Analyse des Abtragverhaltens und der Oberflächenentstehung beim Trockeneisstrahlen von Aluminiumknetlegierungen

Inhaltsverzeichnis

  Inhaltsverzeichnis  

1  Einleitung  1

2  Strahlverfahren  3

2.1  Allgemeines  3

2.2  Einordnung nach DIN  4

2.3  Definitionen  6

3  Trockeneisstrahlen  8

3.1  Allgemeines  8

3.2  Verfahrensbeschreibung  9

3.3  Anlagentechnik  12

3.4  Trockeneispellets  14

3.5  Anwendungsgebiete  17

4  Theoretische Grundlagen  19

4.1  Abtragmechanismen  19

4.2  Prozeßparameter  25

4.2.1  Partikelgeschwindigkeit  25

4.2.2  Strahlauftreffwinkel  26

4.2.3  Werkstoffeinfluß  30

4.3  Abrasivmitteleigenschaften  31

4.4  Mechanismen des Werkstoffabtrages  34

4.5  Beschichtungen  38

4.6  Adhäsionsmechanismen  40

4.6.1  Allgemeines  40

4.6.2  Mechanische Adhäsion  43

4.6.3  Spezifische Adhäsion  46

4.7  Grenzphasen  58

4.7.1  Allgemeines  58

4.7.2  Ausgangszustand des Grundwerkstoffes  59

4.7.3  Haftflächen  60

4.7.4  Eigenschaften von Schicht und Substrat  62

Inhaltsverzeichnis

4.8  Haften an realen Oberflächen  63

5  Versuchsbedingungen  65

5.1  Versuchsaufbau  65

5.2  Parameter  67

5.3  Versuchsdurchführung  68

5.4  Meßeinrichtungen  69

6  Technologische Untersuchungen  71

6.1.1  Einfluß der Vorschubgeschwindigkeit  72

6.1.2  Einfluß des Arbeitsabstandes  74

6.1.3  Einfluß des Strahlauftreffwinkels  75

6.1.4  Einfluß des Massenstromes  77

6.1.5  Rauheitsprofil  78

7  Zusammenfassung  83

8  Literatur  85

9  Anhang  93

9.1  Technische Daten  93

9.2  Meßwerte  96

  Bildverzeichnis  

  Bildverzeichnis  

  Bild 2 1: Einordnung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580  4

  Bild 2 2: Einteilung der Reinigungsverfahren nach DIN 8592  5

  Bild 2 3: Strahlauftreffwinkel α und Arbeitsabstand a  7

  Bild 3 1: Entfernen von Oberflächenschichten mit Trockeneisstrahlen  10

  Bild 3 2: Aufbau einer Trockeneisstrahlanlage nach dem Druckstrahlprinzip  13

  Bild 3 3: Aufbau einer Trockeneisstrahlanlage nach dem Injektorprinzip  14

  Bild 3 4: Zustandsdiagramm von Kohlendioxid  15

  Bild 3 5: Trockeneispellets im Ausgangszustand  16

  Bild 4 1: Massenabtrag in Abhängigkeit von wesentlichen Einflußgrößen  20

  Bild 4 2: Einflußgrößen auf das Abtragverhalten von Abrasivstoffen  21

  Bild 4 3: Arten des Energieverlustes beim Partikelstrahlen  24

  Bild 4 4: Abtragverhalten eines Abrasivteilchens bei einem Strahlauftreffwinkel von α 90  26

  Bild 4 5: Abtragverhalten eines Abrasivteilchens bei einem Strahlauftreffwinkel von α 90  27

  Bild 4 6: Abtragformen des Schnittverschleißes bei Vorwärtsrotation (Typ I) und  

  Rückwärtsrotation (Typ II) des Partikels  28

  Bild 4 7: Abtragarten in Abhängigkeit von der Partikelform (a, b: Pflügen c, d: Spanen e, f:  

  Furchen)  33

  Bild 4 8: Mechanismen des Werkstoffabtrages durch Strahlen  35

  Bild 4 9: Modell zur Entstehung von Zug- und Biegespannungen durch äußere Druckkräfte  36

  Bild 4 10: Impulsmethode zur Ermittlung der Haftfestigkeit von Anstrichfilmen  40

