EP1843874B1

EP1843874B1 - Vorrichtung und verfahren zum reinigen, aktivieren oder vorbehandeln von werkstücken mittels kohlendioxidschnee-strahlen

Info

Publication number: EP1843874B1
Application number: EP05822749A
Authority: EP
Inventors: Felix Elbing; Raphael Rotstein; Marc Knackstedt
Original assignee: Cryosnow GmbH
Current assignee: Cryosnow GmbH
Priority date: 2005-02-05
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2025-11-28
Also published as: US20080092923A1; CA2597005A1; ES2409161T3; WO2006081856A1; DE102005005638B3; JP4939439B2; CN101124065A; US7967664B2; EP1843874A1; CA2597005C; CN101124065B; JP2008529760A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln von Werkstücken mittels Kohlendioxidschnee-Strahlen, erzeugt aus unter Druck stehenden CO2-Fluiden und mindestens einem Trägerdruckgas, beschleunigt durch eine Auslassdüse, wobei ein zweiphasiges Kohlendioxidgemisch bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln in einer Agglomerationskammer durch Agglomeration und Verdichtung von Kohlendioxidschneekristallen erzeugt und dem Trägergas zugemischt wird.
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 auf Grund 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.
Das Dokument US- A 4962891 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Mischung aus CO2-Partikeln und CO2-Gas aus flüssigem CO2 und deren Beschleunigung auf hohe Geschwindigkeiten durch eine schmale Schlitzdüse zum Entfernen von Verunreinigungen von einem Substratwerkstoff wie optischen Apparaten oder Wafern. Naturgemäß darf bei derartigen Anwendungen die zu reinigende Oberfläche nur mit einer geringen Energiedichte beaufschlagt werden.
In der Patentschrift US-A 5616067 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen druckempfindlicher Oberflächen mit relativ geringer Energie beschrieben, bei der flüssiges CO2 in einen zentrischen Luftstrom, für spezielle Zwecke auch ein Stickstoffstrom, dosiert und nach dem Injektor-Prinzip beschleunigt wird. Die Umwandlung in abrasive CO2-Partikel von sehr geringer Abmessung erfolgt in der Gasströmung selbst, eine Entspannungs- oder Agglomerationskammer für eine CO2-Schnee-Bildung ist nicht offenbart. Es wird eine Düse nach Art bekannter konvergent-divergenter Querschnittsformen in Längsrichtung (Achsrichtung) mit variablem ovalen oder eckigen Auslassquerschnitt vorgeschlagen. CO2 wird tangenlial in den divergenten Auslassquerschnitt eingelassen,
Das Dokument US-A 5405283 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung mit der man Druckluft geringen Druckes mittels Stickstoff kühlt und das resultierende Gas gemeinsam mit expandiertem CO2-Fluid in eine Kammer leitet. Über eine Stratrldüse mit konvergentem und divergentem Abschnitt zum Transportieren, Mischen und Beschleunigen der CO2-Partikel mit Überschallgeschwindigkeit wird das Gasgemisch zur Reinigung auf Substrate mit stark anhaftenden Verunreinigungen gerichtet.
In der WO03/022525 werden ein Strahlveilahren und eine Strahlvorhchtung zum Reinigen von Oberflächen beschrieben. Mit einem Adapter kann ein zusätzliches abrasives Strahlmittel oder eine Flüssigkeit aus einer Druckquelle zu einem Strahimedium mit einem Strahlmittel, wie z.B. Trockeneis, dosiert werden. Es soll eine hohe Strahlleistung und/oder eine weite Auffächerung des Strahls mit der Anordnung erreicht werden.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der US 6 695 686 B1 bekannt, bei dem zum abrasiven Reinigen von Oberflächen mit vorher produzierten Trockerieisteilchen als Strahlmittel direkt vor einer Strahldüse einphasige Trockeneisteilchen einer Kammer tangential zugeführt werden, die dann von einer zentrischen Trägergasströmung mit fast Schallgeschwindigkeit axial, mit Drehbewegung um die Strömungsachse, beschleunigt und durch die Düse auf eine Oberfläche abgestrahlt werden.
Im Dokument WO00/74897 A1 ist ein Strahlwerkzeug zur Erzeugung eines Strahles aus CO2-Schnee mit einer ersten Düse und einer zweiten Düse zur Erzeugung eines Stützstrahles, der den ersten Strahl umschließt, beschrieben. Am Düsenaustritt der ersten Düse erfolgt die Phasenumwandlung aus flüssigem CO2.
Im Dokument WO2004/033154 A1 werden ein Strahlverfahren und eine Strahlvorrichtung zum Reinigen von Oberflächen beschrieben. Zu einem zentrisch in einem Rohr zugeführten Trägergas wird unter Druck stehendes CO2-Gas in einem Entspannungsraum in Trockenschnee bzw. flüssiges CO2 umgewandelt, teils in Trockeneispartikel, und unter einem spitzen Winkel dem Strahlrohr zugeleitet Dabei wirkt der Trägergasstrom als Injektor. Das Trägergasvolumen bzw. das flüssige CO2 können durch Drosselventile dosiert werden; das Strahlgemisch wird dann, vorzugsweise mit Schallgeschwindigkeit via Laval-Düse auf das zu reinigende Substrat gerichtet. Die Reinigungswirkung soll durch zuzuführende Wassertropfen und / oder Eispellets erhöht werden.
