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Reinigen mit Kohlenstoffdioxid-Schnee

01.10.2007
Wie lassen sich Bohrungen ohne Durchgang effektiv säubern? Oder sperrige Kunststoffteile für Autos und Flugzeuge? Auf der Messe Parts2Clean vom 9. bis 11. Oktober 2007 in Stuttgart zeigen Forscher Lösungen, die auf Kohlenstoffdioxid CO2 basieren (Halle 9, Stand B 220/C 317).

Bei Bohrungen ohne Durchgang – etwa für Schrauben oder Stifte, wie man sie von Regalen her kennt – müssen Reinigungsmethoden zeigen, was sie können. Üblicherweise legt man die Bauteile zum Reinigen in ein Ultraschallbad. Die Tücke dabei: Das Wasser dringt zwar in die Bohrung ein, die Wirkung des Ultraschalls ist dort jedoch vermindert. Nimmt man das Bauteil heraus, bleibt das Wasser samt dem Großteil des Schmutzes in der Bohrung hängen. Verdunstet das Wasser, trocknen Ölschichten und Staubpartikel erneut in der Bohrung ein.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart haben nun eine effektivere Reinigungsmethode für die Sacklöcher entwickelt. Zunächst werden Ölfilme entfernt: »Wir setzen einen kleinen Deckel auf die Bohrung, in der eine Kapillare, eine dünne Zuleitung, steckt«, erklärt Ralf Grimme vom IPA. »Durch die Kapillare, die bis auf den Boden des Sacklochs reicht, leiten wir überkritisches CO2 ein. Dieses CO2 steht unter einem sehr hohen Druck, der etwa dem hundertfachen des Atmosphärendrucks entspricht, und hat eine Temperatur von über 30°C. Das CO2 löst den Ölfilm und strömt durch Öffnungen im Deckel wieder aus der Bohrung heraus. Die Verunreinigungen nimmt es mit.« Das CO2 wird weiter verwendet: Die Forscher senken seinen Druck, wobei die gelösten Öle sich in einem Abscheidebehälter absetzen. Das gasförmige CO2 wird komprimiert und erneut in ein Sackloch geleitet.

Ist die Bohrung von Ölen befreit, folgt ein zweiter Reinigungsschritt: »Der Deckel wird abgehoben und das ausströmende CO2 verwandelt sich in CO2-Schnee. Dieser Schnee pustet Partikel weg, die beim Bohren des Lochs entstanden sind«, sagt Grimme.

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Das Verfahren eignet sich vor allem für die Massenproduktion, da die Forscher das Reinigungssystem an die jeweilige Form der Bohrung anpassen müssen. Der Deckel braucht die richtige Größe, um das Sackloch dicht abzuschließen. Die Kapillare muss so lang sein, dass sie genau bis auf den Grund des Lochs reicht. Auf der Messe Parts2Clean stellen die Forscher erstmals einen Prototypen der Reinigungsvorrichtung vor. Im kommenden Jahr starten die Wissenschaftler gemeinsam mit Industriepartnern ein weiteres Forschungsprojekt, in dem sie das System automatisieren und auf großen Durchsatz trimmen. In etwa zwei bis drei Jahren könnte es dann auf den Markt kommen.

Nicht nur für Sacklöcher und verwinkelte Teile eignet sich CO2 als Reinigungsmittel. Auch auf großen, glatten Oberflächen leistet es gute Dienste: Es befreit etwa Kunststoffteile für Autos und Flugzeuge vor dem Lackieren von Fingerabdrücken, Ölen und Fetten. Bisher ist die Reinigung der Oberflächen recht aufwändig: Man taucht die Kunststoffteile in Reinigungsbäder, Fachleute sprechen vom Powerwash-Verfahren. Beim anschließenden Trocknen können sich die Kunststoffteile erwärmen: Additive und Weichmacher aus dem Kunststoff wandern an die Oberfläche – Klebstoffe und Lacke haften daher schlechter. Das Kleben und Lackieren wird auch vom Restwasser behindert, das in Taschen und Hinterschneidungen hängen bleibt. Zudem muss die Reinigungslösung aufwändig aufbereitet werden, um sie wiederverwenden zu können.

Schnee aus CO2 soll die Tauchbäder künftig ersetzen und die Reinigung vereinfachen. Der Schnee wird erzeugt, indem flüssiges CO2 in eine Düse gepumpt und dort auf Umgebungsdruck entspannt wird. 40 Prozent des CO2 formen sich dabei zu Schneepartikeln, die mit Druckluft durch eine strahlformende Düse auf die Oberfläche beschleunigt werden. Trifft das feste CO2 auf die Oberfläche, sorgen drei Effekte für die Reinigung: Schmutzpartikel werden durch die mechanische Kraft entfernt, die beim Aufprall der CO2-Partikel auf die Oberfläche entsteht. Wandelt sich der Schnee direkt in Gas um – sublimiert er – vergrößert sich sein Volumen: Es entsteht ein Druckstoß, der die mechanische Reinigung verstärkt. Die niedrige Temperatur des CO2 von -78 °C tut ihr übriges: Die Schmutzschicht wird spröde und es bilden sich Risse, die Verunreinigungen lassen sich leichter entfernen.

»CO2-Schnee bietet zahlreiche Vorteile gegenüber dem Powerwash-Verfahren: Zum einen ist es ein trockenes Verfahren, die Kunststoffe müssen also nach der Reinigung nicht getrocknet werden«, erklärt Martin Bilz, Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK. »Zum anderen sind die Schmutzpartikel nach dem Reinigungsprozess nicht im CO2 gelöst, da dieses vollständig sublimiert. Zurück bleibt die Verunreinigung, die aufgefangen und entsorgt werden muss.«

Das Verfahren der CO2-Schneestrahlreinigung ist nicht neu, allerdings fehlt bisher Grundlagenwissen: Sowohl über den Prozess selbst als auch über die CO2-Schneeentstehung ist wenig bekannt. »So werden beispielsweise die Strahldüsen, die den Schnee erzeugen, häufig nach dem Motto Trial-and-Error auf die jeweilige Anwendung angepasst«, sagt Bilz. Das wollen die Forscher des IPK ändern, gemeinsam mit ihren Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen und zahlreichen Automobil- und Luftfahrtunternehmen. »Wir erstellen ein prozessrelevantes Strömungsmodell und darauf aufbauend ein Simulationsprogramm für CO2-Schneestrahldüsen. Dieses Programm kann auch auf Düsen anderer Druckstrahlverfahren übertragen werden«, sagt Bilz. Welche Parameter muss man an der Anlagentechnik einstellen, um eine bestimmte Kunststoffoberfläche zuverlässig zu reinigen, ohne sie zu beschädigen? Wie stellt man den Strahlwinkel, -druck und den Arbeitsabstand zwischen Düsen und Oberfläche für verschiedene Materialien ein? Antworten auf diese Fragen soll das neue Programm geben. »Unser Ziel ist es, den Reinigungsprozess zu automatisieren und in die Lackieranlagen zu integrieren – samt einer entsprechenden Oberflächenanalytik, die sofort überprüft, ob die Oberfläche auch wirklich sauber und lackierfähig ist«, so der Experte. In etwa ein bis zwei Jahren, schätzt Bilz, wird sich das CO2-Schneestrahlen als Vorbehandlungsverfahren in Lackieranlagen etabliert haben. Auf der Messe Parts2Clean zeigen die Forscher bereits einen Demonstrator für die CO2-Schneereinigung von Kunststoffteilen.

| Fraunhofer-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.ipa.fraunhofer.de

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