  Bild 4 11: Bindungsaktivität einer freien Oberfläche  41

  Bild 4 12: Adhäsionstheorien  42

  Bild 4 13: Schematische Darstellung der mechanischen Verankerung  43

  Bild 4 14: Schematische Darstellung von Rauheitsgeometrien  44

  Bild 4 15: Verbleibende Hohlräume bei hoher Oberflächenrauheit  44

  Bild 4 16: Oberflächenspannungen σ bzw. Grenzflächenspannung γ und Randwinkel θ bei  

  Benetzungsvorgängen  47

  Bild 4 17: Tropfenformen bei verschiedenen Benetzungswinkeln  49

  Bild 4 18: Interatomare Kräfte aufgrund von Wechselwirkungen zwischen  

  Elementarladungen in Abhängigkeit vom interatomaren Abstand am Beispiel einer  

  ionischen Bindung  51

  Bildverzeichnis  

  Bild 4 19: Zwischenmolekulare Bindung bei Molekülen mit permanentem Dipol  54

  Bild 4 20: Induzierter Dipol  55

  Bild 4 21: Diffusionsvorgänge zweier Polymerstücke  56

  Bild 4 22: Reale polierte Werkstoffoberfläche  59

  Bild 4 23: Schichten beim Kleben zweier Metallwerkstücke  60

  Bild 4 24: Übergangszone beim Löten zweier metallischer Werkstoffe  61

  Bild 4 25: Unregelmäßigkeiten im Schichtaufbau  62

  Bild 4 26: Flüssigkeitsfilm schematisch auf unebener Oberfläche  64

  Bild 5 1: Trockeneisstrahlanlage CryoMax II der Firma Linde AG  65

  Bild 5 2: 6 Achsen-Industrieroboter des Typs Mantec r 3  66

  Bild 5 3: Schematischer Aufbau des Versuchsstandes  67

  Bild 5 4: Trockeneispelletmassenstrom in Abhängigkeit von der Einstellung des Regelventils67  

  Bild 5 5: Vorversuch zur Ermittlung der Mindesteinwirkzeit  69

  Bild 6 1: Arithmetischer Mittenrauhwert R a  71

  Bild 6 2: Gemittelte Rauhtiefe R z  72

  Bild 6 3: Gemittelte Rauhtiefe Rz in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit  72

  Bild 6 4: Gemittelte Rauhtiefe R z in Abhängigkeit vom Arbeitsabstand a für zwei  

  Vorschubgeschwindigkeiten v  73

  Bild 6 5: Gemittelte Rauhtiefe R z in Abhängigkeit vom Arbeitsabstand a  74

  Bild 6 6: Gemittelte Rauhtiefe R z in Abhängigkeit vom Strahlauftreffwinkel α  75

  Bild 6 7: Gemittelte Rauhtiefe R z in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit v für  

  unterschiedliche Strahlauftreffwinkel α  76

  Bild 6 8: Gemittelte Rauhtiefe R z in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit v für  

  unterschiedliche Massenströme an Trockeneispellets  77

  Bild 6 9: Gemittelte Rauhtiefe R z in Abhängigkeit von der Koordinate quer zur Strahlspur  78

  Bild 6 10: Gemittelte Rauhtiefe R z in Abhängigkeit von der Koordinate quer zur Strahlspur  

  für zwei Vorschubgeschwindigkeiten v  79

  Bild 6 11: Gemittelte Rauhtiefe R z in Abhängigkeit von der Koordinate quer zur Strahlspur  

  für zwei Arbeitsabstände a  80

  Bild 6 12: Gemittelte Rauhtiefe R z in Abhängigkeit von der Koordinate quer zur Strahlspur  

  für zwei Arbeitsabstände a  81

  Tabellenverzeichnis  

  Tabellenverzeichnis  

Tabelle 5 1:  Versuchsprogramm  68

Tabelle 9 1:  Technische Daten der Trockeneisstrahlanlage CryoMax II /LIN96a/  93

Tabelle 9 2:  Technische Daten des Dieselmotors Caterpillar 3116 TA  94

Tabelle 9 3:  Technische Daten des Kompressors Ingersoll- Rand VHP 400  94

Tabelle 9 4:  Spezifikation der Trockeneispellets  94

Tabelle 9 5:  Eigenschaften von Kohlendioxid  95

Tabelle 9 6:  Technische Daten des Sensors RM600LS  95

Tabelle 9 7:  Übersicht Meßreihen  96

Tabelle 9 8:  Mittenrauhwerte R a desVersuchsbleches 01 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  97

Tabelle 9 9:  Mittenrauhwerte R a desVersuchsbleches 02 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  97