Die bisherigen Verfahren und Vorrichtungen zum Strahlen mit unterschiedlichen Phasen von CO2 konnten sich bisher auf Grund der Kosten für die Trockeneispellets, der geringen Automatisierungsfähigkeit, des hohen Schalldruckpegels sowie der aufwendigen Logistik für Gas und zu bearbeitende Werkstücke nicht industriell durchsetzen.
Oft werden zu geringe Strahlleistungen erzielt, da zu kleine Partikeldurchmesser bzw. keine festen Partikel und / oder zu geringe Partikelgeschwindigkeiten eingesetzt werden. Beim Strahlen mit CO2-Pellets hingegen treten durch zu große Partikeldurchmesser Beschädigungen der bearbeiteten Substratoberflächen auf. Darüber hinaus sind die Investitions- und Betriebskosten für einen wirtschaftlichen Einsatz zu hoch.
Ausgehend vom zuletzt genannten Stand der Technik liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung mittels Kohlendioxidschneestrahlen zur Verfügung zu stellen, mit der bei geringen Investitions- und Betriebskosten sowie ohne Beschädigung der bearbeiteten Substratoberflächen hohe Strahlleistungen, gemessen als flächige Wirkung pro Zeiteinheit bei der Reinigung / Vorbehandlung / Aktivierung von Oberflächen, möglich ist. Darüber hinaus soll die Technologie im Dauerbetrieb automatisiert mit geringem Logistikaufwand einsetzbar sein.
Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 16. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erste Lösung umfasst ein Verfahren zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln von Werkstücken mittels Kohlendioxidschnee-Strahlen, erzeugt aus unter Druck stehenden CO2-Fluiden und mindestens einem Trägerdruckgas, beschleunigt durch eine Auslassdüse, wobei ein zweiphasiges Kohlendioxidgemisch bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln in einer Agglomerationskammer durch Agglomeration und Verdichtung von Kohlendioxidschneekristallen erzeugt und dem Trägergas zugemischt wird, wobei über eine Dosieröffnung einer Mischkammer, in die eine zentrische Gasströmung aus Trägerdruckgas einströmt, zugeführt, der Gasströmung radial von außen zudosiert, turbulent vermischt, in einer Auslassdüse mit dem gemischten turbulenten Gas beschleunigt und auf ein Werkstück geleitet wird.
Das Zumischen soll vorzugsweise in einer dreistufigen Mischkammer ablaufen, wobei im ersten Bereich der Mischkammer das zweiphasige Kohlendioxidgemisch ein in die Mischkammer hineinragendes Strahlrohr gleichmäßig umströmt, im zweiten Bereich der Mischkammer der Gasströmung, die aus dem Strahlrohr in die Mischkammer einströmt, zugeführt und im dritten Bereich der Mischkammer turbulent vermischt wird.
Dazu kann erfindungsgemäß mittels gezielt vorbestimmbarer Geometrie der Innenwandung der Mischkammer im mittleren oder hinteren Bereich die Turbulenzbildung unterstützt werden, indem das CO2-Gemisch in die Strömung des Strahlrohrs gelenkt wird.
Das Verfahren läuft in der Regel ab mit einer Gasströmung, die bei Eintritt in die Mischkammer auf eine Temperatur von 10 °C bis 40 °C eingestellt wird; dies ist bei der Drucklufterzeugung einfach erzielbar. Erfindungsgemäß kann im Verfahren jedoch die Gasströmung bei Eintritt in die Mischkammer auf eine Temperatur größer als 50 °C eingestellt werden, beispielsweise durch Anordnung einer Heizung am Strahlrohr. Damit lässt sich erreichen, dass weder an der Auslassdüse noch dem zu bearbeitenden Werkstück Kondensatwasser anfällt. Durch die resultierende höhere Durchschnittstemperatur bzw. die Temperaturspreizung zwischen Trägergas und CO2-Gemisch ist der Reinigungsschock am Werkstück größer. Versuche haben eine verbesserte Reinigung als Ergebnis gezeigt.
Der Mischeffekt der Gase und die Stabilisierung des Gasstromes lässt erfindungsgemäß unterstützen, wenn den zu Mischen Komponenten ein Drall / schraubenförmige Rotation durch entsprechende Einbauten in die Vorrichtung aufgeprägt wird.
Das Verfahren wird energiereicher, wenn erfindungsgemäß der Gasströmung oder der Mischkammer Flüssigkeitstropfen, vorzugsweise Wassertropfen, zugeführt werden.
Weitere Verbesserungen der Reinigung sind erfindungsgemäß in bestimmten Fällen - Art der zu bearbeitenden Oberfläche oder abzustrahlender Verunreinigungen oder Beschichtungen - erzielbar, wenn in die Gasströmung feste Strahlmittelpartikel eingebracht werden, vorzugsweise organische Partikel einschließlich Mehl, Holz, Kunststoffe oder anorganische Partikel einschließlich feinstgemahlener Feststoffe aus Silicium oder Salz. Das Verfahren bzw. die Vorrichtungsfunktion an sich werden dadurch nicht gestört aber das Ergebnis verbessert.
Das Verfahren wird bei der Agglomeration des CO2 gestützt, wenn das zweiphasige Kohlendioxidgemisch bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln in der Agglomerationskammer vor der Dosieröffnung von außen, vorzugsweise mit flüssigem Stickstoff, gekühlt wird.
Auch kann in das zweiphasige Kohlendioxidgemisch bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln vor der Dosieröffnung zum ähnlichen Zweck inerter flüssiger Stickstoff zugemischt wird.
