WO2008142011A1 - Verfahren zur reinigung von oberflächen eines werkstückes - Google Patents

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WO2008142011A1
WO2008142011A1 PCT/EP2008/056011 EP2008056011W WO2008142011A1 WO 2008142011 A1 WO2008142011 A1 WO 2008142011A1 EP 2008056011 W EP2008056011 W EP 2008056011W WO 2008142011 A1 WO2008142011 A1 WO 2008142011A1
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light source
kavitationsblase
laser
liquid medium
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Martin Voss
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Robert Bosch Gmbh
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    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/04—Cleaning involving contact with liquid
    • B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0035—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like
    • B08B7/0042—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like by laser

Definitions

  • the invention relates to a method for cleaning surfaces of a workpiece according to claim 1.
  • ultrasonic waves can be used.
  • an ultrasonic device is described, are generated with the ultrasonic waves in a liquid bath and a mechanism of cavitation, a cleaning of immersed in the liquid bath workpieces is effected.
  • Cavitation is the formation of vapor bubbles in liquids.
  • the vapor bubbles are preferably formed at a low pressure. Due to the low pressure, as is known, the boiling temperature of a liquid decreases. Decreases while the
  • Boiling temperature so far that it is below the currently given temperature of the liquid, the above-mentioned vapor bubbles. If the pressure increases again, then decay, d. H. These bubbles implode or collapse again. When collapsing again, pressures and strong transient flow velocities arise, which can clean a surface when the collapse occurs near the surface.
  • the method according to the invention has the advantage that the surfaces of workpieces can be cleaned very precisely at desired locations.
  • the method makes it possible to adjust the size of the cavitation bubbles to be generated in a simple manner.
  • the size (radius) of the cavitation bubbles By the possible adjustment of the size (radius) of the cavitation bubbles, the cleaning of the surfaces can be carried out in a controlled manner.
  • Figure 1 shows an embodiment of the method according to the invention with a laser for generating a Kavitationsblase
  • Figure 2 is a collapsing cavitation bubble with a resulting cleaning of the surface of the workpiece (removal of dirt particles from the surface). Description of the embodiments
  • the inventive method for cleaning surfaces of a workpiece basically comprises the following steps: a) arranging a workpiece to be structured in a liquid medium, b) providing a light source for generating a Kavitationsblase in the liquid medium, and c) generating a Kavitationsblase with the light source such, that the surface of the workpiece is cleaned by the subsequent collapse of the cavitation bubble.
  • FIG. 1 shows a workpiece 1 with a surface 5 to be cleaned, wherein the workpiece 1 is arranged in a container 15 filled with a liquid medium 10. This corresponds to step a) of the process.
  • the liquid medium 10 is preferably water, in particular distilled water.
  • a light source 20 for generating a Kavitationsblase 25 is provided.
  • the light source 20 is not arranged in the liquid medium 10 in contrast to the workpiece 1 in this example. In general, however, the light source 20 can also be immersed in the liquid medium 10, partially or completely. It is only important that the light source 20 generates a light beam 30 with which a cavitation bubble 25 can be formed in the liquid medium 10.
  • the light source 20 is formed by a laser. With the aid of a lens system 35, which comprises at least one focusing lens, the laser beam can be spatially focused and positioned very accurately.
  • a laser beam is formed by a laser pulse of the laser, whereby a first increasing to a maximum bubble radius R max vapor bubble than the cavitation bubble 25 is generated C.Schdusen of the cavitation void 25 ").
  • the maximum radius can be R max
  • the vapor bubble is not generated directly on the location of the workpiece 1 to be cleaned, but is removed from the surface 5 of the workpiece 1 at a near distance s> 0 the laser beam is simply focused on a location having a distance s> 0 from the surface 5 of the workpiece 1.
  • the location of generation of the cavitation bubble 25 is simply equal to the location focused with the laser beam.
  • the cavitation bubble 25 collapses (FIG. 2).
  • the cavitation bubble 25 always decays in such a way that a pressure pulse is emitted in the direction of the workpiece 1 and a rapid jet flow in the direction of the workpiece 1 occurs.
  • the jet velocity at the usual ambient pressure and a maximum radius R max of 1 mm is about 100 m / s.
  • the diameter of the jet is about 0.1 mm.
