AUTOMATISIERTES VORBEHANDELN VOR DEM LACKIEREN UND KLEBEN MIT CO 2 -SCHNEESTRAHLEN 14. Industriearbeitskreis Trockeneisstrahlen Martin Bilz
AUTOMATISIERTES VORBEHANDELN VOR DEM LACKIEREN UND KLEBEN MIT CO 2 -SCHNEESTRAHLEN Ausgangssituation Vorstellung Projekt Schneelack Strömungssimulation Kommissionierung des Strahlmittels Parameterstudien Wirtschaftlichkeit Stärken-Schwächen-Analyse Aerosol-Verfahren Automatisierung Zusammenfassung
Ausgangssituation Vorbehandeln von Kunststoffen Qualitative Anforderung an Bauteile durch Beschichtung Beschichtungen haben optische oder funktionelle Gründe Reinigung/Vorbehandlung von Kunststoffen vor der Beschichtung notwendig Gängige Technik Powerwash Trocknung erforderlich Hoher Platzbedarf Energie- und kostenintensive Aufbereitung der Bäder Migrieren von Additiven, Weichmachern und Monomeren durch Erwärmung beim Trocknen Basislack (Farbton) Klarlack (Schutz)
Ausgangssituation Strahlmittel Kohlendioxid Ungefährlicher Stoff (GefStoffV) Nicht brennbar, nicht giftig, g, farblos, geruchlos (MAK-Wert 5000 ppm), nicht elektrisch leitend, bakteriostatisch, chemisch inert Temperatur (1 bar): - 78,5 C; Dampfdruck (20 C): 57,3 bar Bei Umgebungsdruck nur fest oder gasförmig Direkter Übergang von fest nach gasförmig (Sublimation) Keine Nässe Trockeneis Wirkmechanismen i beim CO 2 -Strahlen Thermischer-, Mechanischer-, Sublimationseffekt
Ausgangssituation CO 2 -Strahlverfahren CO 2 Strahlverfahren Strahlen aus der festen Phase Strahlen aus der flüssigen Phase Schleuderradstrahlen Trockeneis- Strahlen Agglomerationskammer Zweistoffringdüse Snow-Jet- Cleaning
Ausgangssituation CO 2 -Strahlen Anlagentechnik Zweistoffringdüse Transport von flüssigem CO 2 zur Strahldüse Beschleunigung des CO 2 durch Druckluft-Ringströmung Entspannung des CO 2 in Umgebungsdruck am Austritt der Düse Entstehung von CO 2 -Schnee außerhalb der Düse Düssen-Array (Fa. acp)
Ausgangssituation CO 2 -Strahlen Anlagentechnik Agglomerationskammer Transport von flüssigem CO 2 zu einer in der Düse integrierten Agglomerationskammer Entspannung des CO 2 in den Kammerdruck Agglomeration / Anbackungen einzelner CO 2 -Schneepartikel zu größeren Partikeln innerhalb der Kammer
Vorstellung Projekt SchneeLack InnoNet-Projekt SchneeLack Automatisiertes Vorbehandeln vor dem Lackieren und Kleben mit CO 2 -Schneestrahlen hl Projektkonsortium aus 11 Industriepartnern und 3 Forschungseinrichtungen g Projektlaufzeit von 01.01.2007 bis 31.12.2008 Projektziele: Substitution herkömmlicher Vorbehandlungsverfahren Optimierung und Automatisierung der Schneestrahltechnologie Parameterstudien zum Erreichen besserer Lackhaftung Analyse der Wirtschaftlichkeit
Strömungssimulation Düsentechnologie Flach- und Runddüse Entspannung von flüssigem CO 2 in Strahldruck Laval-Prinzip Variable Luftzufuhr durch verstellbaren Entspannungsraum Vernetzung der gesamten Strahlvorrichtung CFDC CFDC
Strömungssimulation Vereinfachungen Stationäre Rechnung Keine CO 2 -Partikelentstehung bzw. Agglomeration Vorgabe homogener Partikelverteilung am Austritt des Entspannungsraums 3 separate Partikeldurchmesser Keine Partikelstöße untereinander Keine Sublimation der Partikel Luft-CO 2 -Medium als ideales Gas 2 Turbulenzmodellierung