Die zweite Lösung umfasst eine Vorrichtung zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln von Werkstücken mittels Kohlendioxidschnee-Strahlen, insbesondere zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens, umfassend eine Strahlvorrichtung mit regelbaren Zufuhreinrichtungen und Druckquellen für Trägergas und Kohlendioxid-Fluid, eine Agglomerationskammer für die Erzeugung von Kohlendioxidschneekristallen und eine Mischeinrichtung für das Trägergas und Kohlendioxid sowie dahinter angeordnete Auslassdüse, bei der die Zufuhreinrichtung für Trägergas als in die Mischeinrichtung ragendes Strahlrohr ausgebildet ist, die Agglomerationskammer zur Agglomeration und Verdichtung von Kohlendioxidschneekristallen in einem zweiphasigen Kohlendioxidgemisch eine Dosieröffnung aufweist, welche in einen Ringraum mündet, die Mischeinrichtung als mehrteilige Mischkammer an einem Ende mit einem Ringraum ausgebildet ist und am anderen Ende eine Auslassöffnung hat, die in die Auslassdüse mündet.
Erfindungsgemäß kann die Mischkammer in hinteren Teil-Bereichen ein Einschnürung oder Einbauten zur Verstärkung der Turbulenz der Gasströme aufweisen.
In einer Ausführungsform kann die Agglomerationskammer vorzugsweise als Rohr mit Innenrippen ausgebildet sein, wobei die Innenrippen der Agglomerationskammer in Strömungsrichtung des Kohlendioxids CO2 (Pfeil) linear verlaufen oder in Form einer Wendel am inneren Umfang des Rohres angeordnet sind. Damit kann die Bildung von CO2-Schnee verstärkt werden.
Die Auslassdüse wird meist eine Lavaldüse sein, jedoch sind erfindungsgemäß auch andere Formen mit Flachquerschnitt oder rundem oder ringförmigem Auslass anwendbar und deren Anwendung entsprechend der Anforderungen des Werkstückes geboten, je nachdem ob große Flächen oder Bohrungen, Rippen, Nuten oder ähnliches zu reinigen sind. Die Grenzen der - gemäß bisherigen praktischen Versuchen - sinnvoll einsetzbaren Düsen mit guten Ergebnissen sind in den Unteransprüchen bestimmt.
Durchgeführte Untersuchungen im Rahmen der Erfindung haben ergeben, dass bei herkömmlicher Dosierung von Strahlmittel zu einem Trägergasstrom große Leistungsverluste auftreten. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen dreistufigen Mischkammer gelingt es, das zweiphasige Kohlendioxidgemisch gleichmäßig verteilt, ohne signifikante Sublimation von Kohlendioxidpartikeln sowie homogen turbulent durchmischt der Gasströmung zuzuführen.
Vorteil der Erfindung ist, dass die Kohlendioxidpartikel in einer Agglomerationskammer aus Kohlendioxidschneekristallen durch Agglomerations- und Verdichtungsvorgänge erzeugt werden. Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Art der Erzeugung von Kohlendioxidpartikeln im Vergleich zum Stand der Technik deutlich höhere Strahlleistungen beim Reinigen, Vorbehandeln und Aktivieren von Oberflächen ermöglicht. Für die Reinigung und Vorbehandlung von Bauteilen, Werkzeugen und Formen sowie Maschinen und Anlagen lassen sich so Einsparungen der Investitions- und Betriebskosten erzielen. Durch den Einsatz von Kohlendioxidschneekristallen kann die Technologie im Dauerbetrieb automatisiert und mit geringem Logistikaufwand betrieben werden.
Werkstoffanalysen von erfindungsgemäß bearbeiteten Kunststoff- und Metalloberflächen haben gezeigt, dass keine Beschädigung der bearbeiteten Substratoberflächen auftritt. Bei Verwendung der optimalen Temperatur-, Strömungs- und Druckverhältnisse im Bereich der Agglomerationskammer, der Mischkammer und der Düse lassen sich höhere Strahlleistungen bei gleichzeitiger Verbesserung der Reinheitsqualitäten erzielen.
Zur Automatisierung der erfindungsgemäßen Verfahren werden die Parameter Druck, Volumenstrom und / oder Temperatur der beim Verfahren verwendeten Fluide von einem Rechner mittels Sensoren sensiert und erfasst sowie nach Abgleich mit vorgegebenen oder errechneten Sollwerten gesteuert.
Darüberhinaus können in Weiterentwicklung der Erfindung auch eine Relativbewegung der Auslassdüse zu dem zu bearbeitenden Werkstück mittels Rechner geregelt und somit auch beliebige Werkstücke nach Lage und Orientierung sensiert und die zu behandelnde Oberfläche mit der Strahlvorrichtung überstrichen werden.
Für die Automatisierung wird ein Steuerrechner eingesetzt, der über elektrische Stellglieder auf eine Pneumatiksteuerung zugreift. Die Prozess- und Einstellparameter werden mit Hilfe von Messaufnehmern erfasst und dem Steuerrechner als elektrische Signale zugeführt.
Die Primärsteuerung des Kohlendioxidschneestrahlens bzw. der Vorrichtung erfolgt rein pneumatisch, so dass das Verfahren ohne elektrischen Anschluss eingesetzt werden kann. Darüber hinaus sind pneumatische Komponenten im Vergleich zu elektrischen deutlich störungs- und wartungsunanfälliger.
Im Falle der manuellen Anwendung der Erfindung hat man eine einfache Logistik, da keine elektrische Versorgung notwendig ist.
Anwendungsbeispiele für die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung in einem erfindungsgemäßen Verfahren:

