DE102015009676A1

DE102015009676A1 - Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mit einem Strahlmittel aus Trockeneispartikeln

Info

Publication number: DE102015009676A1
Application number: DE102015009676.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Böckler; Andreas Donnerhack; Friedhelm Herzog; Steven Powell
Original assignee: Messer Group GmbH
Current assignee: Messer Group GmbH
Priority date: 2015-07-25
Filing date: 2015-07-25
Publication date: 2017-01-26
Also published as: MA42476A; WO2017017034A1; EP3325215A1

Abstract

Oberflächen müssen vor dem Lackieren und Beschichten teilweise angeraut werden. Dies erfolgt üblicherweise mit einer Bestrahlung der Oberfläche mit Sand- oder Glaspartikel. Bei dieser Art der Vorbehandlung fällt Sand oder anderes Strahlmittel an und kann das zu reinigende Teil kontaminieren. Insbesondere im Lebensmittel-, Automotive- und Medizinbereich sind Verschleppungen von Strahlmittel unerwünscht. Erfindungsgemäß kommt bei der Behandlung von Oberflächen ein Strahlgut zum Einsatz, das aus festem Kohlendioxid besteht, das durch Einfrieren von flüssigem Kohlendioxid gewonnen wurde. Man erhält auf diese Weise ein rückstandsfrei sublimierendes Strahlmittel. Im Vergleich zu Trockeneispartikeln, die durch Verpressen von Kohlendioxidschnee hergestellt wurden, weist das erfindungsgemäße Strahlmittel eine deutlich höhere Härte auf und sorgt für eine wesentlich stärkere mechanische Abrasion der behandelten Oberfläche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mit einem Strahlmittel aus Trockeneispartikeln.
Zum Reinigen, Aktivieren oder Vorbehandeln von Werkstückoberflächen, insbesondere von Maschinen, Anlagen oder Bauteilen, ist die Bestrahlung der Oberflächen mit einem Strahlmittel eine Alternative zu mechanischen Behandlungen wie beispielsweise Schleifen oder Bürsten. Dabei wird ein in der Regel aus festen Partikeln bestehendes Strahlmittel in einem Trägergasstrom mit hoher Geschwindigkeit auf die zu behandelnde Oberfläche abgestrahlt.
Bei den Strahlmitteln wird zwischen sogenannten abrasiven Strahlmitteln, wie beispielsweise Sand, Glas, Korund oder Kunststoffgranulat, und sogenannten nicht-abrasiven Strahlmitteln, wie beispielsweise Kohlendioxidschnee oder Kohlendioxidpellets, unterschieden. Als „abrasiv” soll hier eine Einwirkung auf eine Oberfläche verstanden werden, die zu einem Werkstoffabtrag von der behandelten Oberfläche, insbesondere zu einem Aufrauen der behandelten Oberfläche führt.
Die mit abrasiven Strahlmitteln behandelten Werkstücke weisen – im Gegensatz zu den mit nicht-abrasiven Strahlmitteln behandelten – eine nach der Behandlung aufgeraute, also durch einen Werkstoffabtrag gekennzeichnete Oberfläche auf. Eine Behandlung mit abrasiven Strahlmitteln ist daher besonders geeignet, um Oberflächen für eine nachfolgende Bearbeitung, beispielsweise für eine Lackierung oder einer Beschichtung, vorzubehandeln. Der wesentliche Nachteil von üblichen abrasiven Strahlmitteln ist jedoch, dass die bei der Bestrahlung anfallenden Partikel des Strahlmittels verschleppt werden und zur Kontamination des bestrahlten Werkstücks führen können.
Beispielsweise weist eine mit Sandstrahlung behandelte keramische Oberfläche Siliciumcarbid-Körner auf, die insbesondere bei mechanischer Beanspruchung herausbrechen können. Daher sind sandgestrahlte Keramikoberflächen zurzeit nicht unter Reinraumbedingungen, wie sie insbesondere in der Halbleiterindustrie verlangt werden, einsetzbar. Insbesondere für die Lithographie, etwa für die EUV-Lithographie, stellt das Ausbrechen von Partikeln, wie beispielsweise der erwähnten Siliciumcarbid-Partikel, eine Kontamination dar, die die Produktionsprozesse zur Herstellung von Halbleiterprodukten empfindlich stört und zu Fehlern im zu fertigenden Produkt führt. Die Gefahr der Kontaminationen durch Verwendung abrasiver Strahlmittel ist auch beispielsweise in verschiedenen Anwendungen im Lebensmittel-, Medizin- und Automotivbereich gegeben.