Tabelle 9 10:  Mittenrauhwerte R a desVersuchsbleches 07 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  98

Tabelle 9 11:  Mittenrauhwerte R a desVersuchsbleches 08 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  98

Tabelle 9 12:  Mittenrauhwerte R a desVersuchsbleches 11 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  99

Tabelle 9 13:  Mittenrauhwerte R a desVersuchsbleches 12 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  99

Tabelle 9 14:  Mittenrauhwerte R z desVersuchsbleches 01 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  100

Tabelle 9 15:  Mittenrauhwerte R z desVersuchsbleches 02 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  100

Tabelle 9 16:  Mittenrauhwerte R z desVersuchsbleches 07 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  101

Tabelle 9 17:  Mittenrauhwerte R z desVersuchsbleches 08 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  101

Tabelle 9 18:  Mittenrauhwerte R z desVersuchsbleches 11 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  102

  Tabellenverzeichnis  

Tabelle 9 19:  Mittenrauhwerte R z desVersuchsbleches 12 senkrecht zur Richtung der  

  Vorschubgeschwindigkeit, Abstand der Meßpunkte b 0,46 mm  102

Tabelle 9 20:  Rauheitswerte Blech 1  103

Tabelle 9 21:  Rauheitswerte Blech 2  103

Tabelle 9 22:  Rauheitswerte Blech 3  103

Tabelle 9 23:  Rauheitswerte Blech 4  104

Tabelle 9 24:  Rauheitswerte Blech 5  104

Tabelle 9 25:  Rauheitswerte Blech 6  104

Tabelle 9 26:  Rauheitswerte Blech 7  105

Tabelle 9 27:  Rauheitswerte Blech 8  105

Tabelle 9 28:  Rauheitswerte Blech 9  105

Tabelle 9 29:  Rauheitswerte Blech 10  105

Tabelle 9 30:  Rauheitswerte Blech 11  106

Tabelle 9 31:  Rauheitswerte Blech 12  106

Tabelle 9 32:  Rauheitswerte Blech 13  106

Tabelle 9 33:  Rauheitswerte Blech 14  107

Tabelle 9 34:  Rauheitswerte Blech 15  107

Tabelle 9 35:  Rauheitswerte Blech 16  107

Tabelle 9 36:  Rauheitswerte Blech 17  107

Tabelle 9 37:  Rauheitswerte Blech 18  107

Tabelle 9 38:  Rauheitswerte Blech 19  108

Tabelle 9 39:  Rauheitswerte Blech 20  108

Tabelle 9 40:  Rauheitswerte Blech 21  108

Tabelle 9 41:  Rauheitswerte Blech 22  108

Tabelle 9 42:  Rauheitswerte Blech 23  108

Tabelle 9 43:  Rauheitswerte Blech 24  109

Tabelle 9 44:  Rauheitswerte Blech 25  109

Tabelle 9 45:  Rauheitswerte Blech 26  109

Tabelle 9 46:  Rauheitswerte Blech 27  109

Tabelle 9 47:  Rauheitswerte Blech 28  109

Tabelle 9 48:  Rauheitswerte Blech 29  110

Tabelle 9 49:  Rauheitswerte Blech 30  110

Tabelle 9 50:  Rauheitswerte Blech 31  110

  Tabellenverzeichnis  

Tabelle 9 51:  Rauheitswerte Blech 32  111

Tabelle 9 52:  Rauheitswerte Blech 33  111

  Gleichungsverzeichnis  

  Gleichung 4 1  25

  Gleichung 4 2  32

  Gleichung 4 3  48

  Gleichung 4 4  48

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

Das Entfernen von Beschichtungen und Lackierungen sowie das Reinigen von Bauteilen und Anlagenkomponenten kann durch den Einsatz von Strahlverfahren erfolgen. Dafür stehen verschiedene Strahlsysteme zur Verfügung, die sich in der Art des Strahlmittels und des Beschleunigungsmediums unterscheiden. Die entstehenden Rückstände beim konventionellen Reinigungsstrahlen erweisen sich jedoch zunehmend als problematisch, da sie vor Verwendung der gestrahlten Körper entfernt und aus Umweltschutzgründen wiederaufbereitet oder als Sondermüll deponiert werden müssen. Derzeit wird versucht, neue Verfahren zu entwickeln, die sich als ökologisch und ökonomisch vorteilhafter erweisen.