Beispiel 1

Das Reinigungs- und Vorbehandlungsverfahren zum Kohlendioxidschneestrahlen kann industriell für die automatisierte Reinigung von Kunststoffbauteilen vor Lackierprozessen eingesetzt werden. Ziel ist die vollständige Reinigung der Kunststoffoberflächen vor dem Lackieren, d. h. insbesondere das Entfernen von Fetten, Ölen, Trennmitteln, Fingerabdrücken, Staubpartikeln und Schleifstaub. Als Trägergas wurde partikel-, öl- und wasserfreie Druckluft eingesetzt, die mit einem Schraubenkompressor erzeugt und anschließend aufbereitet wurde. Die Kohlendioxid-Versorgung erfolgte über einen Niederdrucktank. Die Einstellparameter lagen für den Strahldruck der Druckluft zwischen 2 bar und 6 bar bei einem Volumenstrom zwischen 2 m³/min und 6 m³/min sowie für den Druck des Kohlendioxids zwischen 18 bar und 22 bar. Abhängig von der Größe und der Geometrie der zu reinigenden Oberfläche der Kunststoffbauteile sowie der geforderten Taktzeit wird eine Rund- bzw. Flachdüse eingesetzt. Die Düse wurde mit Hilfe eines sechsachsigen Industrieroboters über das zu reinigende Bauteil geführt. Über einen Rechner wurden die Anlagen-Parameter, hier Drücke und Volumenströme von Druckluft und CO2, sowie Geschwindigkeit der Relativbewegung der Strahlvorrichtung und deren Position gegenüber der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche geregelt.
Der Verbrauch an Kohlendioxid ist abhängig von der verwendeten Düse und der Menge bzw. Haftkraft der Verunreinigungen der Kunststoffoberfläche und liegt zwischen 0,2 kg/min und 1,0 kg/min. Zum Erreichen der industriell geforderten Reinheitsanforderungen liegt die Vorschubgeschwindigkeit der Strahldüse zwischen 200 mm/s und 600 mm/s. Wird eine Flachdüse mit einer Strahlbreite von 80mm verwendet, kann eine Oberfläche zwischen 1 m²/min und 3 m²/min gereinigt werden. Die Analyse der Oberflächenreinheit nach dem Reinigen erfolgte optisch mit einem Lichtmikroskop sowie durch einen Wischtest. Zusätzlich wurden Analysen des direkt im Anschluss aufgebrachten Lacksystems durchgeführt.

