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Es besteht vielfach die Notwendigkeit, Oberflächen,
insbesondere metallische Oberflächen durch das Aufbringen einer
Beschichtung zu vergüten. Eine besonders intensive Reinigung
ist erforderlich, wenn Oberflächen mit dünnen Überzügen
versehen werden sollen, deren Materialien eine niedrige
Oberflächenenergie aufweisen. Derartige Überzugsmaterialien sind
beispielsweise aus DE-195 44 763 A und EP 0 587 667 B
bekannt.
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Technische Oberflächen weisen, selbst wenn sie zuvor poliert
worden sind, eine Restrauhigkeit auf, so daß bei einer
nachfolgende Oberflächenbeschichtung störende und somit als
Verschmutzung zu bezeichnende Rückstände wie Fette, Öle oder
dergl. auf der Oberfläche anhaften und durch mechanische
Wischvorgänge oder Waschvorgänge nicht zu beseitigen sind.
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Es ist bereits bekannt, Gegenstände in Bäder einzulegen und
mittels Ultraschall, beispielsweise durch eingelegte
Tauchschwinger zu reinigen. Die Ultraschallenergie wird in die
Flüssigkeit eingestrahlt, in der an der zu reinigenden
Oberfläche infolge der eingeleiteten hohen Energie
Kavitationserscheinungen durch die Bildung von Gasbläschen auftreten, da
die auf der Oberfläche implodieren. Dabei wird eine hohe
Energie freigesetzt und eine starke Mikroströmung gebildet,
die auf die verschmutzte Oberfläche wirkt und Rückstände von
rauhen Oberflächen auch aus Hinterschneidungen und aus
Mikrostrukturen abschwemmt.
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Da es in Tauchbecken schwierig ist, die Energieumsetzung
gezielt auf eine zu reinigende Oberfläche wirken zu lassen,
wurde für Drahtmaterial in DE-196 02 917 A1 eine Sonotrode
vorgeschlagen, deren Kopf mit einer Durchlaufbohrung für den
zu reinigenden Draht aufweist. Der Kopf weist ferner eine
quer zur Durchlaufbohrung ausgerichtete Waschbohrung auf,
über die eine Waschflüssigkeit zugeführt werden kann. Die in
den Querkanal zulaufende Waschflüssigkeit wird über die
Sonotrode in senkrecht zu der durchlaufenden Drahtoberfläche
ausgerichtete Ultraschallschwingungen versetzt, so daß durch die
Konzentration der eingestrahlten Ultraschalleistung auf das
kleine Volumen in der Querbohrung und in der Durchlaufbohrung
ein sehr intensives Kavitationsfeld gebildet wird, das zu
einer intensiven Reinigung der durchlaufenden Drahtoberfläche
von allen Verschmutzungen führt. Die abgelösten
Verunreinigungen werden mit der Reinigungsflüssigkeit aus der
Durchlaufbohrung abgeführt.
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Eine derartige Einrichtung ist für Werkstücke mit größeren
Oberflächen, wie beispielsweise Maschinenteile, wie
Druckzylinder und Umlenkwalzen an Druckmaschinen oder dergl. nicht
einsetzbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
zum Reinigen von Oberflächen mittels Ultraschall zu schaffen,
die auch die Behandlung von großflächigen Bauteilen erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1
angegebenen Mitteln gelöst. Die Sonotrode bringt die in den
Spaltbereich zwischen der Schallemissionsfläche und der
Oberfläche eingeleitete Waschflüssigkeit zum Schwingen, so daß
sich Kavitationsblasen bilden, die auf der zu reinigenden
Oberfläche wieder kollabieren. Hierbei entstehen örtlich
Drücke von über 1000 Bar und Temperaturen bis zu 5000°K.
