DE102016011808B4

DE102016011808B4 - Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche mit einem Strahlmittel

Info

Publication number: DE102016011808B4
Application number: DE102016011808.3A
Authority: DE
Inventors: Walter Bachleitner
Original assignee: Messer SE and Co KGaA
Current assignee: Messer SE and Co KGaA
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2036-10-01
Also published as: DE102016011808A1

Abstract

Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche, bei dem ein aus einer Mischung aus Trockeneis und zumindest einem Strahlzusatz bestehendes Strahlmittel in einem Trägergasstrom auf eine zu behandelnde Oberfläche eines Werkstücks aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlzusatz wenigstens eine sich bei Überschreiten einer Zersetzungstemperatur in gasförmige Bestandteile zersetzende chemische Verbindung zum Einsatz kommt, und dass die zu behandelnde Oberfläche vor dem Bestrahlen mit dem Strahlmittel auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur gebracht wird oder auf einer solchen Temperatur vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche, bei dem ein aus einer Mischung aus Trockeneis und zumindest einem Strahlzusatz bestehendes Strahlmittel in einem Trägergasstrom auf eine zu behandelnde Oberfläche eines Werkstücks aufgetragen wird.
Bekannt sind Vorrichtungen und Verfahren zum Reinigen von Oberflächen, bei denen Partikel aus festem Kohlendioxid (Trockeneis) in Form von Schnee oder gepresstem Eis (Pellets) auf eine zu behandelnde Oberfläche aufgetragen werden. Das Strahlmittel wird in der Regel aus im flüssigen Zustand unter Druck herangeführtem Kohlendioxid erzeugt, das an einer Entspannungsdüse unter Erzeugung von Kohlendioxidschnee und Kohlendioxidgas auf Umgebungsdruck entspannt wird. Der erzeugte Kohlendioxidschnee wird gegebenenfalls in weiteren Verfahrensschritten zu Pellets verarbeitet. Die Schneepartikel bzw. Pellets werden anschließend in einem Trägergasstrom, in der Regel Druckluft, in Richtung auf die zu behandelnde Oberfläche ausgetragen.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2005 054 246 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestrahlen einer Oberfläche mit Trockeneis-Teilchen bekannt, bei denen ein Strom flüssigen Kohlendioxids unter Entstehung von Partikeln aus Kohlendioxidschnee entspannt wird und diese Partikel in einem Druckluftstrahl aus einer Strahldüse in Richtung auf die zu behandelnde Oberfläche ausgestoßen werden. Um den Anteil festen Kohlendioxids bei der Entspannung zu erhöhen, erfolgt bei diesem Gegenstand vor oder während der Zuführung des flüssigen Kohlendioxids zum Strahlgerät zum einen eine Druckerhöhung und zum anderen eine Unterkühlung des Kohlendioxids.
In der US 5 445 553 A wird ein Verfahren zum Entfernen von Beschichtungen auf Oberflächen beschrieben, bei dem aus gepresstem Kohlendioxidschnee erzeugte Trockeneispellets als Strahlteilchen zum Einsatz kommen. Bei diesem Verfahren werden die erzeugten und in einem Vorratsbehälter zwischengelagerten Trockeneispellets einer Austrageinrichtung zugeführt, aus der sie mittels Druckluft auf die zu behandelnde Oberfläche ausgestoßen werden.
Mit einer Härte von etwa 2-3 mohs ist Trockeneis ein vergleichsweise weiches Strahlmittel. Damit auch schwierigere Strahlaufgaben, wie beispielsweise die Entfernung von Farben auf Stahl, Rostnarben im Stahl oder Patina von Metalloberflächen gelöst werden können, wurde bereits vorgeschlagen, dem Gemisch aus Trägergas und Trockeneispartikeln ein weiteres Strahlmittel aus härteren Partikeln beizumischen, wie beispielsweise Sand, Glasperlen, Korund, Metallpulver, Nussschalen oder Kunststoffgranulat. Damit werden auch bei hartnäckigen Verunreinigungen Reinigungserfolge erzielt, die mit denen herkömmlicher Abrasivstrahlverfahren, wie etwa dem Sandstrahlen, vergleichbar sind. Ein Beispiel für eine solche Vorgehensweise ist aus der DE 10 2012 017 906 A1 bekannt.