  • the distance s is selected such that a pressure occurring during the collapse of the cavitation bubble 25 and the strongly instationary flow induced by the jet reach the surface 5 of the workpiece 1 and thereby tear dirt particles from the surface 5 which are not shown in the figures for reasons of clarity.
  • the surface 5 is thereby cleaned, but not structured.
  • the surface 5 is thus deliberately freed of dirt particles, without thereby deforming material parts of the workpiece 1 itself by the pressure pulse and / or removing them from the surface 5.
  • the removal of the dirt particles from the surface 5 is particularly reproducible if the ratio s / R max is greater than or equal to 1.9.
  • the distance s - as mentioned above - can be varied by an appropriate choice of the focal point of the laser. It is also possible to set the intensity and / or pulse duration of the laser so that R max reaches a suitable size.
  • step c) can be repeated several times in a cleaning process if necessary, until all dirt particles are removed from the surface 5.
  • the workpiece 1 and / or the light source 20 can be moved to raster the surface 5. So a regular and area-wide cleaning is possible.
  • particularly soiled areas can be treated by very localized cleaning of the surface 5, since the position of the cavitation bubble 25 to be generated can be precisely adjusted with the laser.
  • the method according to the invention ensures a controlled generation of cavitation bubbles 25 in the desired position in front of the surface 5 of a workpiece 1, such as a component, so that efficient cleaning of the surface 5 can be achieved.

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Reinigung von Oberflächen (5) eines Werkstückes (1) vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Anordnen eines zu strukturierenden Werkstückes (1) in einem flüssigen Medium (10), b) Bereitstellen einer Lichtquelle (20) zur Erzeugung einer Kavitationsblase (25) im flüssigen Medium (10), und c) Erzeugen einer Kavitationsblase (25) mit der Lichtquelle (20) derart, dass durch das anschließende Kollabieren der Kavitationsblase (25) die Oberfläche (5) des Werkstückes (1) gereinigt wird.

Description

Beschreibung
Titelel
Verfahren zur Reinigung von Oberflächen eines Werkstückes
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Oberflächen eines Werkstückes gemäß Anspruch 1.
Um Oberflächen eines Werkstückes zu reinigen, können Ultraschallwellen eingesetzt werden. So wird in DE 3815925 Cl eine Ultraschall-Vorrichtung beschrieben, mit der Ultraschallwellen in einem Flüssigkeitsbad erzeugt werden und über Mechanismus der Kavitation eine Reinigung der im Flüssigkeitsbad eingetauchten Werkstücke bewirkt wird.
Unter einer Kavitation wird die Bildung von Dampfblasen in Flüssigkeiten verstanden. Die Dampfblasen entstehen bevorzugt bei einem niedrigen Druck. Durch den niedrigen Druck nimmt wie bekannt die Siedetemperatur einer Flüssigkeit ab. Sinkt dabei die
Siedetemperatur so weit ab, dass sie unter der aktuell gegebenen Temperatur der Flüssigkeit liegt, entstehen die oben genannten Dampfblasen. Steigt der Druck wieder an, so zerfallen, d. h. implodieren oder kollabieren diese Blasen wieder in sich zusammen. Beim Kollabieren entstehen wiederum Drücke und starke transiente Strömungsgeschwindigkeiten, die eine Oberfläche reinigen können, wenn der Kollaps oberflächennah abläuft.
Bei einer Reinigung durch eine Ultraschallkavitation ist es jedoch nicht einfach, die Position der zu reinigenden Stelle genau einzustellen bzw. zu kontrollieren, da das Schallfeld und die dadurch zu erzeugenden Blasen selbst schwierig zu kontrollieren sind.
Andererseits ist es bekannt, zur Mikrostrukturierung von Oberflächen eines Werkstückes eine Lichtquelle vorzusehen, mit der zunächst eine Kavitationsblase erzeugt wird, die dann in einer gewünschten Position kollabiert. Wie in DE 10 2005 047 082 Al erläutert, wird dabei die Mikrostrukturierung erreicht durch gezieltes Abtragen des Werkstückmaterials von der Oberfläche des Werkstückes. Das Prinzip beruht also darauf, in die Oberflächen Aussparungen mittels einer erzwungenen Kavitation einzubringen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Oberflächen von Werkstücken sehr präzise an gewünschten Stellen gereinigt werden können.