Durch diese hochenergetische mechanische Einwirkung auf die
zu reinigende Oberfläche werden anhaftende filmartige
Verschmutzungen und/oder Schmutzpartikel auch aus
Mikrostrukturen mit rauher Oberflächen abgelöst. Über die
Schallemissionsfläche der Sonotrode umgebende, mit einer Absaugung
versehene Abdeckung wird gewährleistet, daß die am Rand der
Schallemissionsfläche austretende "verbrauchte"
Waschflüssigkeit unmittelbar von der Oberfläche des zu reinigenden
Werkstücks abgenommen wird. Da die Flüssigkeit unter der Wirkung
des Schallfeldes zerstäubt, werden so einerseits sehr
wirkungsvoll abgetragene Schmutzpartikel von dem gereinigten
Teil der Oberfläche entfernt und die umherspritzenden
Flüssigkeitstropfen auf gefangen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abdeckung mit einer
Druckkammer versehen ist, die in einen die
Schallemissionsfläche begrenzenden Durchtrittsspalt für ein strömungsfähiges
Medium ausmündet. Wird über diesen Durchtrittsspalt ein
strömungsfähiges Medium, insbesondere ein gasförmiges Medium mit
maximal dem gleichen Förderdruck wie die
Reinigungsflüssigkeit zugeführt, ergibt sich eine Art "Verdämmung". Hierdurch
wird die Zerstäubung der Reinigungsflüssigkeit vermindert und
durch die so verbesserte hydraulische Ankopplung die
Reinigungswirkung erhöht.
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Die Absaugung der verbrauchten Waschflüssigkeit hat ferner
den Vorteil, daß eine Einrichtung der erfindungsgemäßen Art
auch an Werkstücken verwendet werden kann, die Bestandteil
bereits montierter Maschinen sind, so daß das Bauteil mit der
zur reinigenden Oberfläche nicht demontiert werden muß.
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Eine derartige aus Sonotrode, Abdeckung, Flüssigkeitszufuhr
und Absaugung gebildete Baueinheit kann beispielsweise auch
zur vorbereitenden Reinigung von zu beschichtenden Flächen,
beispielsweise Druckzylindern und Umlenkwalzen an
Druckmaschinen verwendet werden. Hierzu ist die
Schallemissionsfläche sowie die anschließende Abdeckung ebenfalls als
Zylinderfläche ausgebildet, deren Krümmung so bemessen ist, daß ein
Arbeitsspalt von weniger als 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,5
mm und 0,25 mm vorhanden ist. Die Anordnung insgesamt ist
insbesondere für den mobilen Einsatz an einem gesonderten
Traggestell höheneinstellbar angeordnet, das seinerseits an
der Maschine, beispielsweise der Druckmaschine im Bereich des
jeweils zu reinigenden Zylinders befestigbar ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen und
der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand
schematischer Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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Fig. 1 stark vergrößert eine Schnittdarstellung
der Oberflächenrauhigkeit einer zu
reinigenden Oberfläche,
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Fig. 2 eine Ultraschall-Reinigungseinrichtung,
teilweise im Schnitt,
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Fig. 3 die Reinigungseinrichtung gem. Fig. 3 in
einer Seitenansicht.
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In Fig. 1 ist schematisch in starker Vergrößerung und in
einem Schnitt eine zu reinigende Oberfläche 1.1 eines Bauteils
1 dargestellt, der die nicht zu vermeidende Restrauhigkeit
technischer Oberflächen erkennen läßt. Die Rauhtiefe liegt je
nach Anwendungsfall bei sehr hochwertigen Oberflächen im
Bereich von 2 µm bis 10 µm und in anderen Fällen, auch
funktionsbedingt und damit beabsichtigt, in einem Bereich von
beispielsweise 50 µm bis 100 µm. Beispielsweise eine
Papierleitwalze in einer Rollen-Offset-Druckmaschine weist eine
Rauhtiefe von 50 bis 100 µm auf. Eine derartige Papierleitwalze
kommt je nach ihrer Position in der Druckmaschine auch mit
einer bereits bedruckten Seite in Kontakt. Hierbei läßt es
sich nicht vermeiden, daß aufgrund der Restreuhigkeit
Druckfarbe von der Papierbahn abgenommen und auf der
Zylinderoberfläche als Verschmutzung in zunehmendem Maß haften bleibt, so
daß die Walzenoberfläche von Zeit zu Zeit gereinigt werden
muß.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß neu installierte
Druckmaschinen in den ersten fünf bis sechs Wochen deutlich weniger
Reinigungsaufwand erfordern, als in der Folgezeit. Die in Fig. 1
dargestellten Mikrostrukturen sind in der Anfangszeit
offensichtlich noch nicht ausreichend mit Verschmutzungen besetzt.
