Partielle Bauteilreinigung – qualitätsgerecht, effizient und automatisiert

Oberflächen 24. 09. 2018
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Die Füge- und Verbindungstechnik benötigt ebenso wie das optische Vermessen und das partielle Beschichten sehr saubere Bauteilbereiche. Um die erforderliche Sauberkeit qualitätsgerecht, reproduzierbar und wirtschaftlich zu erzielen, bietet die ­Industrie verschiedene Lösungen für die selektive Bauteilreinigung. Die Verfahren lassen sich in eine Inline-Fertigung integrieren.

Bei Fertigungsprozessen wie beispielsweise dem Kleben, Dichten, Schweißen und Bonden sowie dem partiellen Beschichten hat die Sauberkeit der Funktionsflächen entscheidenden Einfluss auf die Haftfestigkeit, Langzeitstabilität und Qualität der Verbindung beziehungsweise Beschichtung. Ebenso stellen Verfahren für die optische Kontrolle/Vermessung von Werkstücken sehr hohe Anforderungen an die Sauberkeit der relevanten Bauteiloberflächen. Die Funktionsflächen müssen dabei einen deutlich höheren Sauberkeitsgrad aufweisen als der Rest des Werkstücks. Um dieses Ziel mit der klassischen nasschemischen Reinigung zu erreichen, ist meist ein extrem hoher Aufwand erforderlich – falls dies überhaupt möglich ist.

Die partielle Bauteilreinigung mit trockenen Verfahren wie der Atmosphärendruckplasma-, CO2-Schneestrahl- und Laserreinigung bietet hier einen Ansatz, um Kosten und Zeit einzusparen sowie die Qualität zu optimieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass die bedarfsgerecht saubere Oberfläche just-in-time zur Verfügung gestellt werden kann. Maßnahmen für deren Erhalt nach der Reinigung und beim Transport entfallen. Und nicht zuletzt lassen sich alle drei Verfahren einfach in eine bestehende Inline-Fertigung sowie über­geordnete Steuerungssysteme integrieren.

Atmosphärendruckplasma – ­Reinigen und Aktivieren in einem Schritt

Plasma (auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet) entsteht, wenn einem Gas durch elektrische Entladung Energie zugeführt wird. Das Gas wird ionisiert – die Teilchen ­bewegen sich so schnell, dass sich weitere Ladungsträger (Elektronen) aus den Atomen und Molekülen lösen – ein elektrisch leitfähiges Plasma entsteht.

Um diese aktiven Gasteilchen industriell für die Reinigung, Aktivierung und Beschichtung von Bauteiloberflächen zu nutzen, erfolgt die Entladung bei einem inlinefähigen Atmosphärendruckplasma unter Normaldruck oft mit Düsensystemen. Diese werden meist mit Luft oder einem auf die Anwendung abgestimmten Prozessgas und Hochspannung betrieben. Der Transport der reaktiven Spe­zies auf die zu bearbeitende Oberfläche erfolgt durch die Gasströmung. Mit atmosphärischen Plasmen lassen sich vor allem dünne organische Kontaminationen wie Fette, Öle und Trennmittel entfernen. Die Abreinigung anorganischer Verunreinigungen ist nicht oder nur sehr begrenzt möglich. Plasmen können unter anderem für Bauteile aus Kunststoffen, Metallen, Glas, Verbundwerkstoffen, Recyclingmaterialien und Textilen eingesetzt werden.

Das Atmosphärendruckplasma sorgt hier für langzeitstabile Klebungen. Ein nasschemischer Korrosionsschutz wird durch eine Plasmabeschichtung ersetzt (Bildquelle: Fraunhofer IFAM)

 

Während der Plasmabehandlung wird die Oberfläche gleichzeitig gereinigt und aktiviert. Diese Doppelfunktion beruht auf einer physikalischen und chemischen Reaktion des Verfahrens: Reaktive Spezies wie beispielsweise Sauerstoffradikale sind in der Lage, organische Kontaminationen in einer kalten Verbrennung zu entfernen und mit der Oberfläche eine chemische Bindung einzugehen. Dies führt zu einer Erhöhung der Oberflächen­energie und damit zu optimalen Voraussetzungen für beispielsweise nachfolgende Verklebungen, Beschichtungen, Bond- und Lötprozesse sowie den Auftrag von Dichtungsmaterialien. Darüber hinaus lassen sich mittels Atmosphärendruckplasma Nanoschichten zum Beispiel zur Haftvermittlung, als Korrosionsschutz, zur elektrischen Isolation oder als permanente, hydrophobe Trennschicht abscheiden.