Auch ist es möglich, eine gleichmäßige und komplette Reinigung der Oberflächen zu erzielen. Beim Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren stellt man ferner fest, dass die Effizienz der Reinigung gesteigert wird.
Das Verfahren ermöglicht nämlich sehr vorteilhaft, die Größe der zu erzeugenden Kavitationsblasen auf eine einfache Weise einzustellen. Durch die mögliche Einstellung der Größe (Radius) der Kavitationsblasen kann die Reinigung der Oberflächen kontrollierter durchgeführt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Laser zur Erzeugung einer Kavitationsblase, und
Figur 2 eine kollabierende Kavitationsblase mit einer daraus resultierenden Reinigung der Oberfläche des Werkstückes (Entfernung der Schmutzpartikeln von der Oberfläche). Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung von Oberflächen eines Werkstückes umfasst grundsätzlich folgende Schritte: a) Anordnen eines zu strukturierenden Werkstückes in ein flüssiges Medium, b) Bereitstellen einer Lichtquelle zur Erzeugung einer Kavitationsblase im flüssigen Medium, und c) Erzeugen einer Kavitationsblase mit der Lichtquelle derart, dass durch das anschließende Kollabieren der Kavitationsblase die Oberfläche des Werkstückes gereinigt wird.
In Fig. 1 ist ein Werkstück 1 mit einer zu reinigenden Oberfläche 5 dargestellt, wobei das Werkstück 1 in einem mit einem flüssigen Medium 10 gefüllten Behälter 15 angeordnet ist. Dies entspricht dem Schritt a) des Verfahrens. Als flüssiges Medium 10 wird bevorzugt Wasser, insbesondere destilliertes Wasser, eingesetzt.
Weiter ist gemäß Schritt b) eine Lichtquelle 20 zum Erzeugen einer Kavitationsblase 25 vorgesehen. Die Lichtquelle 20 ist in diesem Beispiel im Gegensatz zum Werkstück 1 nicht im flüssigen Medium 10 angeordnet. Allgemein kann die Lichtquelle 20 jedoch, teilweise oder gegebenfalls komplett, auch in das flüssige Medium 10 eingetaucht sein. Wichtig ist nur, dass die Lichtquelle 20 einen Lichtstrahl 30 erzeugt, mit dem eine Kavitationsblase 25 im flüssigen Medium 10 gebildet werden kann. Im Beispiel ist die Lichtquelle 20 durch einen Laser ausgebildet. Mit Hilfe eines Linsensystems 35, das mindestens eine Fokussierlinse umfasst, kann der Laserstrahl räumlich fokussiert und sehr genau positioniert werden.
In einem Schritt c) wird über einen Laserimpuls des Lasers ein Laserstrahl gebildet, wodurch eine zunächst auf einen maximalen Blasenradius von Rmax anwachsende Dampfblase als die Kavitationsblase 25 erzeugt wird C.Schießen der Kavitationsblase 25"). Vorteilhaft lässt sich der maximale Radius Rmax der Dampfblase durch Variation der Intensität und/oder Impulsdauer des Lasers einfach einstellen. Die Dampfblase wird übrigens nicht direkt auf der zu reinigenden Stelle des Werkstückes 1 erzeugt, sondern in einem nahen Abstand s > 0 von der Oberfläche 5 des Werkstückes 1 entfernt. Hierfür wird der Laserstrahl einfach auf eine Stelle fokussiert, die einen Abstand s > 0 von der Oberfläche 5 des Werkstückes 1 aufweist. Mit anderen Worten: Die Stelle der Erzeugung der Kavitationsblase 25 ist einfach gleich der mit dem Laserstrahl fokussierten Stelle. Nach Erreichen der maximalen Größe kollabiert die Kavitationsblase 25 in sich zusammen (Fig. 2). Dabei zerfällt die Kavitationsblase 25 immer so, dass ein Druckpuls in Richtung Werkstück 1 ausgesendet wird und eine schnelle Jetströmung in Richtung Werkstück 1 entsteht. Beispielsweise beträgt die Jetgeschwindigkeit beim üblichen Umgebungsdruck und einem maximalen Radius Rmax von 1 mm etwa 100 m/s. Der Durchmesser des Jets beträgt etwa 0,1 mm. Der Abstand s ist so gewählt, dass ein beim Kollabieren der Kavitationsblase 25 entstehender Druck und die durch den Jet induzierte, stark instationäre Strömung die Oberfläche 5 des Werkstückes 1 erreichen und dabei in den Figuren aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte Schmutzteilchen von der Oberfläche 5 reißen. Die Oberfläche 5 wird dadurch gereinigt, jedoch nicht strukturiert.