Als Alternative bietet sich ein Verfahren an, welches in einem Druckluftstrom beschleunigte Trockeneispellets als Strahlmittel verwendet. Der Vorteil dieses Strahlverfahrens liegt darin, daß das Trockeneis schon bei Umgebungstemperatur sublimiert und in die Atmosphäre entweicht. Nach dem Strahlprozeß bleibt lediglich das abgetragene Beschichtungsmaterial übrig, welches als Abfall zu entsorgen ist. Eine weitere positive Eigenschaft ist, daß Kohlendioxid antistatisch und nicht leitend ist. Elektrische und hydraulische Anlagenkomponenten können deshalb direkt, d. h. ohne langwierige manuelle Aus- und Einbauarbeiten, bestrahlt werden. Das Verfahren ist insbesondere für die Automobil- sowie für die Luft und Raumfahrtindustrie interessant, da das Strahlmittel nicht korrosiv wirkt.

In dieser Arbeit wird, ausgehend von einer auf der DIN 8200 Strahlverfahren aufbauenden Begriffsbestimmung, der Stand der Technik des Trockeneisstrahlens dargestellt. Die Mechanismen des Werkstoffabtrages werden beschrieben. Im Zusammenhang mit Reinigungs- und Entlackungsprozessen durch das Trockeneisstrahlen werden Haftungs-und Grenzphasenvorgänge sowie Adhäsionsmechanismen an beschichteten bzw. verunreinigten Oberflächen näher erläutert. Es werden Einstellparameter, Kenngrößen und Qualitätsmerkmale beschrieben.

1

Im Rahmen der experimentellen Untersuchung werden Bleche aus einer Aluminium-Knetlegierung unter Variation der Einstellparameter Massenstrom an Trockeneispellets, Arbeitsabstand, Vorschubgeschwindigkeit und Strahlauftreffwinkel durch Trockeneisstrahlen bearbeitet. Die Oberflächentopographie der bestrahlten Bleche wird unter Zuhilfenahme eines Meßlasers nach DIN EN ISO 8503 und 3274 untersucht. Das Strahlbild sowie der Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauheit bzw. der Abtragbreite und den Parametern werden anschließend beschrieben und bewertet.

2

2 Strahlverfahren

2.1 Allgemeines

Das Jahr 1870 kann als Beginn der Strahltechnik zur Oberflächenbehandlung angesehen werden. Dem Amerikaner B. C. Tilghman wurde in diesem Jahr ein britisches Patent zur Oberflächenbearbeitung mit Sand, der durch Druckluft, Wasser, Dampf oder Fliehkraft beschleunigt wird, erteilt /WER96/. Beim Strahlen handelt es sich um ein trennendes Fertigungsverfahren. Das Werkzeug ist dabei ein Strahlmittel, das in einem Strahlgerät beschleunigt wird, um auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche zu prallen. Durch diesen Vorgang können an folgenden Eigenschaften des Werkstücks, dem Strahlgut, Veränderungen bewirkt werden:

• Oberflächenzustand des Werkstückes durch Reinigen (Reinigungsstrahlen),

• Rauheit der Oberfläche des Strahlgutes durch Umformen (Veredelungsstrahlen),

• Gestalt des Werkstückes durch Zerspanen von Grundwerkstoff (Strahlspanen),

• Eigenschaften einer oberflächennahen Werkstückschicht (Verfestigungsstrahlen) und

• Werkstückform durch Umformen beim Umformstrahlen /DIN8200/.

Es stehen heute eine Vielzahl verschiedener Strahlmittelarten, -formen und -körnungen zur Verfügung. Dieser Umstand hat in hohem Maße zur Verbreitung der Strahlverfahren und zu den zahlreichen Anwendungsgebieten beigetragen. Im allgemeinen stehen die maschinellen Einrichtungen und deren konstruktive Ausbildung sowie die Technologie des Verfahrens im Vordergrund des Interesses. Die Bedeutung des Strahlmittels als wichtigstes Element des Strahlverfahrens darf nicht unterschätzt werden, da dieses in den meisten Fällen für den Erfolg des Verfahrens, sowohl in technischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht, ausschlaggebend ist. Die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Strahlmittelkörner prallen unter einem bestimmten Winkel, dem Strahlauftreffwinkel, auf die Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes. Die Bewegungsrichtung der Partikel erfährt beim Aufprall eine Änderung, die Geschwindigkeit wird stark herabgesetzt. Ein Teil der kinetischen Energie wird dabei auf die Werkstückoberfläche übertragen und bewirkt dort die angestrebte Änderung der Oberflächenbeschaffenheit. An den Aufschlagstellen werden Vertiefungen in

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der Werkstückoberfläche hervorgerufen, die von der Struktur, Form und Größe des Strahlmittels abhängen.