Bekannt ist weiterhin, dass Trockeneis, das durch Einfrieren von flüssigem Kohlendioxid gewonnen wurde, also durch Abkühlung von flüssigem Kohlendioxid auf eine Temperatur unter seine Erstarrungstemperatur, eine größere Härte aufweist als Trockeneis, das durch Entspannen von flüssigem Kohlendioxid hergestellt wurde. Daher wurde bereits vorgeschlagen, derartige gefrorene Trockeneispartikel in Strahlanwendungen einzusetzen, für die herkömmliche Trockeneispartikel aufgrund ihrer geringen Härte nicht oder nur unzureichend geeignet sind.
Aus der WO 2007 088 437 A2 ist zudem ein Strahlmittel bekannt, das neben aus der Entspannung von flüssigem Kohlendioxid erzeugten Trockeneisteilchen chemisch oder biologisch aktive Additive enthält. Als Additive kommen dabei antimikrobielle Stoffe, Desinfektionsmittel, waschaktive Substanzen oder Odoriermittel unterschiedlicher Art zum Einsatz, die auf der zu behandelnden Oberfläche neben der von den Trockeneispartikeln induzierten mechanisch-abrasiven Wirkung die entsprechende zusätzliche Wirkung hervorrufen sollen. Die Additive werden dem Kohlendioxid unter weitgehender Abwesenheit von Wasser (< 5 Gew.-% des Trockeneisprodukts) vor oder nach dem Entspannungsvorgang zugeführt.
Nachteilig bei den vorgenannten Verfahren ist, dass durch die Zugabe der Additive zum Strahlmittel eine der wesentlichen Vorteile des Trockeneisstrahlens verloren geht, nämlich die rückstandsfreie Entfernung des Strahlmittels durch Sublimation im Anschluss an den Strahlvorgang. Ähnlich wie bei konventionellen Strahlverfahren, etwa dem Sandstrahlen, bleiben aus Additiven und Beschichtungsresten bestehende Rückstände zurück, die aufwändig entsorgt werden müssen und die zudem eine zusätzliche Nachreinigung des behandelten Werkstücks erforderlich machen können.
Aus der GB 2 390 972 A ist ein Verfahren zum Entfernen einer Beschichtung von einer Oberfläche bekannt, bei dem die zu behandelnde Oberfläche mit einem Strahlmaterial, wie beispielsweise Natriumhydrogencarbonat, beaufschlagt und dadurch mechanisch-abrasiv gereinigt wird. Durch eine anschließende Bestrahlung der Oberfläche mit Lichtpulsen hoher Intensität erfolgt eine thermische Zersetzung von noch auf der Oberfläche anhaftenden Partikeln des Strahlmaterials in gasförmige Bestandteile, die auf diese Weise weitgehend rückstandslos entfernt werden können. Die hierzu eingesetzte Apparatur ist allerdings sehr aufwändig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Bestrahlen von Oberflächen von Werkstücken mit einem Trockeneis enthaltendem Strahlmittel anzugeben, das ein gegenüber reiner Trockeneisbestrahlung verbessertes Behandlungsergebnis verspricht und bei dem keine oder nur geringfügige Strahlmittelrückstände anfallen.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche unterscheidet sich von Strahlverfahren nach dem Stande der Technik dadurch, dass als Strahlzusatz wenigstens eine sich bei Überschreiten einer Zersetzungstemperatur in gasförmige Bestandteile zersetzende chemische Verbindung zum Einsatz kommt, und dass die zu behandelnde Oberfläche vor dem Bestrahlen mit dem Strahlmittel auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur gebracht wird bzw. auf einer solchen Temperatur vorliegt. Bei der Bestrahlung zerlegt sich der Strahlzusatz in seine gasförmigen Bestandteile und muss nicht in aufwändigen Reinigungsprozeduren vom Werkstück entfernt und/oder entsorgt werden.
Der Strahlzusatz verändert die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Strahlmittels gegenüber einem aus reinem Trockeneis bestehendem Strahlmittel. Vorzugsweise sollte der Strahlzusatz bzw. die Strahlzusätze so gewählt werden, dass die Härte des sich ergebenden Strahlmittels höher als die von reinem Trockeneis ist und/oder die Reinigungswirkung des Trockeneises aufgrund seiner chemischen Aktivität verbessert wird.