Im Gegensatz zum Verfahren aus DE 10 2005 047 082 Al wird also gezielt die Oberfläche 5 von Schmutzteilchen befreit, ohne dabei Materialteile des Werkstückes 1 selbst durch den Druckpuls zu verformen und/oder von der Oberfläche 5 abzutragen. Das Beseitigen der Schmutzteilchen von der Oberfläche 5 ist insbesondere dann reproduzierbar, wenn das Verhältnis s/Rmax größer oder gleich 1,9 ist. Um diese Bedingung zu erfüllen, kann der Abstand s - wie oben erwähnt - durch eine angemessene Auswahl der Fokusstelle des Lasers variiert werden. Auch ist es möglich, beim Laser seine Intensität und/oder Impulsdauer so einzustellen, dass Rmax eine geeignete Größe erreicht.
Natürlich kann der Schritt c) in einem Reinigungsverfahren bei Bedarf mehrmals wiederholt werden, bis alle Schmutzteilchen von der Oberfläche 5 abgetragen sind. Dabei kann das Werkstück 1 und/oder die Lichtquelle 20 zum Rastern der Oberfläche 5 bewegt werden. So wird eine regelmäßige und flächenhafte Reinigung ermöglicht. Andererseits können besonders verschmutzte Stellen durch sehr lokalisierte Reinigung der Oberfläche 5 behandelt werden, da mit dem Laser die Position der zu erzeugenden Kavitationsblase 25 genau eingestellt werden kann.
Im übrigen treten bei der Blasenentstehung hohe und instationäre Strömungsgeschwindigkeiten und ein starker Druckpuls auf, so dass auch dieser Vorgang zur Reinigung der Oberfläche 5 beiträgt.
Zusammenfassend wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine kontrollierte Erzeugung von Kavitationsblasen 25 in gewünschter Position vor der Oberfläche 5 eines Werkstücks 1 wie beispielsweise eines Bauteils gewährleistet, so dass eine effiziente Reinigung der Oberfläche 5 herbeigeführt werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Reinigung von Oberflächen (5) eines Werkstückes (1), umfassend: a) Anordnen eines zu strukturierenden Werkstückes (1) in ein flüssiges Medium (10), b) Bereitstellen einer Lichtquelle (20) zur Erzeugung einer Kavitationsblase (25) im flüssigen Medium (10), und c) Erzeugen einer Kavitationsblase (25) mit der Lichtquelle (20) derart, dass durch das anschließende Kollabieren der Kavitationsblase (25) die Oberfläche (5) des Werkstückes
(1) gereinigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) Wasser, insbesondere destilliertes Wasser, als flüssiges Medium (10) eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) ein Laser als Lichtquelle (20) bereitgestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) über einen Laserimpuls des Lasers ein fokussierter Laserstrahl gebildet wird, wodurch eine zunächst auf einen maximalen Blasenradius von Rmax anwachsende Dampfblase als die Kavitationsblase (25) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) die Kavitationsblase (25) in einem Abstand s > 0 von der Oberfläche (5) des Werkstückes (1) entfernt erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) der Laserstrahl auf eine Stelle mit Abstand s > 0 von der Oberfläche (5) des Werkstückes (1) fokussiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) der Abstand s so gewählt wird, dass ein beim Kollabieren der Kavitationsblase (25) entstehender Druckpuls die Oberfläche (5) des Werkstückes (1) erreicht und dabei die Oberfläche (5) reinigt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) beim Laser seine Intensität und/oder Impulsdauer so gewählt wird, dass das Verhältnis s/Rmax größer oder gleich 1,9 ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) mehrmals wiederholt wird und dabei das Werkstück (1) und/oder die Lichtquelle (20) bewegt wird zum Rastern der Oberfläche (5).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) die Oberfläche (5) des Werkstücks (1) von Schmutzteilchen befreit wird.
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