Zur Beschleunigung des Strahlmittels werden zwei grundsätzlich verschiedene Systeme ver-wandt. Beim Druckstrahlen wird das Strahlmittel durch gasförmige oder auch flüssige Trägermittel gefördert und beschleunigt. Beim Schleuderstrahlen erfolgt die Beschleunigung des Strahlmittels durch die an den Schleuderrädern auftretende Zentrifugalkraft.

2.2 Einordnung nach DIN

Nach DIN 8580 /DIN8580/ kann das zu behandelnden Verfahren innerhalb der Hauptgruppe 3 „Trennen“ folgenden Gruppen zugeordnet werden (Bild 2-1):

• Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden,

• Abtragen und

• Reinigen.

Bild 2-1: Einordnung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580

Unter Reinigen wird das Entfernen unerwünschter Verunreinigungen von Werkstoffoberflächen verstanden. Nach DIN 8592 /DIN8592/ „Fertigungsverfahren Reinigen; Einordnung,

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Unterteilung, Begriffe“ werden die Reinigungsverfahren wie folgt weitergehend unterteilt (Bild 2-2).

Bild 2-2: Einteilung der Reinigungsverfahren nach DIN 8592

Das Druckluftreinigungsstrahlen zeichnet sich dadurch aus, daß das verwendete Strahlmittel durch einen mit hoher Geschwindigkeit austretenden Luftstrom beschleunigt wird. Möglich Ziele des Reinigens sind laut DIN 8592:

• Putzen,

• Entzundern,

• Entrosten,

• Entschichten,

• Entfetten,

• Entstauben und

• Entrußen.

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2.3 Definitionen Strahlmittel

Die eigentlichen Werkzeuge der Strahlverfahren sind die Strahlmittel. Sie können fester und seltener auch flüssiger Art bzw. Gemische daraus sein. Die Flüssigkeiten dienen dabei in der Regel weniger dem Abtrag als vielmehr der Beschleunigung der festen Komponenten des Strahlmittels. Unterschieden werden:

• Umlaufstrahlmittel und

• Einwegstrahlmittel.

Während Umlaufstrahlverfahren mehrfach wiederverwertet werden begrenzt sich die Verwendung von Einwegstrahlmittel auf den einmaligen Gebrauch. Dabei können z. B. eine Zerstörung der Körner, eine starke Verunreinigung des Strahlmittels oder eine nur aufwendig durchführbare Rückgewinnung bzw. Aufbereitung des Strahlmittels die Gründe für den nur einmaligen Gebrauch sein.

Strahlauftreffwinkel α

Der Strahlauftreffwinkel ist der Winkel zwischen der Strahlrichtung und der Tangentialebene an das Strahlgut (Bild 2-3).

Arbeitsabstand a

Unter dem Strahlabstand wird die Weglänge des Strahlmittels verstanden, den es vom Austritt aus der Strahldüse bis zum Auftreffen auf das Strahlgut auf der verlängerten Düsenachse zurücklegt (Bild 2-3).

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Bild 2-3: Strahlauftreffwinkel α und Arbeitsabstand a

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3 Trockeneisstrahlen

3.1 Allgemeines

Entlackungsverfahren werden in vielen Bereichen der Industrie angewendet, sie haben sich immer mehr aus ihrer untergeordneten Rolle heraus zu wichtigen Fertigungsverfahren entwickelt. Zu diesen Bereichen zählen die Produktion selbst, die Wartung und Instandhaltung sowie der gesamte Bereich des Recyclings. Herkömmliche chemische, thermische und mechanische Entlackungsverfahren weisen im Hinblick auf die Umwelt- und Gesundheitsverträglichkeit zum Teil gravierende Defizite auf. Anfallende Reststoffe müssen aufwendig aufbereitet oder entsorgt werden. Der Einsatz insbesondere chemischer Entlackungsverfahren wird, durch ein gestiegenes Umweltbewußtsein und eine daraus resultierende schärfere Rechtsprechung, in Zukunft weiter eingeschränkt werden. Die Entwicklung neuer innovativer Verfahren wird dadurch vorangetrieben.