Strömungssimulation Strömung innerhalb der Runddüse Rückstromgebiet hinter Entspannungsraum Gleichmäßige Randströmung CFDC Runddüse: Gleichmäßige Strömung CFDC
Strömungssimulation Strömung innerhalb der Flachdüse Schwächeres-Rückströmfeld hinter Entspannungsraum Längswirbel in Düse CFDC Flachdüse: Turbulentere Strömung CFDC
Strömungssimulation Strömung außerhalb der Düse bei 7 bar v max = 560 m/s v max = 576 m/s CFDC CFDC
Strömungssimulation Strömung außerhalb der Düse Halbierung des Strahldrucks Senkung von v max um ca. 60 m/s max Rund- und Flachdüse etwa gleichgroßes Geschwindigkeitsmaximum Schnellerer Geschwindigkeitsabfall bei Flachdüse als bei Runddüse Validierung: Gute Übereinstimmung der Geschwindigkeit am Düsenaustritt mit analytischer Lösung CFDC
Strömungssimulation Berücksichtigung partikelbeladene Strömungen Vorgabe von Partikeln am Entspannungsraumaustritt Messergebnisse: Partikelgeschwindigkeit 8 m/s Partikeldurchmesserverteilung: 25, 50, 75 μm d P = 25 μm d P = 50 μm d P = 75 μm CFDC
Strömungssimulation Abschätzung der Flächenleistung Abschätzung der Flächenleistung über kinetische Energie der Partikel Bestimmung der Orte, an denen die meisten Partikel auftreffen für verschiedene Abstände Bestimmung der Partikelgeschwindigkeiten Bestimmung der kinetischen Energie der Partikel hinter der Düse CFDC
Strömungssimulation Zusammenfassung Runddüse weist stärkeres Rückströmgebiet als Flachdüse auf Große Partikel bestimmen im Wesentlichen die Abtragsleistung Strahldruckänderung bei Runddüse kaum Auswirkung auf Größe der Abtragfläche, wohl aber auf Abtragsgeschwindigkeit g g Flachdüse verteilt Energie deutlich breiter Höhere Flächenleistung zu erwarten Validierung der Korrekturfunktion Validierung der Partikelgeschwindigkeiten und Abtragsbreite
Kommissionierung des Strahlmittels Versorgung Kommissionierung des Strahlmittels Realisierung der Niederdrucktankversorgung für das CO 2 -Schneestrahlen Bisher häufig Mitteldrucktankversorgung (Steigrohrflasche) üblich Bessere CO 2 -Schneeausbeute durch Niederdrucktank
Kommissionierung des Strahlmittels Versorgung Flüssiges CO 2 -Lagerung in Niederdrucktanks (20 bar, -20 C) Förderung des flüssigen CO 2 in Ring Strahldüse in Ringleitungssystem integriert Gute Automatisierbarkeit (1-3) Druckluftversorgungund Aufbereitung (4) Strahlsystem (5-8) Handhabung und Peripherie (9-12) Strahlmittelversorgung l
Kommissionierung des Strahlmittels Versorgung Anfertigung einer Halterung zur Fixierung der Ringleitung am Düsenarray Anfertigung einer Düsenhalterung für Roboter Redundantes Ringsystem DN 10 für CS4-Large und Düsen-Array 2-Wege Ventilsystem zwischen Pumpenausgang und Überströmventil
Kommissionierung des Strahlmittels Allgemein Messung der Stoffeigenschaften beim Strahlen Konventionelle Methode Wiegen des Versorgungsbehälters Möglich für Steigrohrflaschen Für NDT-Versorgung technisch aufwendig Kostenintensiv Geringe Messauflösung von Plattenwaagen Verbleib von Medium in den Leitungen
