DE102009058211A1

DE102009058211A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen, Aktivieren und Vorbehandeln eines Werkstücks mittels Kohlendioxidschneepartikeln

Info

Publication number: DE102009058211A1
Application number: DE102009058211A
Authority: DE
Inventors: Andreas Michalske; David Kleinelümern
Original assignee: Venjakob Maschinenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Venjakob Maschinenbau GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: DE102009058211B4; ES2458552T3; EP2512737A1; WO2011082795A1; EP2512737B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen, Aktivieren und Vorbehandeln eines Werkstücks mittels Kohlendioxidschneepartikeln, welches aus einem unter Druck stehenden Kohlendioxidfluid und mindestens einem Trägerdruckgas erzeugt werden, wobei das Kohlendioxidfluid über eine Zuführeinrichtung einer Mischeinrichtung (4), worin auch das Trägerdruckgas einströmt, zugeführt wird und sich in der Mischeinrichtung (4) Kohlendioxidschneepartikel ausbilden, sich verteilen, in einer Auslassdüse beschleunigt und auf das Werkstück geleitet werden, ohne dass das Kohlendioxidfluid vor der Zuführung in die Mischeinrichtung (4) entspannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigungen, Aktivieren und Vorbehandeln von Werkstücken mittels Kohlendioxidschneepartikeln, welche aus einem unter Druck stehenden Kohlendioxidfluid und mindestens einem Trägerdruckgas erzeugt werden, wobei die Kohlendioxidschneepartikel in einer Auslassdüse beschleunigt und auf das Werkstück geleitet werden können.
Strahlverfahren und Strahlvorrichtungen zum Reinigen, Vorbehandeln und Aktivieren von Oberflächen sind seit vielen Jahrzehnten Stand der Technik. Für die industrielle Reinigung von Werkzeugen und Formen, Maschinen und Anlagen sowie Bauteilen werden jedoch aufgrund der sich verschärfenden Umweltgesetze und des größeren Wettbewerbs seit einigen Jahren, neue, umweltfreundliche und kostengünstige Reinigungstechnologien gesucht.
Die Oberflächenbehandlung mit unterschiedlichen Formen von Kohlendioxid ist seit mehr als 30 Jahren in Erfindungen beschrieben. Das Strahlen mit unterschiedlichen Formen von Kohlendioxid (CO2) findet inzwischen in einigen Branchen Anwendung.
Beim Strahlen mit CO2-Schneestrahlen werden zwei Verfahrensvarianten unterschieden, die so genannte Zwei-Stoff-Ringdüse und die Strahldüse mit Agglomerationskammer. Bei der Zwei-Stoff-Ringdüse wird das flüssige Kohlendioxid am Düsenaus tritt einer ersten Düse auf Umgebungsdruck entspannt. Die entstehenden Kohlendioxidschneepartikel werden durch einen Mantelstrahl, welcher aus einer zweiten, die erste Düse konzentrisch umgebenden Düse tritt, aus überschallschneller Druckluft gebündelt und beschleunigt.
Bei der zweiten Verfahrensvariante wird das flüssige Kohlendioxid dem Druckluftstrom in einem Entspannungsraum, der so genannten Agglomerationskammer, zudosiert. Im Vergleich zur Zwei-Stoff-Ringdüse entstehen bei der zweiten Verfahrensvariante größere Schneepartikel, welche mit der Druckluft in einer nachfolgenden Düse beschleunigt werden und zu einer deutlich höheren Abrasivität am Werkstück führen.
Die Erzeugung von Kohlendioxidschneepartikeln mit den bekannten Verfahrensvarianten erfordert Strahldüsen mit einer vergleichsweise hohen Anzahl von Baugruppen. Außerdem wird bei den wenigen Strahldüsen lediglich eine vergleichsweise geringe Menge des flüssigen Kohlendioxids zur Erzeugung der Kohlendioxidschneepartikel verwendet. Der Rest des flüssigen Kohlendioxids entweicht als Kohlendioxidgas durch Verdampfung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln eines Werkstücks mittels Kohlendioxidschneepartikeln zur Verfügung zu stellen, womit eine besonders effiziente, automatisierte sowie besonders zügige und aufwandsarme Erzeugung der Kohlendioxidschneepartikel durchgeführt und eine besonders hohe Reinigungswirkung zu erzielt werden können.