Ergebnis:

Die Qualität der Lackhaftung und der Lackbeständigkeit konnte im Vergleich zu

konventionellen Waschverfahren
manuellem Reinigen
CO2-Strahlen mit Geräten gemäß dem Stand der Technik

Beispiel 2:

Reinigen von großen Spritzgussformen, die eine Oberfläche von 1 m² bis 8 m² aufweisen können, müssen eingebrannte, stark haftende Trennmittelrückständen von diesen Werkzeugoberflächen entfernt werden. Es wird dazu Druckluft mit einem Strahldruck von 8 bar bis 10 bar bei einem Volumenstrom von 6 bis 8 m³/min durch einen Schraubenkompressor erzeugt. Die Kohlendioxid-Versorgung erfolgt mit Hilfe von Steigrohrflaschen, vorzugsweise in einem Flaschenbündel angeordnet. Der Druck des Kohlendioxids liegt zwischen 40 bar und 60 bar. Die Reinigungsvorrichtung wird manuell über die zu reinigende Werkzeugoberfläche geführt. Abhängig von der Haftkraft und der Menge der Verunreinigungen auf der Formoberfläche liegt die Reinigungsleistung zwischen 0,2 m²/min und 1,0 m²/min. Der Kohlendioxid-Verbrauch bei Verwendung einer Runddüse mit einem Strahldurchmesser von 20 mm betrug 1 kg/min. Die Strahlenergie wurde einerseits durch gezieltes Einbringen von Wassertröpfchen in die Mischkammer variiert. Andererseits hat sich eine Steuerung der Strahlgeschwindigkeit im Bereich von 100 m/s bis 300 m/ s als günstig erwiesen.

Ergebnis:

Durch das Reinigen der Formen mit Kohlendioxidschneestrahlen kann die Maschinenstillstandszeit signifikant reduziert, eine mechanische Beschädigung durch die sonst für die Reinigung eingesetzten Drahtbürsten vermieden sowie die Kosten gesenkt werden. Die Trennmittelrückstände werden mit dem anfallenden Gasstrom weggespült.
Zusätzlich wird die Reinheit der Formoberfläche verbessert und damit die Qualität der in der Form gespritzten Werkstücke an deren Oberfläche verbessert.
Anhand einer schematischen Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum CO2-Schneestrahlen, wobei zahlreiche Ausführungsformen der Vorrichtung gemeinsam in einer Figur dargestellt sind;
Fig. 2: unterschiedliche Ausführungsformen A, B, C, D einer Auslassdüse für die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt die Vorrichtung zum Kohlendioxidschneestrahlen. In die Mischkammer 1 wird eine Gasströmung 2 über die Gaszuführleitung 3 und ein in die Mischkammer 1 hineinragendes Strahlrohr 4 geleitet. Bei der Gasströmung handelt es sich um sauber aufbereitete Luft, die von einem Kompressor 5 erzeugt wird.
In speziellen Fällen der Lebensmittelindustrie oder der optischen Industrie kann stattdessen inertes Gas wie Stickstoff, der einem Drucktank 6 entnommen wird, Anwendung finden.
Quer zum Strahlrohr 4 und der Mischkammer 1 ist eine Agglomerationskammer 8 für CO2-Schneepartikel angeordnet, die an ihrer Auslassseite das Strahlrohr 4 umschließt. Ober ein nicht dargestelltes Ventil wird CO2 (Pfeilrichtung) in flüssiger Form aus einem nicht dargestellten Tank in die Agglomerationskammer 8 geleitet und dort entspannt. Über eine Dosieröffnung 7 am Umfang der Mischkammer 1 wird ein zweiphasiges Kohlendioxidgemisch 9 bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln der Mischkammer 1 zugeführt.
In einem ersten Bereich 10 der Mischkammer 1 umströmt das zweiphasige Kohlendioxidgemisch das in die Mischkammer 1 hineinragende Strahlrohr 4 der Gaszuführleitung 3 und wird in einem zweiten Bereich 11 der Mischkammer 1 der Gasströmung 2 radial zudosiert. In einem dritten Bereich 12 der Mischkammer 1 erfolgt eine turbulente Vermischung von zweiphasigem Kohlendioxidgemisch 9 bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln mit der Gasströmung 2.
Aus der Austrittsöffnung 13 der Mischkammer 1 strömt eine Mischgasströmung mit Kohlendioxidpartikeln in eine Auslassdüse 14 und wird dort beschleunigt. Aus der Düsenöffnung 15 tritt ein Kohlendioxidschneestrahl 16 aus, der zum Reinigen oder Vorbehandeln oder Aktivieren einer Werkstückoberfläche 17 eingesetzt werden kann.
Im Folgenden sind weitere Ausführungsformen der Vorrichtung zum Kohlendioxidschneestrahlen beschrieben, bei denen additive Bauteile bzw. Maßnahmen den Grad der Automatisierung des Verfahrens erhöhen können bzw, eine feinere Steuerung und Anpassung an die Bearbeitungsaufgabe ermöglichen.
Die Steuerung über Rechner ist nicht explizit dargestellt; bevorzugt wird ein pneumatische Steuerung, wobei Sensoren und Stellglieder an allen im Folgenden auch noch im Detail zu ergänzenden Funktionseinheiten angebracht sind. Dasselbe gilt für einen Roboter, der - beispielsweise gemäß den Anwendungsbeispielen - mit einer der beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie den Gasbehältern bestückbar ist.
Alternativ kann die Vorrichtung, zumindest als Grundgerät, für kleinflächige Anwendungen auch als tragbares "Rucksackgerät" für manuelle Anwendungen ausgebildet sein.