Kommissionierung des Strahlmittels Beschaffung eines Durchflussmessgerätes Messeinrichtungen und prinzipien Ungeeignet da: Kaloriemetrisch i Temperatur, Phasenwechsel h Ultraschall Flügelräder, Messklappen, Rotameter Magnetisch induktive Sensoren Leitungsdimension Druck, Temperatur Leitfähigkeit Weitere Probleme bereiten: die Zweiphasenexistenz, geringe Durchsätze und Prozessanschlüsse von DN6 bis DN10
Kommissionierung des Strahlmittels Beschaffung eines Durchflussmessgerätes Messgerät Promass 83A, Fa. Endress+Hauser Corioliskräfte erzeugt durch bewegte Masse Anregung des Messrohrs am Ein- und Ausgang Aufnahme der Schwingungen durch elektrokinetische Sensoren Auswertung der Phasenverschiebung Umrechnung auf Dichte und damit auf Massendurchsatz [kg/h] Messung der Temperatur ebenfalls möglich
Kommissionierung des Strahlmittels Vorversuche Vorversuch zum Abtrag auf OBO -Blöcken mit NDT- Versorgung Strahlversuche auf drei unterschiedlichen Kunstoffen Auswahl des sensitivsten Werkstoffs (obomodulan 210; Dichte 200 kg/m³; Shore D-Härte 25 ) Größerer spezifischer Strahlgutabtrag stellt bestes Spektrum für Bewertung der Parametereinflussnahme dar Variation des Tankdruckes Verschlechterung des spezifischen Strahlgutabtrages mit steigendem Tankdruck Erhöhung des Massendurchsatzes kein erkennbarer Einfluss sichtbar Kältelagerung (-78 C) des Versuchswerkstoffs Erhöhung des Abtrags
Kommissionierung des Strahlmittels Hauptversuche Versuche mit variierendem Tankdruck und konstantem Ringdruck Bedingt durch Sumpfentnahme war min. ein Tankdruck von 12 bar erforderlich Statischer Tankdruck bzw. kinetische Strömungsenergie für Druckerhöhungspumpe nicht ausreichend Keine vollständig gefüllte Ringleitung Inkompressibler Zustand des Mediums nicht gegeben Frühzeitige Entspannung im Leitungssystem
Kommissionierung des Strahlmittels Hauptversuche Erreichte Temperaturdifferenz von ca. 4 K für Tankdruck von 18 auf 14 bar Keine Abtragssteigerung für kälteres Strahlmittel Vorversuche konnten nicht bestätigt werden Sinkende Abtragsleistung mit steigendem Massendurchsatz schnellere Entspannung führt zu kleineren Agglomeraten Versuche mit variierendem Ringdruck und konstantem Tankdruck Temperaturzunahme des flüssigen Kohlendioxid mit steigendem Ringdruck Steigender Wärmeeintrag durch höhere mech. Pumpenarbeit Gemäß Energieerhaltungssatz g steigender Strahlmitteldurchsatz mit Ringdruckerhöhung
Kommissionierung des Strahlmittels Hauptversuche Es bestätigt sich die Steigerung des Abtrags mit fallendem Massenstrom höchster Abtrag für P Tank = P Ring trotz pulsierendem Strahlbild Leistungsgrenze bzw. max. Förderstrom der Druckerhöhungspumpe bei P Ring = 65 bar Sinkender Massenstrom mit P Ring > 65 bar Druckabnahme im Tank über längere Strahlzeiten Entnahme von flüssiger Phase größer als Nachdampfrate Entfernung des Systems vom Gleichgewichtspunkt Massendurchsatz gelegentlich diskontinuierlich bedingt durch Phasenwechsel des Mediums