Die Temperatur, auf die die Oberfläche des Werkstücks vor der Behandlung gebracht wird, liegt über der Sublimationstemperatur von Kohlendoxid (-78,9°C bei 1 bar) und über der Zersetzungstemperatur des Strahlzusatzes; bei mehreren chemischen Verbindungen als Strahlzusätze über der jeweils höchsten Zersetzungstemperatur. Beispielsweise wird die Oberfläche auf eine Temperatur von über 50°C, bevorzugt auf eine Temperatur von über 100°C oder über 150°C gebracht. Die Erwärmung der Oberfläche erfolgt dabei entweder mittels einer Fremdbeheizung, beispielsweise durch einen heißen Gasstrom oder eine elektrische Heizung, oder die Oberfläche liegt bereits aufgrund eines vorangegangenen Bearbeitungs- oder Herstellungsprozesses auf einer entsprechend hohen Temperatur von beispielsweise 100°C bis 300°C vor.
Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, einen physikalisch auf eine Oberflächenbeschichtung einwirkenden oder chemisch mit dieser reagierenden Strahlzusatz einzusetzen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Herstellung des Strahlmittels.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das Strahlmittel durch Mischen des Strahlzusatzes mit flüssigem Kohlendioxid und anschließendem Entspannen und/oder Einfrieren des erzeugten Gemisches zu gewinnen. Der Begriff „Mischen“ soll hier insbesondere auch das vollständige oder teilweise Einlösen des Strahlzusatzes in das flüssige Kohlendioxid einschließen, oder die Beimischung des Strahlzusatzes in seinerseits gelöster Form, beispielsweise als wässerige Lösung. In diesem Fall besteht das erfindungsgemäße Strahlmittel somit aus mono- oder polykristallinen Partikeln, deren Kristalle bzw. Kristallite aus einer Matrix aus Trockeneis (CO₂) besteht, in dem Spuren des Strahlzusatzes, sowie ggf. von Wasser eingebaut sind. Das Gemisch wird anschließend entweder entspannt oder durch fortgesetzte Kühlung mit einem Kühlmedium, beispielsweise Flüssigstickstoff, auf eine Temperatur unterhalb der Erstarrungstemperatur des Gemisches bzw. der Lösung gebracht, und dadurch zu einem Eiskörper geformt. Bei der Entspannung entsteht ein aus Kohlendioxidschnee mit Einschlüssen aus Strahlzusatz bestehendes Pulver, das entweder direkt als Strahlmittel eingesetzt oder zu Pellets verfestigt und anschließend als Strahlmittel eingesetzt wird. Bei der Abkühlung des Gemisches bzw. der Lösung auf eine Temperatur unterhalb der Erstarrungstemperatur weisen die aus dem Eiskörper hergestellten Strahlpartikel eine besonders hohe Härte und besonders gute abrasive Eigenschaften auf. Weiterhin kann das Strahlmittel auf einer Temperatur unterhalb seiner Erstarrungstemperatur gebracht, also unterkühlt werden, um den Anteil an Trockeneis im Strahlmittel zu erhöhen und eine frühzeitige Sublimation von Teilen des Trockeneises zu verhindern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Strahlzusatz als wässerige Lösung dem flüssigen Kohlendioxid zugeführt. Auf diese Weise können auch solche Strahlzusätze zum Einsatz kommen, die sich nur in Anwesenheit von Wasser bilden können, beispielsweise Ammoniumsalze wie Ammoniumhydrogencarbonat, Ammoniumcarbonat oder Ammoniumcarbamat. Derartige Strahlzusätze enthalten somit Wasser zumindest in einer Menge, wie sie für die Bildung der Salze stöchiometrisch erforderlich ist. Darüber hinaus kann das Strahlmittel einen Anteil an Wasser von beispielsweise 5-10 Gew.-% enthalten, das die physikalischen Eigenschaften des Strahlmittels ebenfalls positiv beeinflusst und insbesondere die Stabilität von daraus hergestellten Pellets erhöht.
Alternativ zur zuvor beschriebenen Herstellungsmethode wird das Strahlmittel durch Erzeugen von Trockeneispartikeln durch Entspannen und/oder Einfrieren von flüssigem Kohlendioxid und anschließender Vermischung mit dem Strahlzusatz gewonnen. Dadurch ergibt sich ein mehr oder minder homogenes Gemisch aus Trockeneisteilchen und Strahlzusatz. Es ist im Übrigen im Rahmen der Erfindung auch möglich, beide Varianten miteinander zu kombinieren und beispielsweise einen ersten Strahlzusatz in das noch flüssige Kohlendioxid einzumischen und einen zweiten Strahlzusatz zuzufügen, nachdem das Gemisch aus erstem Strahlzusatz und Kohlendioxid entspannt bzw. verfestigt wurde.