In den 30er Jahren gelang es unter Laborbedingungen erstmals, flüssiges Kohlendioxid in den festen Aggregatzustand zu überführen. Kurz darauf folgten, vor allem im Bereich der Kühlung unterschiedlicher Stoffe, die ersten Anwendungen. Die U.S. Navy experimentierte 1945 mit Trockeneis als Strahlmedium zur Entfettung von Bauteilen. R. Lindall erwarb 1963 ein Patent zur Trennung von Fleisch und Knochen unter Verwendung beschleunigter Trockeneispartikel. Ein Patent für die Methode zur Beseitigung von Fremdkörpern bestimmter Erzeugnisse durch die Verwendung hochbeschleunigter Trockeneispartikel erhielt E. Rice 1972. C. Fong erhielt 1977 das Patent zum Strahlen mit sublimationsfähigen Pellets. Die Arbeiten dieser Pioniere führte in den frühen 80er Jahren zur Gründung einer Reihe von Unternehmen, die der weiteren Entwicklung auf dem Gebiet des Trockeneisstrahlens nachgingen. In den späten 80er Jahren kamen die ersten Trockeneisstrahlanlagen auf den Markt. Zu dieser Zeit wiesen sie noch ein sehr großes Bauvolumen auf, benötigten sehr hohe Drücke und waren, gemessen an den heutigen Preisen, teuer /LIN96/.

Die amerikanische Flugzeugbaufirma Lockheed Aerospace führte jahrelang Versuche zur Entlackung von Flugzeugrümpfen mit Hilfe von CO 2 -Strahlanlagen durch. Ziel war es, die bei den bis dahin bekannten Verfahren anfallenden Mengen hochgiftiger Chemikalien und anderer Abfallstoffe zu minimieren. Das Trockeneisstrahlen wurde auch von der U.S. Air

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Force eingesetzt, sie konnte damit die Kosten für das Entlacken von Kampfflugzeugen um ca. 50 % senken /NN90/.

Die Alpheus Cleaning Technologies Corp. (USA) als Lizenznehmer entwickelte das Verfahren in Zusammenarbeit mit L’Air Liquide weiter. Das Ergebnis ist die „CO 2 -Cleanblast“-Anlage /NN9l/. Die Firma Cold Jet Inc. in Cincinnati (USA) entwickelte zeitgleich eine ähnliche Anlage unter dem Namen "Cold Jet". Diese wurde in Europa von der Messer-Griesheim-Unternehmensgruppe in Lizenz vertrieben /DON91/. Heute gibt es eine Reihe weiterer Anbieter stationärer und mobiler Anlagen. In erster Linie sind dies Anbieter technischer Gase, die die notwendige Anlagentechnik zusätzlich zu flüssigem Kohlendioxid und Trockeneispellets vertreiben.

Das Trockeneisstrahlen wird in erster Linie zum Reinigen verwendet. Die Anwendung zur Entlackung ist aus fertigungstechnischer Sicht wenig entwickelt. Für jede Anwendung sind zeitaufwendige und kostenintensive Parametereinstellungen notwendig. Es fehlt an Untersuchungen zur Prozeßoptimierung, z. B. hinsichtlich der Strahlmittel, der Temperatur, des Druckes sowie der Pellethärte, Entwicklung anwendungsspezifischer Anlagentechnik und Klärung der Wirkmechanismen. Das Verfahren kommt daher in der Praxis bisher nur bedingt zum Entlacken zum Einsatz.

3.2 Verfahrensbeschreibung

Das Strahlen mit Trockeneis ist ein Druckluftstrahlverfahren, das mit einem nichtmetallischen, anorganischen Einweg-Strahlmittel arbeitet. Dem Strahlen mit Trockeneis und dem Strahlen mit anderen festen Strahlmitteln liegen unterschiedliche Abtragmechanismen zugrunde. Die abzutragende Oberflächenschicht wird beim Partikelstrahlen an vielen Auftreffstellen aufgrund der kinetischen Energie der Körner aufgebrochen und weggerissen, wobei auch die Oberfläche des Grundkörpers beschädigt werden kann.