Ausführungsform 2:

Zur Steigerung der turbulenten Vermischung im dritten Bereich 12 der Mischkammer 1 und damit zur Verbesserung der Strahlleistung werden am inneren Umfang der Gaszuführleitung 3 und/oder des in die Mischkammer 1 hineinragenden Rohrstücks 4 mechanische Einbauten 18, die die Gasströmung 2 in schraubenförmige Rotation / Drall versetzen und dadurch die Strömung stabilisiert.

Ausführungsform 3:

Zur Erhöhung der Temperatur der Gasströmung 2 und damit zur Verbesserung der Strahlleistung sowie zur Verminderung von Feuchtigkeitskondensation an der Werkstück-Oberfläche 17 ist in der Gaszuführleitung 3 vor dem in die Mischkammer 1 hineinragenden Rohrstück 4 eine Heizung 19 mit Temperatursensor integriert.

Ausführungsformen 4/5:

Zur Verbesserung der Strahlleistung und/oder zum Erreichen bestimmter Eigenschaften der Oberfläche nach dem Reinigen, Vorbehandeln und/oder Aktivieren werden in der Gaszuführleitung 3 vor dem in die Mischkammer 1 hineinragenden Rohrstück 4 über ein Strahlmitteldosiersystem 20 feste Strahlmittelpartikel und/oder über ein Flüssigkeitsdosiersystem 21 Wassertropfen und/oder korrosionshemmende Stoffe, vorzugsweise Phosphate, in die Gasströmung 2 dosiert.

Ausführungsform 6:

Zur Verbesserung der Strahlleistung und/oder zum Erreichen bestimmter Eigenschaften der Oberfläche nach dem Reinigen, Vorbehandeln und/oder Aktivieren werden direkt in die Mischkammer, vorzugsweise im ersten Bereich 10 bzw. zweiten Bereich 11 der Mischkammer 1, Wassertropfen und/oder korrosionshemmende Stoffe, vorzugsweise Phosphate, und/oder feste Strahlmittelpartikel über ein Zuführsystem 22 eingebracht

Ausführungsform 7:

Zur Verbesserung der Dosierung und der turbulenten Vermischung in der Mischkammer 1 befinden sich am inneren Umfang der Dosieröffnung 7 am Umfang der Mischkammer 1 mechanische Einbauten 23, die das zweiphasige Kohlendioxidgemisch bestehend aus Kohlendioxidgas 8 und Kohlendioxidpartikeln 9 in schraubenförmige Rotation versetzen.

Ausführungsform 8:

Zur Vergrößerung der Kohlendioxidpartikel 9, zur Erhöhung des Massenstroms an Kohlendioxidpartikeln und damit zur Verbesserung der Strahlleistung wird das zweiphasige Kohlendioxidgemisch bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln 9 vor der Zuführung über die Dosieröffnung 7 in die Mischkammer 1 von außen mit einem Kühlsystem 24 mit Thermosensor mit flüssigem Stickstoff aus dem Reservoir 25 gekühlt.

Ausführungsform 9:

Eine andere Kühlmöglichkeit ist das direkte Dosieren von flüssigem Stickstoff in das zweiphasige Kohlendioxidgemisch bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln 9 vor der Zuführung über die Dosieröffnung 7 in die Mischkammer 1 über ein Stickstoffdosiersystem 26.