Zur Anwendung wird das Strahlmittel in einem Trägergasstrom, beispielsweise Druckluft oder ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff, mittels einer Stahlpistole auf die zu behandelnde Oberfläche ausgetragen.
Im Rahmen der Erfindung bevorzugte Strahlzusätze sind insbesondere Ammoniumsalze, wie beispielsweise Ammoniumhydrogencarbonat (NH₄HCO₃, Zersetzung bei ca. 60°C), Ammoniumcarbonat ((NH₄)₂CO₃; Zersetzung ab 58°C), Ammoniumcarbamat (CH₆N₂O₂; Zersetzung bei ca. 35°C) oder das NH₄HCO₃ enthaltende Hirschhornsalz. Ein ebenfalls vorteilhafter Strahlzusatz ist Harnstoff (H₂N-CO-NH₂; Zersetzung bei 132,5-134,5 °C). Strahlzusätze mit zumindest teilweise gasförmigen Zersetzungsprodukten sind beispielsweise Natriumhydrogencarbonat (NaHCO₃; Zersetzung ab 50°C), Kaliumhydrogencarbonat (KHCO₃; Zersetzung bei ca. 200°C), oder Pottasche (K₂CO₃). Die genannten Strahlzusätze können alleine oder in Kombination miteinander oder in Kombination mit weiteren Strahlzusätzen, wie beispielsweise Sand, Glas, Metallpulver oder Korund, im Gemisch mit dem Trockeneis vorliegen.
Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Strahlmittels besteht in der Oberflächenbehandlung von Werkstücken aus Kunststoffen wie Duroplasten oder Elastomeren, bevorzugt unmittelbar nach deren Fertigung oder im Bestrahlen von Werkzeugen, welche für die Formgebung von thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Kunststoffen eingesetzt werden; beispielsweise handelt es sich bei den zu behandelnden Werkstücken um Gießharzformen. Insbesondere bei der Aushärtung derartiger Werkstoffe bilden sich häufig Rückstände, die durch geeignete Trennmittel und kontinuierliche Reinigung aufwändig entfernt werden müssen. Eine Reinigung mit konventioneller Trockeneisbestrahlung ist aufgrund der geringen Härte der Trockeneisteilchen entweder nicht möglich, oder sie erfordert einen hohen Druck im Trägergasstrom, der in der Anwendung mit erheblichen Lärmemissionen von bis zu 130 dB und mehr verbunden ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Rückstände, beispielsweise Kunststoffreste, zuverlässig und schonend entfernt werden.
Kunststoffwerkstücke befinden sich kurz nach ihrer Fertigung noch auf einer recht hohen Temperatur von beispielsweise 150°C bis 300°C, sodass das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist, ohne dass es einer Fremdbeheizung des Werkstücks bedarf. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für andere Produkte oder Halbzeuge, die sich nach einem Verfahrensschritt auf einer derartigen Temperatur befinden und einer Strahlbehandlung unterzogen werden müssen.
Strahlzusätze wie beispielsweise Ammoniumhydrogencarbonat, Hirschhornsalz, Ammoniumcarbonat oder Harnstoff zersetzen sich unmittelbar nach dem Auftreffen der Strahlpartikel auf die heiße Oberfläche der Werkstücke in ihre gasförmige Bestandteile und hinterlassen keine festen Verschmutzungen auf der Werkstückoberfläche. Die gasförmigen Zersetzungsbestandteile können aufgefangen und wiederverwendet werden. Da das erfindungsgemäße Strahlmittel eine bessere Reinigungswirkung als ein Strahlmittel aus reinem Trockeneis besitzt, ist ein erhöhter Druck im Trägergasstrom nicht erforderlich und es kann Druckluft mit Drücken, wie in Werkdruckluftnetzen üblich, von beispielsweise 6-16 bar eingesetzt werden. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des das erfindungsgemäßen Strahlmittels wird so die Lärmbelästigung auf ein erträgliches Maß abgesenkt, bzw. die Reinigung mittels Trockeneis enthaltenden Strahlen erst ermöglicht.