Die Trockeneispellets werden beim Trockeneisstrahlen mit Drücken von 2 bis 24 bar beschleunigt und treffen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 300 m/s auf die Oberfläche des

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Strahlgutes /VIS97/. Dabei überlagern sich nach dem heutigen Erkenntnisstand mehrere Effekte. Der Abrasiveffekt tritt infolge der kinetischen Energie der Pellets beim Aufprall auf die Oberfläche auf. Dieser ist abhängig von der Geschwindigkeit, der Härte und der Masse der Pellets. Die Geschwindigkeit der Partikel wiederum ist eine Funktion des Luftdruckes und der Düsenform. Die obere Grenze für die Geschwindigkeit der Pellets liegt dabei im Bereich der Schallgeschwindigkeit. Die Dichte sowie die Härte sind vom Herstellungsprozeß der Pellets abhängig. Die Mindesthärte sollte für einen optimalen Abtrag beim Entlacken mindestens 3 Mohs und beim Entrosten möglichst 6 Mohs betragen /KRA87/. Einen weiteren Einfluß auf den Abrasiveffekt hat die Menge der Pellets, die pro Zeiteinheit auf die Oberfläche trifft. Bei kurzer Strahldauer wird die Oberfläche nicht oder nur sehr gering angegriffen. Ein Abtrag oder eine Verfestigung der Oberfläche findet praktisch nicht statt bzw. kommt erst bei längeren Einwirkzeiten zum tragen /DON91, VIS98/. In Bild 3-1 ist das Entfernen von Oberflächenschichten durch das Trockeneisstrahlen dargestellt.

Bild 3-1: Entfernen von Oberflächenschichten mit Trockeneisstrahlen

Weiterhin wird der Materialabtrag beim Strahlen mit Trockeneis durch das punktuelle Unterkühlen der Oberfläche während der Kontaktzeit beim Auftreffen der Pellets erklärt. Die Be-

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schichtung versprödet und schrumpft infolge der Temperaturdifferenz zwischen der bestrahlten Oberfläche und dem Trockeneisstrahl. Die Temperatur der Trockeneispellets liegt bei -78,5 ºC. Die Oberfläche wird durch den direkten Kontakt mit den Pellets stärker unterkühlt als der Grundwerkstoff und unterliegt somit einer größeren Schrumpfung. Hinzu kommt, daß die beiden Werkstoffe meist unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die so entstehende Thermospannung bewirkt, daß sich der Verbund Grundmaterial/Beschichtung löst. Der Effekt kann durch eine Vergrößerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Trockeneisstrahl und der Werkstückoberfläche verstärkt werden, was z. B. durch die Erwärmung des Bauteiles zu erreichen ist. Die kinetische Energie der nachfolgend auftreffenden Pellets führt zu einem Abtrag der Beschichtung. Der Abtrag beruht also auf einem gekoppelten thermo-mechanischen Effekt /CHE90, NN91a, DON91a, DON91b/.

Die auftreffenden Pellets werden durch Risse in der Beschichtung zwischen das Grundmaterial und den Beschichtungsstoff gepreßt. Die Trockeneispellets sublimieren beim Aufprall auf die zu bearbeitende Oberfläche, da sie durch den Kontakt mit dem Werkstück erwärmt werden. Beim Übergang in den gasförmigen Zustand kommt es zu einer explosionsartigen Volumenzunahme die dem 700- bis 800-fachen des Volumens des festen Pellets entspricht. Die durch die auftretenden Spannungen bereits gelockerte Beschichtung wird dadurch förmlich abgesprengt. Anschließend werden die abgelösten Partikel durch den Druckluftstrom entfernt.

Bei längerer Bearbeitungszeit einer Stelle unterkühlen die Bauteile und die Abtragrate sinkt, dementsprechend sollte die Temperaturdifferenz zwischen dem zu bearbeitendem Bauteil und den Trockeneispellets möglichst hoch sein /DON91b/.

Ein großer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß das Strahlmittel nach dem Gebrauch als unschädliches Gas vorliegt und ohne Reinigungsverfahren in die Atmosphäre entlassen werden kann. Es fallen keine Strahlmittelrückstände an, die aufwendig aufbereitet oder entsorgt werden müßten. Übrig bleiben nur die Beschichtungsreste. Im Gegensatz zum Sandstrahlen können keine Reste des Strahlmittels in Bohrungen, Spalten oder Hinterschneidungen zurückbleiben, und eine weitere Nutzung oder Verarbeitung beeinträchtigen, somit kann häufig eine anschließende Reinigung der Bauteile entfallen /DON91b/.