Ausführungsform 10111:

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Strahlleistung durch Vergrößerung und Verdichtung der Kohlendioxidpartikel 9 ist der Einsatz einer Innenrippe 27 vor der Zuführung des zweiphasigen Kohlendioxidgemisches über die Dosieröffnung 7 in die Mischkammer 1. Die Innenrippe 27 dient in der Agglomerationskammer 8 als Hilfe zur vermehrten Schneebildung und führt dazu, dass sich die Kohlendioxidschneekristalle zu größeren und dichteren Kohlendioxidpartikeln 9 zusammenlagern. Die Innenrippen der als Rippenrohr ausgebildeten Kammer verlaufen in Strömungsrichtung des - selbstverständlich in allen Ausführungsformen der Vorrichtung über eine nicht dargestellte Düse mit vorbestimmbarem oder verstellbarem Querschnitt - aus einer Quelle flüssig zuströmenden CO2 (Pfeil) linear.
Die Strahlleistung lässt sich zusätzlich steigern, wenn die Innenrippen 27 des Innenrippenrohres in Form einer Wendel am inneren Umfang der Kammer 8 ausgebildet sind.
Fig. 2 zeigt einige Ausführungsformen A, B, C, D für die Düse 14, aus dessen Düsenöffnung 15 der Kohlendioxidschneestrahl 16 austritt und zum Reinigen, Vorbehandeln und Aktivieren einer Werkstück-Oberfläche 17 eingesetzt werden kann.
Fig. 2A: Als Düse 14 kann eine Lavaldüse 28 mit einem konvergenten Abschnitt 29, einem zylindrischen Abschnitt 30 und einem divergenten Abschnitt 31 eingesetzt werden. Die Geometrie des Ausrittsquerschnitts entspricht einem Kreis 32.
Fig. 2B: Die Vorrichtung zum Kohlendioxidschneestrahlen bietet die Möglichkeit, anwendungsabhängig Runddüsen 33 mit einer Austrittsquerschnittsfläche der Geometrie eines Kreises 34.
Fig, 2C / 2D: Flachdüsen 35 mit einer Ausrittsquerschnittsfläche der Geometrie eines Rechtecks 36 bzw. einer Ellipse 37, aber auch Ringdüsen 38 mit Strömungseinbauten 39 und einer Ausrittsquerschnittsfläche der Geometrie eines Kreisrings 40 einzusetzen.

Claims

Verfahren zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln von Werkstücken (17) mittels Kohlendioxidschnee-Strahlen, erzeugt aus unter Druck stehenden CO2-Fluiden und mindestens einem Trägerdruckgas (2), beschleunigt durch eine Auslassdüse (14), wobei ein zweiphasiges Kohlendioxidgemisch bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln (9) in einer Agglomerationskammer (8) durch Agglomeration und Verdichtung von Kohlendioxidschneekristallen (9) erzeugt und dem Trägergas (2) zugemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Dusieröffnung (7) einer Mischkammer (1), in die eine zentrische Gasströmung (2) aus Trägerdruckgas einströmt, zugeführt, der Gasströmung (2) radial von außen zudosiert, turbulent vermischt, in einer Auslassdüse (14) mit dem gemischten turbulenten Gas beschleunigt und auf ein Werkstück (17) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zumischen in einer dreistufigen Mischkammer (1) abläuft, wobei im ersten Bereich (10) der Mischkammer das zweiphasige Kohlendioxidgemisch (9) ein in die Mischkammer (1) hineinragendes Strahlrohr (4) gleichmäßig umströmt, im zweiten Bereich (11) der Mischkammer (1) der Gasströmung (2), die aus dem Strahlrohr (4) in die Mischkammer (11) einströmt, zugeführt und im dritten Bereich (12) der Mischkammer (1) turbulent vermischt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter Druck, Volumenstrom und / oder Temperatur der beim Verfahren verwendeten Fluide von einem Rechner mittels Sensoren sensiert und erfasst sowie nach Abgleich mit vorgegebenen oder errechneten Sollwerten gesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Parametern der Fluide auch eine Relativbewegung der Auslassdüse (14) zu dem zu bearbeitenden Werkstück (17) mittels Rechner geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Gasströmung (2) aus Luft der Druckluftquelle (5) oder Stickstoff aus einem Druckbehälter (6) handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Gasströmung (2) bei Eintritt in die Mischkammer (1) auf eine Temperatur von 10 °C bis 40 °C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Gasströmung (2) bei Eintritt in die Mischkammer (1) auf eine Temperatur größer als 50 °C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung (2) vor Eintritt in die Mischkammer (1) in Drall-Rotation versetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweiphasige Kohlendioxidgemisch (9) bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln vor der Dosieröffnung (7) in Drall-Rotation versetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasströmung (2) Flüssigkeitstropfen, vorzugsweise Wassertropfen, eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischkammer (1) Flüssigkeitstropfen, vorzugsweise Wassertropfen, zugeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gasströmung (2) feste Strahlmittelpartikel eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als feste Strahlpartikel vorzugsweise organische Partikel einschließlich Mehl, Holz, Kunststoffe oder anorganische Partikel einschließlich feinstgemahlener Feststoffe aus Silicium, Salz eingesetzt werden
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweiphasige Kohlendiaxidgemisch bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln (9) in der Agglomerationskammer (8) vor der Dosieröffnung (7) von außen, vorzugsweise mit flüssigem Stickstoff, gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in das zweiphasige Kohlendioxidgemisch bestehend aus Kohlendioxidgas und Kohlendioxidpartikeln (9) vor der Dosieröffnung (7) flüssiger Stickstoff zugemischt wird.
Vorrichtung zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln von Werkstücken (17) mittels Kohtendioxidschnee-Strahlen, insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Strahlvorrichtung (3, 4) mit regelbaren Zufuhreinrichtungen und Druckquellen (5, 6) für Trägergas (2) und Kohlendioxid-Fluid, eine Agglomerationskammer (8) für die Erzeugung von Kohlendioxidschneekristallen (9) und eine Mischeinrichtung (1) für das Trägergas (2) und Kohlendioxid (9) sowie dahinter angeordnete Auslassdüse (14), dadurch gekennzeichnet, dass
- die Zufuhreinrichtung (3) für Trägergas als in die Mischeinrichtung (1) ragendes Strahlrohr (4) ausgebildet ist,