Beispiel:
Ein Strahlmittel wird aus Kohlendioxid mit einer Beimischung (Strahlzusatz) von 1 bis 10 Gew.-% Ammoniumhydrogencarbonat hergestellt. Zur Herstellung des Strahlmittels wird Ammoniak in unter Druck (10-20 bar) stehendes flüssiges Kohlendioxid eingeleitet und die Mischung anschließend unter Entstehung von festen Kristallen (Schnee) entspannt oder auf einen Temperaturwert unter der Erstarrungstemperatur der Mischung zu einem Eiskörper abgekühlt. Dabei ist das Vorhandensein von stöchiometrischen Mengen an Wasser erforderlich, damit sich Ammoniumhydrogencarbonat entsprechend der folgenden Reaktionsgleichung (1) bilden kann: NH₃ + H₂O + CO₂ → NH₄HCO₃ (1)
Analog kann sich auch entsprechend der folgenden Reaktionsgleichung (2) Ammoniumcarbonat bilden, sodass Mischungen aus Ammoniumhydrogencarbonat und Ammoniumcarbonat entstehen, welche auch mit unterschiedlichen Gehalten an Kristallwasser auskristallisieren können. 2 NH₃ + H₂O + CO₂ → (NH₄)CO₃ (2)
Im Falle der Entspannung werden die Schneekristalle direkt als Strahlmittel eingesetzt oder zu Pellets geformt; im Falle des Eiskörpers wird dieser zur Erzeugung strahlfähiger Partikel zerkleinert. Die Partikel des Strahlmittels werden in einem inerten Trägergasstrom, beispielsweise Druckluft oder Stickstoff, auf eine zu behandelnde Oberfläche eines Werkstücks ausgetragen, das auf einer erhöhten Temperatur von über 60°C vorliegt. Beispielsweise handelt es sich beim Werkstück um ein Kunststoffbauteil unmittelbar nach dessen Fertigung, die beispielsweise bei einer Temperatur von 200°C bis 300°C erfolgte. Des weiteren kann es sich dabei um die zur Fertigung des Kunststoffbauteils eingesetzte Form (das Werkzeug) handeln, aus der mittels der Erfindung darin zurückgebliebene Kunststoffreste und anhaftendes Trennmittel entfernt werden.
Aufgrund der Beimischung des Ammoniumhydrogencarbonats bilden die Schneekristalle bzw. kristalline Bereiche im Eiskörper Mischkristalle aus, deren mechanische Eigenschaften sich deutlich von den kristallinen Ausformungen reinen Trockeneises unterscheiden. Insbesondere sind sie härter als reine Trockeneispartikel, die auf die gleiche Weise hergestellt werden. Aufgrund der hohen Temperatur der behandelten Oberfläche zersetzen sich im Strahlmittel enthaltenes Ammoniumhydrogencarbonat und Ammoniumcarbonat unmittelbar nach der Bestrahlung in ihre gasförmigen Bestandteile Ammoniak, Wasser und Kohlendioxid und verflüchtigen sich. Gegenüber üblichen Trockeneisstrahlen erfolgt eine raschere Reinigung, bzw. der Druck des Trägergases kann gegenüber dem einer reinen Trockeneisstrahlung deutlich reduziert werden.

Claims

Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche, bei dem ein aus einer Mischung aus Trockeneis und zumindest einem Strahlzusatz bestehendes Strahlmittel in einem Trägergasstrom auf eine zu behandelnde Oberfläche eines Werkstücks aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlzusatz wenigstens eine sich bei Überschreiten einer Zersetzungstemperatur in gasförmige Bestandteile zersetzende chemische Verbindung zum Einsatz kommt, und dass die zu behandelnde Oberfläche vor dem Bestrahlen mit dem Strahlmittel auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur gebracht wird oder auf einer solchen Temperatur vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel durch Mischen des Strahlzusatzes mit flüssigem Kohlendioxid und anschließendem Entspannen und/oder Einfrieren des erzeugten Gemisches gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel durch Erzeugen von Trockeneispartikeln durch Entspannen und/oder Einfrieren von flüssigem Kohlendioxid und anschließender Vermischung mit dem Strahlzusatz gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlzusatz ein Ammoniumsalz oder Harnstoff oder Pottasche oder Soda oder Natriumhydrogencarbonat oder Kaliumhydrogencarbonat enthält.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Bestrahlen von Werkstücken aus Kunststoffen.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Bestrahlen von Werkzeugen, welche für die Formgebung von thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Kunststoffen eingesetzt werden.