Im Laufe der Betriebszeit drückt die Papierbahn aufgrund der
Bahnspannung die noch frische Druckfarbe in die Feinstruktur
hinein. Erst wenn die Vertiefungen, die zum Teil
Hinterschnitte bilden, durch die sich festsetzenden Verschmutzungen
ausreichend besetzt sind, entstehen auf der
Zylinderoberfläche Zonen, an denen weitere Verschmutzungen sich verankern
können, und dementsprechend über die gesamte
Zylinderoberfläche ausbreiten und den Betrieb spürbar stören.
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Durch eine Beschichtung im nanoskaligen Schichtdickenbereich
mit einem Material mit geringer Oberflächenenergie ist es
möglich, eine Oberfläche schmutzabweisend auszurüsten,
gleichwohl eine noch gewünschte Oberflächenrauhigkeit zu
erhalten. Um nun eine derartige Beschichtung auf die
Walzenoberfläche zuverlässig aufbringen zu können, ist es
erforderlich, diese vorher möglichst praktisch zu reinigen, und zwar
so, daß eine Reinigungswirkung auch bis in die Tiefe der in
Fig. 1 dargestellten Mikrostrukturen erfolgt. Nur wenn eine
derartige Reinigung vorgenommen ist, läßt sich eine
einwandfreie und dauerhafte Verbindung einer Schicht im
nanoskalischen Schichtdickenbereich mit der Walzenoberfläche erzielen.
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Dies geschieht beispielsweise mit einer in Fig. 2 schematisch
dargestellten Reinigungseinrichtung.
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Die Reinigungseinrichtung gem. Fig. 2 besteht im wesentlichen
auch einer Sonotrode 2, die an einem Tragwerk 3
höheneinstellbar und, wie Fig. 3 zeigt, längsverfahrbar, in
Verikalrichtung schwingungsentkoppelt angeordnet ist. Die
Schallemissionsfläche 2.1 steht in nur geringem Abstand von
beispielsweise 0,5 mm über der Walzenoberfläche 1.1.
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Der an den von der Schallemissionsfläche 2.1 überdeckten
Spaltbereich 2.2 angrenzende Spaltbereich 2.3 ist von einer
Abdeckung 4 überdeckt. Die Abdeckung 4 weist im oberen
Bereich eine Druckkammer 4.1 und im unteren Bereich einen
Abdeckrand 4.2 auf, der die zu reinigende Oberfläche etwa im
gleichen Spaltabstand überdeckt wie die Schallemissionsfläche
2.1. Der Spalt zwischen dem Abdeckrand 4.2 und der zu
reinigenden Oberfläche liegt in der Größe von 1 mm oder weniger,
vorzugsweise 0,5 bis 0,25 mm. Die Abdeckung 4 ist über
Tragelemente 5 mit dem Tragwerk 3 verbunden und gegenüber der
Sonotrode 2 schwingungsentkoppelt angeordnet, so daß die
Schwingungen der Sonotrode, die senkrecht zu der zu
reinigenden Oberfläche verlaufen, nicht auf die Abdeckung 4
übertragen werden.
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Die Sonotrode 2 weist ferner einen Zufuhrkanal 6 für eine
Waschflüssigkeit auf, der im Axialbereich der Sonotrode
verläuft und durch die Schallemissionsfläche in Richtung auf die
zu reinigende Oberfläche 1.1 ausmündet. Der Zufuhrkanal 6 ist
an eine Waschflüssigkeitsversorgung 6.1 über eine Zuleitung
6.2 angeschlossen, wobei diese Zuleitung im Bereich eines
Schwingungsknotens der Sonotrode 2 in den Zufuhrkanal 6
einmündet. Über eine Pumpe 6.3 wird die Reinigungsflüssigkeit
mit geringem Druck, beispielsweise einem Druck von 20 mm WS
dem Bereich der Schallemissionsfläche zugeführt.
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Der die Sonotrode 2 umschließende obere Bereich der Abdeckung
4 umschließt eine Druckkammer 4.1, die in einen die
Schallemissionsfläche 2.1 begrenzenden Durchtrittsspalt 4.11
ausmündet. Die Druckkammer 4.1 wird mit einem strömungsfähigen
Medium, vorzugsweise einem gasförmigen Medium über eine Pumpe
4.12 versorgt. Der Förderdruck der Pumpe 4.12 entspricht
maximal dem Förderdruck der Pumpe 6.3 für die
Reinigungsflüssigkeit. Der Abdeckrand 4.2 ist mit einem Ringkanal 8.1 und
8.2 versehen, der jeweils über entsprechende Öffnungen 9.1
bzw. 9.2 mit dem Spaltbereich 4.3 in Verbindung steht. Die
beiden Ringkanäle 8.1 und 8.2 stehen über einen
Flüssigkeitsabscheider 10 mit einem Unterdruckerzeuger 11, beispielsweise
einer Saugpumpe in Verbindung.