- die Agglomerationskammer (8) zur Agglomeration und Verdichtung von Kohlendioxidschneekristallen in einem zweiphasigen Kohlendioxidgemisch eine Dosieröffnung (7) aufweist, welche in einen Ringraum (10) mündet,

- die Mischeinrichtung (1) als mehrteilige Mischkammer (10, 11, 12) an einem Ende mit einem Ringraum (10) ausgebildet ist und am anderen Ende eine Auslassöffnung (13) hat, die in die Auslassdüse (14) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Mischkammer (1) um eine dreistufige Mischkammer handelt, wobei der erste Bereich (10) der Mischkammer ausgebildet ist, das zweiphasige Kohlendioxidgemisch (9) um ein in die Mischkammer (1) hineinragendes Strahlrohr (4) gleichmäßig zu umströmen, der zweite Bereich (11) der Mischkammer (1) gestaltet ist, der Gasströmung (2) aus dem Strahlrohr (4) das Zweiphasengemisch zuzuführen und ein dritter Bereich (12) der Mischkammer (1) gestaltet ist, eine turbulente Vermischung von Kohlendioxid (CO2; 9) und Trägergas (2; 5, 6) zu bewirken.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomerationskammer (8) als Rohr mit Innenrippen (27) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippen (27) der Agglomerationskammer (8) in Strömungsrichtung des Kohlendioxids CO2 (Pfeil) linear verlaufen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippen der Agglomerationskammer (8) in Form einer Wendel am inneren Umfang des Rohres angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (1) in hinteren Teil-Bereichen (11 oder 12) ein Einschnürung oder Einbauten zur Verstärkung der Turbulenz der Gasströme aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassdüse (14) als Lavaldüse gestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassdüse (14) als Düse mit Rund-(32, 34), Flach- (36, 37) oder Ringquerschnitt (40) gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdüse eine Austrittsöffnung (36, 37) mit einer Breite von 20 mm bis 120 mm sowie eine Höhe von 1 mm bis 4 mm hat.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Runddüse eine Austrittsöffnung (32, 34) mit einem Durchmesser von 2 mm bis 20 mm hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Rechner zur Steuerung der Parameter Druck, Volumenstrom und / oder Temperatur der beim Verfahren verwendeten Fluide, die mittels Sensoren sensiert und erfasst und abgeglichen werden mit vorgegebenen oder errechneten Sollwerten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Rechner, geeignet, neben den Parametern der Fluide auch eine Relativbewegung der Auslassdüse (14) zu dem zu bearbeitenden Werkstück (17) zu regeln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Automatisicrungseinrichtung, bei der ein Steuerrechner über elektrische Stellglieder auf eine Pneumatiksteuerung für die gesamte Vorrichtung zugreifen kann.