Kommissionierung des Strahlmittels Bestätigungsversuch Unabhängiger Versuch bestätigt Hauptversuch Keine Abtragssteigerung g g für kälteres Strahlmittel Hauptversuche konnten erneut nicht bestätigt werden Sinkende Abtragsleistung mit steigendem Massendurchsatz
Kommissionierung des Strahlmittels Schlussfolgerungen Verwendung eines Niederdrucktankes mit ausreichendem Fassungsvermögen g und Pumpe-Ringleitungssystem g Konstante Prozessbedingungen beim Strahlen im Vergleich zur Steigrohrflasche Geringerer Einfluss des Joule-Thomson-Effekt Behälter mit Kühl- und Heizmantel (Regelung) P & T des CO 2 über Strahlzeit nahezu konstant t Verwendung einer Ladepumpe liefert Druckerhöhungspumpe Medium mit konstantem Energiepotenzial
Absaugung - Partikelfluganalyse Versuchskasten mit Reinraum-Klebematten Test der Klebefähigkeit der Matten Probe verunreinigt mit Standardverun. C1 Reinigung mit CS4 large und Flachdüse Aussage über Partikelflug beim Strahlen
Absaugung Partikelfluganalyse Strahlen mit Flachdüse Substrat wurde vollständig & mittig gestrahlt Partikel bewegen sich mit Vorschubrichtung Wenige Ablagerungen seitlich und keine an den Wänden
Absaugung Konzepte Versuche zu Absaugkonzepten durchgeführt Absaugung mit einseitiger Absaugdüse nicht zufriedenstellend (siehe Bild 1) Gute Absaugergebnisse mit Absaugglocke (siehe Bild 2) Ef Erforderlichkeit lihk it einer Absaugung ist it zu prüfen In Lackieranlagen stetige, gewollte Luftzirkulation Bauteile können von oben nach unten vorbehandelt werden ohne Querkontamination Bild 1: Einseitige Absaugung Bild 2: Absaugglocke
Parameterstudie Kontaminationsarten Innere Kontaminationen bezeichnet Störsubstanzen die bei Überschreiten der Erweichungstemperatur aus der Bauteiloberfläche heraustreten Äußere Kontaminationen entstehen meist im Fertigungsprozess und beschreiben die Einbringung von Fremdstoffen von Außen Innere Kontamination Äußere Kontamination Additive Öl & Fett (Transportkette, tt Spritzwerkzeug) Weichmacher Fingerabdrücke Spaltprodukte Staub Formtrennmittel: Interne (Bestandteil der Kunststoffrezeptur) t t Externe (aufsprühen oder einstreichen der Form)
Parameterstudie Vorgehen 7 Kunststoffe, 3 Zustände, 10 Verunreinigungen,2 Strahlsysteme Untersuchung von drei unterschiedlichen h Zuständen der Kunststoffe Für Innere Kontaminationen : Additive, Weichmacher, Spaltprodukte, Gestresst: mit höheren Temperaturen, geringerer Einspritzzeit, it it höherem Staudruck Wärmegelagert: zusätzliche künstliche Alterung (Temperierung bei ca. 90 C über einen begrenzten Zeitraum Normal: nach Angaben der Hersteller Bezeichnung Anwendung PP1** Stoßfänger PC/ABS Motorraum, Interieur PA* Motorraum, Interieur PP2 Stoßfänger TPE Airbagkappen TPO* Airbagkappen PC Schaltersysteme * zusätzlich Atmosphärendruck-Plasma ** zusätzlich Beflammung