CO2-Schneestrahlreinigung – ­eiskalt zu partieller Sauberkeit

Ebenso wie die Plasmareinigung zählt das CO2-Schneestrahlen zu den umweltgerechten Verfahren. Das dafür eingesetzte ­flüssige Kohlenstoffdioxid (CO2) entsteht als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen oder der Energiegewinnung aus Biomasse. Es ist praktisch unbegrenzt haltbar und wird in Flaschen oder Tanks bereitgestellt.

Von den Bauteilen werden mittels der CO2-Schneestrahlreinigung partikuläre und filmische Rückstände lokal vor einer Beschichtung inlilne abgereinigt (Bildquelle: acp – advanced clean production GmbH)

 

Bei diesem Verfahren sind es vor allem zwei Varianten, die für die Inline-Reinigung eingesetzt werden. Die erste Variante arbeitet mit einer so genannten Agglomerationskammer, in der das flüssige Kohlenstoffdioxid einem Druckluftstrom zudosiert und die entstehenden Schneepartikel durch eine Strahldüse auf das zu bearbeitende Werkstück geleitet werden. Bei der zweiten Verfahrensvariante passiert das flüssige Kohlenstoffdioxid eine verschleißfreie Zweistoffringdüse und entspannt beim Austritt zu feinen Kristallen. Diese werden durch einen ringförmigen Druckluft-Mantelstrahl gebündelt und auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Dadurch ermöglicht die Technologie eine homogene Reinigungsleistung – auch bei großflächigeren Anwendungen mit mehreren Düsen.

Trifft der gut fokussierbare, minus 78,5 °C kalte Schneedruckluftstrahl auf die zu reinigende Oberfläche, kommt es zu einer Kombination aus thermischem, mechanischem, Sublimations- und Lösemitteleffekt. Durch diese vier Wirkmechanismen entfernt das Verfahren filmische Kontaminationen, beispielsweise Reste von Kühlschmiermitteln, Bearbeitungsölen, Polierpasten, Trennmitteln und Silikonen, sowie teilchenförmige Verunreinigungen wie Partikel, Staub und Abrieb zuverlässig und reproduzierbar. Da die Reinigung durch den nicht brennbaren, nicht korrosiven und ungiftigen Kohlenstoff­dioxidschnee materialschonend erfolgt, können auch empfindliche und fein strukturierte Oberflächen behandelt werden. Durch die aerodynamische Kraft des Strahls werden abgelöste Verunreinigungen weggeströmt und gemeinsam mit dem in den gasförmigen Zustand sublimierten Kohlenstoffdioxid aus der Reinigungszelle abgesaugt. Die Werkstücke sind nach der Reinigung trocken und können sofort weiterverarbeitet werden. Das skalierbare Verfahren sorgt bei zahlreichen Anwendungen, wie beispielsweise der selektiven Vorbehandlung von Kleb-, Dicht- und Beschichtungsflächen, vor dem optischen Vermessen von Bauteilbereichen sowie vor dem Schweißen – und danach um Schmauchspuren zu entfernen – für bedarfsgerechte Sauberkeit. Die CO2-Schneestrahlreinigung kann für praktisch alle technischen Materialien und Verbundwerkstoffe, wie etwa CFK, eingesetzt werden.

Sauber durch Verdampfen

Die berührungsfreie Laserstrahlreinigung nutzt einen leistungsstarken, fokussierten Laserstrahl als Reinigungsmedium, der über die zu reinigende Oberfläche geführt wird. Durch die Absorption der Photonen werden schichtartige (filmische) Verunreinigungen schlagartig verdampft. Darüber hinaus treten Druckwellen auf, durch die Partikel abgelöst werden, die aufgrund ihrer Beschaffenheit und Größe nicht verdampft werden können. Zum schnellen Verdampfen der abzureinigenden Kontaminationen sind hohe Strahl­intensitäten erforderlich. Gleichzeitig lässt sich eine thermische Beeinflussung des zu reinigenden Oberflächenbereichs durch nur kurze Wechselwirkungszeiten verhindern – oder sogar zur Passivierung von Metallen nutzen. Das Verfahren kann für die partielle Reinigung und Aktivierung von Oberflächen vor Schweiß-, Kleb- und Beschichtungsprozessen bei Bauteilen aus Metallen, Kunststoffen inklusive Faserverbundwerkstoffen und industriellen Keramiken eingesetzt werden. Ein weiterer Einsatzbereich ist das Entschichten und Entlacken. Doris Schulz

 
Die Laserreinigung ermöglicht unter anderem das partielle Entschichten von Bauteilen

(Bildquelle: Clean-Lasersysteme GmbH)

 

Mit der Laserreinigung lassen sich schichtartige (filmische) Verunreinigungen schlagartig verdampfen. Darüber hinaus treten Druckwellen auf, durch die Partikel abgelöst werden, die nicht verdampft werden können
(Bildquelle: SLCR Lasertechnik GmbH)

 

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