Die Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln eines Werkstücks mittels Kohlendioxidschneepartikel angegeben, welche aus einem unter Druck stehenden Kohlendioxidfluid und mindestens einem Trägerdruckgas in einer Mischeinrichtung ausgebildet werden, welcher das Kohlendioxidfluid und das Trägerdruckgas über separate Zuführeinrichtungen zugeführt werden und worin sich die Kohlendioxidschneepartikel verteilen und über eine mit der Mischeinrichtung gekoppelte Auslassdüse die Mischeinrichtung verlassen, in der Auslassdüse beschleunigt und auf das Werkstück geleitet werden. Erfindungsgemäß ist der in die Mischeinrichtung mündenden Zuführeinrichtung für das Kohlendioxidfluid keine Agglomerationskammer vorgeschaltet noch weist die Zuführeinrichtung für das Kohlendioxidfluid eine Agglomerationskammer auf, worin das flüssige Kohlendioxidfluid wie bei Vorrichtungen zum Erzeugen von Kohlendioxidschneepartikeln aus dem Stand der Technik vor der Zuführung in eine Mischkammer entspannt werden könnte.
Insbesondere weist die Erfindung die Vorteile auf, dass es mangels einer Agglomerationskammer gerade nicht zu unerwünschten Agglomeraten kommt, welche wiederum zu Vereisungssowie Verstopfungsproblemen in den Zuführeinrichtungen führen würden. Darüber hinaus wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der direkten Einspritzung von flüssigem Kohlendioxidfluid in die Mischeinrichtung ohne vorausgehender Entspannung des Kohlendioxidfluids und mit Verteilung im Trägerdruckgas eine besonders große Menge an Kohlendioxidschneepartikeln in kleiner und fester Form erzeugt, womit bezogen auf die projizierte Fläche des Reinigungsstrahls ein Reinigungsergebnis mit besonders hoher Qualität erzielt werden kann. Zudem wird mit erfindungsgemäßen Verfahren eine weitere Automatisierung und Beschleunigung in der Erzeugung von Kohlendioxidschneepartikeln erzielt. Außerdem erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung erhebliche Materialeinsparungen, was im Vergleich zu Strahlvorrichtungen aus dem Stand der Technik zur Miniaturisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zweckmäßigerweise wird das Kohlendioxidfluid der Mischeinrichtung zentrisch zugeführt.
Weiterhin ist es zweckmäßig, dass die Zuführeinrichtung für das Kohlendioxidfluid mit dem in die Mischeinrichtung mündenden Zuführenden über eine randseitige Begrenzung der Mischeinrichtung in diese hineinragt.
In vorteilhafter Weiterbildung ist die Zuführeinrichtung für das Kohlendioxidfluid dabei derart an der Mischeinrichtung angeordnet, dass das der Mischeinrichtung zugewandte Zuführende der Zuführeinrichtung für die Einströmung des Kohlendioxidfluids in die Mischeinrichtung zweckmäßigerweise im Zentrum der Mischeinrichtung endet. Um eine gleichmäßige Erzeugung und Verteilung der Kohlendioxidschneepartikel in der Mischeinrichtung zu erreichen, ist es durchaus zweckmäßig, die Zuführeinrichtung für das Kohlendioxidfluid bis ins Zentrum der Mischeinrichtung fortzuführen.
Um das Reinigungsergebnis des Werkstücks weiter zu verbessern, wird zweckmäßigerweise der Reinigungsstrahl, welcher die Kohlendioxidschneepartikel und das Trägerdruckgas umfasst, in der Mischeinrichtung in Rotation versetzt. Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung wird die Rotation des Reinigungsstrahls durch einen in der Mischeinrichtung angeordneten Dralleinsatz erreicht.
Die Wirkung des Dralleinsatzes wird insbesondere dadurch erhöht, dass sich dieser innerhalb der Mischeinrichtung zweckmäßigerweise von einem Eintrittsende für das Trägerdruckgas bis zu einem Austrittsende erstreckt.
Zweckmäßigerweise ist der Dralleinsatz an einem Austrittsende in der Mischeinrichtung mit einer konvergierenden Entladungsöffnung versehen und/oder als solche ausgebildet.