Parameterstudie Vorgehen Für Äußere Kontaminationen : Öle, Fette, Fingerabdrücke, PP normal mit 4 Kontamination verunreinigt Abreinigung nach Versuchsplan Auf verbleibende Kunststoffe je eine Kontamination ti Abreinigung mit Top Parametern aus gestresst & wärmegelagert Durch statistische Versuchsplanung 1.422 satt 44.226 Versuche Beschreibung schnellflüchtiger Allzweckreiniger temporärer Korrosionsschutz Kriech- und Feinöl Korrosionsschutzmittel (Werkzeug & Formen) Hochleistungsmehrzweckfett Universalreiniger Trennmittel silikonfreies Formentrennspray Korrosionsschutzmittel auf Fettbasis Fingerabdruck gelöst (Fettfilm) Auf Versuchswerkstoff PC/ABS PP1 TPO TPE PP1 PC PP1 PA PP2 PP1
Parameterstudie Ergebnisse Ermittlung der Inneren Kontaminationen mittels XPS Beispiele PA, PP1 & TPE keine Änderung durch Fertigungsprozess g Wärmegelagertes PP2 ausschwitzen geringer Mengen Silizium TPO ist Zinkstearat kontaminiert Ausgewählte Substrate Na Zn O N C Cl S Si PP2 standard - - 10,0 10,2 79,8 - - - PP2 gestresst - - 9,8 9,8 80,4 - - - PP2 wärmegelagert - - 11,0 9,9 78,5 - - 0,6 TPO standard - - - - 100,00 - - - TPO gestresst - 0,3 0,5-99,0 0,2 - - TPO wärmegelagert - 6,2 12,7 2,1 75,4 - - 3,6
Parameterstudie Ergebnisse Zusätzlich zur Gitterschnittprüfung: vollständige Abprüfung nach DBL (Daimler Benz Liefervorschrift) 7384 bei ausgewählten Kunststoffen Prüfung der Qualität der Lackfestigkeit k it von Beschichtungen (Lacke) GT 0: sehr gute Haftfestigkeit (ideal für Lackierprozess) GT 5: sehr schlechte Haftfestigkeit Einige der gestressten Proben hatten vor der Vorbehandlung bereits GT = 1 Einige ließen sich nicht vorbehandeln GT = 5 Gitterschnittprüfung nach DIN EN ISO 2409 GT 5 (PP, Verunreinigung FC) GT 0 (PP, Verunreinigung Fingerprint)
Parameterstudie Ergebnisse Ergebnisse der Probenreihe gestresst Gitterschnittwerte vor der Vorbehandlung zwischen GT 1 und GT 5 Vorbehandlung (Steigerung auf GT < 1) nur bei einigen Kunststoffen möglich Tabelle 1: Beste Parametereinstellungen für PP1, wärmegelagert Theoretisch et beste Parameter a Strahlsystem I Strahlsystem II Strahldruck 6 bar 7 bar Vorschubgeschwindigkeit 0,1 m/s 0,5 m/s Strahlwinkel 70 oder 90 50 oder 90 GT Gesamtmittelwert nach Vorbehandlung 0,30 0,26 GT Referenzmittelwert 2 GT Bestätigungsversuch 0 0,67
Parameterstudie Ergebnisse Ergebnisse der Probenreihe gestresst Einige Kunststoffe weisen ohne Vorbehandlung bereits einen GT = 1 auf Wert ist u. U. bereits zufriedenstellend Steigerung der Lackhaftung (GT < 1) bei allen Kunststoffen erreicht Tabelle 2: Beste Parametereinstellungen für PP1, gestresst Theoretisch et beste Parameter a Strahlsystem I Strahlsystem II Strahldruck 5 bar 5 bar Vorschubgeschwindigkeit 0,1 m/s 0,5 m/s Strahlwinkel 50 oder 70 70 GT Gesamtmittelwert nach Vorbehandlung 0,41 0,31 GT Referenzmittelwert 2 GT Bestätigungsversuch 0,33 0
Parameterstudie Ergebnisse Ergebnisse der Probenreihe normal Substrat: PP1 unter Standardbedingungen hergestellt Vier verschiedenen Verunreinigungen Lackhaftung überwiegend von GT 5 auf GT 1 oder GT 0 gesteigert Substrate: PC/ABS, TPO, TPE, PC, PA, PP2 Jedes Substrat mit je einer Verunreinigungen kontaminiert Steigerung von GT 5 auf GT < 1 bei allen Substraten t Tabelle 3: Beste Parametereinstellungen für TPE, normal, mit PSACS (Korrosionsschutz) Theoretisch beste Parameter Strahlsystem I Strahlsystem II Strahldruck 7 bar 5 bar Vorschubgeschwindigkeit 0,5 m/s 0,1 m/s Strahlwinkel 70 50 GT Gesamtmittelwert nach Vorbehandlung 0 0 GT Referenzmittelwert 2
