalb ihres Trübungspunktes betrieben werden, besitzen eine geringere Wiederfindungsrate bei der Aufbereitung mittels Mikro- oder Ultrafiltration, separieren in Ruhephasen relativ schnell an der Oberfläche des Reinigungsmediums und gehen beim Abskimmen gemeinsam mit dem abgetrennten Öl über einen Ölabscheider vermehrt verloren. Zur Vermeidung von nachlassender Reinigungswirkung und Schaumproblemen durch Abreicherung der Tensidkomponente ist eine regelmäßige Kontrolle der Konzentration und Nachdosierung erforderlich.
Bei End- und Fein- bis Feinstreinigungsaufgaben, bei der hohe Reinigungsqualitäten gefordert und exzellente Reinigungsleistungen erforderlich sind, finden Zweikomponentensysteme Anwendung. Durch die optimale Ergänzung der jeweils fehlenden Komponente (Builder oder Tensid), demulgierend eingestellten Reinigern und einer entsprechenden Anlagentechnik zur Aufbereitung des Reinigungsmittels können deutliche Standzeitverlängerungen der Reinigungsmedien und Spülen erzielt werden. Zu diesen Aufbereitungssystemen zählen, neben einfachen Beutel- und Kerzenfiltrationen, Ölabscheider, Absorptionsfilter, Mikro- und Ultrafiltrationseinheiten, Magnetabscheider, Verdampfer und Ionentauschersystemen gegebenenfalls mit vorgeschaltem Aktivkohlefilter, beispielsweise zur Spülbadaufbereitung.
Zu den gebräuchlichsten und weitest verbreiteten Anlagentypen gehören Durchlaufspritz-, Mehrkammer-Tauch- und Einkammer-Kompakt-Anlagen (Abb. 4 und 5).
Abb. 4: Beispiel für eine Mehrkammeranlage
Abb. 5: Beispiel für eine Einkammer-Kompakt-Anlage
5 Fazit
Die industrielle, wässrige Teilereinigung ist ein Prozess, der stets ganzheitlich zu betrachten ist. Vorgelagerte Fertigungsschritte und nachfolgende Prozesse sollten bekannt und unbedingt berücksichtigt werden. Es sollte darauf geachtet werden, dass Anlagentechnik und Reinigungschemie der zu erreichenden und gewünschten Oberflächenqualität gerecht werden, sowohl für einfache Zwischenreinigungs-, als auch für hoch anspruchsvolle End- und Feinreinigungsaufgaben.
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