Um die Intensität des Reinigungsstrahls und die Verbrauchsmenge des flüssigen Kohlendioxidfluids besonders einfach zu regulieren, ist die Zuführeinrichtung für das Kohlendioxidfluid zweckmäßigerweise als Dosierdüse ausgebildet. Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung kann die Menge und die Intensität des der Mischeinrichtung zugeführten Kohlendioxidfluids durch Einstellung der Dosierdüse an der Zuführeinrichtung für das Kohlendioxidfluid bzw. durch Verwendung von Dosierdüsen mit unterschiedlicher Dimensionierung für die Zufuhr des Kohlendioxids verändert werden.
Damit entfallen separate Einstellventile für die Zuführung und Dimensionierung sowie die Dosierung des flüssigen Kohlendioxidfluids in die Mischeinrichtung.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Zuführende der Zuführeinrichtung für das Kohlendioxidfluid in Richtung auf das Austrittsende der Mischeinrichtung in dieser angeordnet.
Zweckmäßigerweise umfasst das Trägerdruckgas mindestens Luft.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung sind die Mischeinrichtung und die Auslassdüse einstückig ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist die Mischeinrichtung als Mischkammer ausgebildet.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Mischeinrichtung und Zuführungen für Kohlendioxidfluid und Trägerdruckgas und
2 eine Draufsicht auf einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß 1.
1 zeigt eine Vorrichtung 2 zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln von Werkstücken (nicht gezeigt) mittels Kohlendioxidschneepartikel. Die Vorrichtung 2 umfasst eine Vorrichtungswand 3, eine Mischeinrichtung 4, an einem Eintrittsende 6 der Mischeinrichtung 4 vorgesehene Zuführeinrichtungen 8 und 10 für das Kohlendioxidfluid bzw. für das Trägerdruckgas sowie eine an einem Austrittsende 12 der Mischeinrichtung 4 vorgesehene Auslassdüse 14. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Mischeinrichtung 4, die Zuführeinrichtungen 8, 10 und die Auslassdüse 14 einstückig ausgebildet.
Alternativ ist die Zuführeinrichtung für das Kohlendioxidfluid als separates Bauteil zur Mischeinrichtung vorgesehen. Wenn die Zuführeinrichtung für das Kohlendioxidfluid separat ausgebildet ist, kann diese zur Einstellung einer Dosiermenge des der Mischeinrichtung zugeführten Kohlendioxidfluids somit ausgetauscht und durch eine Zuführeinrichtung mit für die gewünschte Dosiermenge geeignet dimensionierter Dosieröffnung ersetzt werden.
Erfindungsgemäß weist die Zuführeinrichtung 8 für das Kohlendioxidfluid keinen Entspannungsraum oder Agglomerationskammer auf, sondern führt direkt in die Mischeinrichtung 4.
Zur besonders gleichmäßigen Verteilung des flüssigen Kohlendioxidfluids in der Mischeinrichtung 4 endet die Zuführeinrichtung 8 für das Kohlendioxidfluid mit einem Zuführende 16 in einem zentralen Bereich bzw. im Zentrum der Mischeinrichtung 4. Zur Verbesserung des Reinigungsergebnisses wird der Reinigungsstrahl mit dem Trägerdruckgas und den Kohlendioxidschneepartikeln mit einem Dralleinsatz 18 in Rotation versetzt. Der Dralleinsatz 18 ist randseitig an der Mischeinrichtung 4 angeordnet und erstreckt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel vom Eintrittsende 6 bis zum Ausrittsende 12 in der Mischeinrichtung 4. Am Austrittsende 12 der Mischeinrichtung 4 weist der Dralleinsatz 18 zur Beschleunigung des Gemischs aus Kohlendioxidschneepartikeln und Trägerdruckgas ähnlich der Ausformung der Auslassdüse 14 eine konvergierende Entladungsöffnung 20 auf.
2 zeigt in Draufsicht einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß 1 entlang einer Ebene 2-2'. Die Abbildung des Querschnitts der Vorrichtung 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel zeigt radial von außen nach innen die Vorrichtungswand 3, den Dralleinsatz 18 sowie die sich in Richtung der Auslassdüse 14 verjüngende Entladungsöffnung 20 des Dralleinsatzes 18. Im Zentrum liegt die als Mischkammer ausgebildete Mischeinrichtung 4.