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3.3 Anlagentechnik

Trockeneisstrahlanlagen werden in unterschiedlichen Ausführungen angeboten, dabei kommen das Druckstrahl- sowie das Injektorprinzip zum Einsatz:

Druckstrahlprinzip

Die Pellets werden beim Druckstrahlprinzip mit der Druckluft in einem gemeinsamen Schlauch zur Düse geführt, sie werden innerhalb der Anlage durch ein Zellrad dosiert und dem Druckluftstrom zugegeben. Das Druckstrahlprinzip benötigt durch die Mischung innerhalb der Anlage keine aufwendigen Düsenkonstruktionen. Die technische Umsetzung dieses Prinzips ist durch die Zuteileinrichtung etwas aufwendiger als das Injektorprinzip, die Herstellungskosten sind daher höher. Ein weiterer Nachteil dieser Bauform ist, daß die Trockeneispartikel bei hohen Geschwindigkeiten einen langen Weg durch den Schlauch zurücklegen müssen. Dabei kann es passieren, daß die Pellets durch Berührungen untereinander und mit den Schlauchinnenwände, vor allem an starken Schlauchkrümmungen, zerbrechen oder teilweise sublimieren. Untersuchungen haben gezeigt, daß nur wenige Partikel beim Austritt aus der Strahldüse noch ihre Ausgangsgröße haben /VIS97/. Die Länge des Schlauches zwischen Anlage und Düse sollte nicht mehr als 20 Meter betragen und bei der Verlegung des Schlauches muß darauf geachtet werden, daß keine kleinen Krümmungsradien auftreten.

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Bild 3-2: Aufbau einer Trockeneisstrahlanlage nach dem Druckstrahlprinzip

Injektorprinzip

Der Transport von Druckluft und Trockeneispellets zur Düse erfolgt beim Injektorprinzip in getrennten Schläuchen. Die Pellets werden dem Druckluftstrom nach dem Injektorprinzip direkt vor der Düse beigemengt. Die Pellets werden z. B. durch Schneckenförderer oder Extruderschnecken kontinuierlich zu dem Schlauch gefördert, innerhalb des Schlauches werden die Pellets durch den an der Injektordüse auftretenden Unterdruck weitertranportiert. Die Pellets werden, nachdem sie in Druckluftstrahl gesaugt wurden, von der Druckluft mitgerissen und auf die Austrittsgeschwindigkeit beschleunigt /VIS97/.

Im Gegensatz zum Druckstrahlprinzip werden die Pellets bis zur Düse relativ langsam trans-portiert, dabei kommt es zu weniger Kollisionen der Pellets untereinander bzw. mit der Schlauchwand. Der Größenverlust durch Brüche ist geringer, die Qualität der austretenden Pellets ist damit höher als beim Druckstrahlprinzip

Die Bauform und die Herstellungskosten von Anlagen diese Prinzips sind niedriger. Der Nachteil einer solchen Anlagen ist die geringere Flexibilität aufgrund des zweiten Schlauchs. Die zur Beschleunigung der Pellets verfügbare Druckluft ist im Vergleich zu Anlagen nach dem Druckstrahlprinzip geringer, da nicht nur die Pellets beschleunigt werden müssen

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sondern, auch der erforderliche Unterdruck erzeugt werden muß /LIN96/. Die Austrittsgeschwindigkeit der Partikel ist bei diesem Anlagentyp geringer, weil die Pellets nur auf dem relativ kurzen Weg innerhalb der Düse beschleunigt werden

Bild 3-3: Aufbau einer Trockeneisstrahlanlage nach dem Injektorprinzip

3.4 Trockeneispellets

Grundlage für die Herstellung von Trockeneispellets ist Kohlendioxid. Dieses Gas entsteht u. a. bei der alkoholischen Gärung sowie der Atmung. In Gebieten vulkanischen Ursprungs sind natürliche CO 2 -Quellen zu finden. Je nach Vorkommen beträgt die Reinheit 99,0 bis 99,9 Vol.-% CO 2 /MES99/.

Für den technischen Gebrauch wird Kohlendioxid hauptsächlich aus Prozeß-CO 2 gewonnen, welches bei chemischen Verarbeitungsprozessen von Erdöl und Erdgas anfällt. Dieses gasförmige Abfallprodukt wirkt störend auf weitere Verfahrensschritte und wird daher entfernt. Nach der Trennung liegt das Kohlendioxid in einer Reinheit von 70 bis 95 Vol.-% CO 2 vor. Die eigentliche Kohlendioxidproduktion besteht in der weitergehenden Reinigung dieses Rohgases. Restgasbestandteile werden dabei durch Wäschen, katalytische Verfahren, Abscheiden und Strippen entfernt /MES99/.

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