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Die Waschflüssigkeit wird über den Zufuhrkanal 6 so
zugeführt, daß über die an seinem Austritt in der
Schallemissionsfläche 2.1 austretende Waschflüssigkeit eine optimale
Einkopplung der Schallenergie gewährleistet ist. Die
Waschflüssigkeit wird hierbei zerstäubt und aufgrund des an der
Abdeckung 4 anliegenden Unterdrucks über die Ringkanäle 8.1 und
8.2 abgesaugt. Der Unterdruck wird zweckmäßigerweise so
eingestellt, daß durch den Spalt zwischen dem Abdeckrand 4.2 und
der Oberfläche 1.1 von außen zusätzlich noch Luft angesaugt
wird, so daß die verschmutzte Waschflüssigkeit nicht nur
nicht nach außen dringen kann, sondern auch zuverlässig von
dem bereits gereinigten Teil der Oberfläche abgenommen wird.
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Die Zerstäubung der Waschflüssigkeit wird durch das über den
Durchtrittsspalt 4.11 zugeführte gasförmige Medium verringert
und so die hydraulische Ankopplung der Sonotrode 2 an die zu
reinigende Oberfläche 1.1 verbessert.
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Die Absaugung über Unterdruck hat den weiteren Vorteil, daß
bei entsprechender Bemessung des Spaltes über den an der
Abdeckung 4 anstehenden Unterdruck auch die Zufuhr der
Waschflüssigkeit aus der Flüssigkeitsversorgung 6.1 unterstützt
wird.
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Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, kann die Abdeckung
4 mit dem Tragwerk 3 verbunden sein. Die Abdeckung 4 ist aber
gegenüber der Sonotrode 2 schwingungsentkoppelt gehalten, so
daß die Sonotrode 2 mit ihren schwingenden Bereichen frei
gegenüber der Abdeckung 4 schwingen kann. Aber auch die
Flüssigkeitsversorgung mit ihrer Pumpe einerseits und die
Absaugung mit ihren Pumpen und Abscheider andererseits, sowie die
Druckversorgung der Druckkammer 4.1 können ebenfalls mit dem
Tragwerk verbunden sein, so daß eine geschlossene Baueinheit
gegeben ist. Der zwischen Sonotrode 2 und Druckkammer 4.1 der
Abdeckung 4 bestehende Schlitz 13 ist, wie angedeutet, mit
einer Dichtung 14 abgeschlossen, die die freie Schwingung der
Sonotrode 2 zuläßt.
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Wie Fig. 3 zeigt, erfolgt bei der Reinigung die
Relativbewegung zwischen der zu reinigenden Oberfläche 1.1 und der
Sonotrode 2 nicht nur durch Drehung der Walze sondern auch durch
Verfahren des Tragwerks 3 auf einer Fahrschiene 3.1 in
Achsrichtung der zu reinigenden Walze in Richtung des Pfeils 9,
so daß durch die Drehung einerseits und die Längsbewegung des
Tragwerks 3 an der Fahrschiene andererseits die gesamte
Oberfläche je nach Verschmutzung schon in einem Durchlauf
gereinigt werden kann. Wie Fig. 3 ferner erkennen läßt, umschließt
die Abdeckung 4 die Schallemissionsfläche der Sonotrode 2
allseitig.
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann die Einrichtung mit Hilfe
des Tragwerks beispielsweise am Maschinenrahmen einer
Druckmaschine festgelegt werden, so daß die Einrichtung jeweils in
Freiräume im Bereich der zu reinigenden Walzen hineinragen
kann und so die Walzen einer Druckmaschine ohne Demontage
gereinigt werden können. Durch die Zufuhr der Waschflüssigkeit
unter Druck und die Anordnung einer Absaugung ist
gewährleistet, daß die Einrichtung lageunabhängig eingesetzt werden
kann und keine Reinigungsflüssigkeit in die Druckmaschine
gelangen kann.