Zusammenfassend soll hervorgehoben werden, dass durch die erfindungsgemäße direkte Einspritzung von flüssigem Kohlendioxid in das Trägerdruckgas in der Mischeinrichtung, ohne das flüssige Kohlendioxid im Voraus in einer Agglomerationskammer zu entspannen, im Vergleich eine große Anzahl von kleinen und festen Kohlendioxidschneepartikeln erzeugt werden kann, wodurch schließlich ein besseres Reinigungsergebnis am Werkstück erzielt werden kann.
Bezugszeichenliste

2: Vorrichtung
3: Vorrichtungswand
4: Mischeinrichtung
6: Eintrittsende
8: erste Zuführeinrichtung
10: zweite Zuführeinrichtung
12: Austrittsende
14: Auslassdüse
16: Zuführende
18: Dralleinsatz
20: Entladungsöffnung

Claims

Verfahren zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln eines Werkstücks mittels Kohlendioxidschneepartikeln, erzeugt aus einem unter Druck stehenden Kohlendioxidfluid und mindestens einem Trägerdruckgas, wobei das Kohlendioxidfluid über eine Zuführeinrichtung (8) einer Mischeinrichtung (4), worin das Trägerdruckgas einströmt, zugeführt wird und sich in der Mischeinrichtung (4) Kohlendioxidschneepartikel ausbilden, sich verteilen, in einer Auslassdüse beschleunigt und auf das Werkstück geleitet werden, ohne dass das Kohlendioxidfluid vor der Zuführung in die Mischeinrichtung (4) entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxidfluid der Mischeinrichtung (4) zentrisch zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiermenge des in die Mischeinrichtung (4) zugeführten Kohlendioxidfluids veränderbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxidfluid bzw. die Kohlendioxidschneepartikel und das Trägerdruckgas in der Mischeinrichtung (4) in Rotation versetzt werden.
Vorrichtung (2) zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln eines Werkstücks mittels Kohlendioxidschneepartikeln, mit einer Mischeinrichtung (4) zur Ausbildung und Verteilung der Kohlendioxidschneepartikel in einem in die Mischeinrichtung (4) einströmenden Trägerdruckgas, mit in die Mischeinrichtung (4) mündenden Zuführeinrichtungen (8, 10) zur Zuführung des Kohlendioxidfluids und des Trägerdruckgases, und mit einer Auslassdüse (14) zur Beschleunigung eines Gemischs aus Kohlendioxidschneepartikeln und Trägerdruckgas, wobei keine Agglomerationskammer zur Entspannung des Kohlendioxidfluids vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen in der Mischeinrichtung (4) vorgesehenen Dralleinsatz (18).
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Dralleinsatz (18) innerhalb der Mischeinrichtung (4) im Wesentlichen von einem Eintrittsende (6) für das Trägerdruckgas bis zu einem Austrittsende (12) für das Gemisch aus Kohlendioxidschneepartikeln und Trägerdruckgas erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dralleinsatz (18) an einem Austrittsende (12) für das Gemisch aus Kohlendioxidschneepartikeln und Trägerdruckgas eine konvergierende Entladungsöffnung (20) ausbildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (8) für das Kohlendioxidfluid als Dosierdüse ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiermenge des der Mischeinrichtung (4) zudosierten Kohlendioxidfluids über die Zuführeinrichtung (8) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Dosiermenge des der Mischeinrichtung (4) zudosierten Kohlendioxidfluids die Zuführeinrichtung (8) für das Kohlendioxidfluid austauschbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (8) für das Kohlendioxidfluid mit einem in die Mischeinrichtung (4) mündenden Zuführende (16) in Richtung auf ein Austrittsende (12) der Mischeinrichtung (4) in dieser angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (8) für das Kohlendioxidfluid mit einem in die Mischeinrichtung (4) mündenden Zuführende (16) über eine randseitige Begrenzung der Mischeinrichtung (4) in diese hineinragend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerdruckgas mindestens Luft umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung (4) und die Auslassdüse (14) einstückig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, gekennzeichnet durch die als Mischkammer ausgebildete Mischeinrichtung (4).