Wirtschaftlichkeit Vergleich beider Strahlsysteme Kostenvergleichsrechnung auf Basis der optimalen Parameter Kosten inklusive und exklusive Peripherie Peripherie: Automatisierung, Druckluft- und CO 2-Versorgung Inklusive Peripherie erfordert genaue Kenntnisse über Einsatzort Großer Einfluss von Substratzustand und Verunreinigung Vergleichbar mit anderen Verfahren
Wirtschaftlichkeit Verfahrenskosten der Strahlsysteme für PA, gestresst Strahlsystem II Strahlsystem I Verfahrenskosten [ /m²] 0,18 0,22 Verfahrensleistung [m²/h] 72,00 135,00 Verfahrenskosten der Strahlsysteme für TPO, wärmegelagert Strahlsystem II Strahlsystem I Verfahrenskosten [ /m²] 0,95 0,23 Verfahrensleistung [m²/h] 14,40 135,00 Verfahrenskosten der Strahlsysteme für PP1, normal, Kontamination FP Strahlsystem II Strahlsystem I Verfahrenskosten [ /m²] 0,18 0,21 Verfahrensleistung [m²/h] 72,00 135,00
Stärken-Schwächen Analyse CO 2 vs. Powerwash Kriterien Beurteilung (IPK/Rehau) schlecht gut Platzbedarf Umweltbelastung Investitionskosten Betriebmittel Reinigungszeit Prozesssicherheit Energieeinsatz CO 2 -Schneestrahlen Powerwash Bewertung: CO 2 -Schnee: 6,7 Pkt., Powerwash: 4,9 Pkt. Stärken CO 2 : Platzbedarf, Reinigungszeit (keine Trocknung), effizienter Energieeinsatz Schwächen CO 2 : Menge an benötigtem Reinigungsmittel (CO 2 ) Stärken Powerwash: Menge an Reinigungsmittel, i i Prozesssicherheit h i Schwächen Powerwash: Platzbedarf, Trocknung, Umweltbelastung Dreidimensionales Bauteil im Vergleich: CO 2 -Schneestrahlen 0,46 /m 2 Powerwash 0,64 /m 2 ( 39 % höhere Kosten)
Aerosol-Verfahren Qualifizierung des Aerosol-Verfahrens zur Erfassung von Benetzungseigenschaften g Überprüfung der unsichtbaren Oberflächenvorbehandlung Inline-fähig, vollflächig und automatisierbar Kontami- nation CO 2 -Schnee Aerosolauftrag Bilderfassung Auswertung Lackauftrag kontinuierlicher Prozess
Automatisierung Nachstellung der Prozesskette Automatisierbarkeit der CO 2 -Schneestrahltechnologie gegeben Anlagentechnik lässt sich in Lackierkabine integrieren Verwendung derselben Manipulatoren Sehr kurze Transportwege
Zusammenfassung Bisher Powerwash-Verfahren, Trocknung nötig, kostenintensiv Vorbehandlung von Kunststoffen mittels CO 2 -Schneestrahlen verifiziert Erfolgreiche Simulation partikelbeladener Strömung Kommissionierung des Strahlmittels sowohl aus MDT und NDT Eine Absaugung ist nur in Einzelfällen erforderlich Geforderte Lackhaftung wird erreicht Gute Lackhaftung auch bei fehlerhaften Substraten Kosten beim CO 2 -Strahlen geringer gegenüber bei Powerwash Inline-fähiges Messverfahren qualifiziert Strahlanlagen sind in Lackieranlage integrierbar
Kontakt Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) Pascalstraße 8 9 10587 Berlin Dipl.-Ing. (FH) Martin Bilz M. Sc. Tel.: +49 (0) 30 / 3 90 06-147 Fax: +49 (0) 30 / 3 91 10 37 E-Mail: martin.bilz@ipk.fraunhofer.de web: www.ipk.fraunhofer.de www.strahlverfahren.de www.allianz-reinigungstechnik.de