Im Gegensatz zu den vorgenannten abrasiven Strahlmitteln sublimiert als Strahlgut verwendetes Kohlendioxid rückstandsfrei von der Werkstückoberfläche. Als Strahlmittel wird dabei Kohlendioxid in Form von Schnee oder Pellets eingesetzt.
Kohlendioxidschnee wird durch Entspannung von flüssigem Kohlendioxid an einer Entspannungsdüse gewonnen und in seinem Einsatz als Strahlmittel oft direkt aus der Entspannungsdüse mit hoher Geschwindigkeit, bis hin zur Überschallgeschwindigkeit, auf die zu behandelnde Oberfläche abgestrahlt. Die Bestrahlung mit Kohlendioxidschnee eignet sich insbesondere zur Entfernung von Belägen und Beschichtungen von druckempfindlichen Oberflächen.
Bei Kohlendioxidpellets handelt es sich um ein Granulat aus Kohlendioxidpartikeln, das in einem Trägergasstrom, meist Pressluft, aus einer in einer Strahlpistole angeordneten Strahldüse auf die zu bearbeitende Oberfläche ausgetragen wird. Zur Herstellung der Kohlendioxidpellets wird flüssiges Kohlendioxid durch Entspannung in Kohlendioxidschnee überführt. Dieser wird zu einem Kuchen komprimiert und durch eine Matrize gepresst. Als Resultat entstehen zylindrische oder kugelförmige Partikel mit einer gewissen Verteilung an Länge und Durchmesser; typischerweise besitzen die Pellets eine Länge zwischen 5 bis 10 mm und einen Durchmesser von 2 bis 5 mm. Die Trockeneispellets besitzen einen Härtewert (nach Leeb) von lediglich etwa HL = 180, was ungefähr der Härte von Gips entspricht. Kohlendioxidpellets wirken daher nur bei sehr weichen Oberflächen abrasiv; sie haben sich allerdings als Stahlmittel bei der Entfernung von auf Oberflächen anhaftenden Beschichtungen oder Verunreinigungen durchgesetzt, wie beispielswiese der Entlackung von Metalloberflächen, der Fassadenreinigung oder dem Beseitigen grober Verschmutzungen an Maschinen.
Vorrichtungen und Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mit CO₂-Schneestrahlen oder Trockeneispellets wurden vielfach beschrieben und finden sich beispielsweise in den Druckschriften WO 99/043470 A , WO 00/74897 A1 , WO2004/033154 A1 , DE 199 26 119 A1 , DE 10 2005 054 246 , US 5 445 553 A , US 4 962 891 A1 , US 5 616 067 A1 .
Die Wirkung der Kohlendioxidpartikel beruht vorwiegend auf dem Kälteeffekt der mit einer Temperatur von –78,5°C auf die Oberfläche auftreffenden Teilchen, der zu Spannungen innerhalb einer auf der Oberfläche aufliegenden Beschichtung führt und diese dadurch vom Untergrund löst. Die mechanische Einwirkung der Partikel auf die Oberfläche, die die wesentliche Wirkung der abrasiven Strahlgüter ausmacht, spielt bei Kohlendioxidstrahlen aufgrund der geringen Härte der Strahlpartikel nur eine untergeordnete Rolle. Demzufolge sind die gängigen Verfahren zur Oberflächenbehandlung mit Kohlendioxid insbesondere nicht für eine Behandlung von Werkstücken aus Metall oder Kunststoff geeignet, bei denen ein Anrauen der behandelten Oberfläche erforderlich ist.
Verschiedentlich wurde daher versucht, die Vorteile von abrasiven Strahlmitteln mit denen von Kohlendioxid dadurch zu verbinden, dass ein oder mehrere mineralische Strahlmittel zusammen mit Kohlendioxidpartikeln in einem Trägergasstrom auf eine Oberfläche ausgetragen werden. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der DE 10 2012 017 906 A1 beschrieben. Auch wenn die Reinigungswirkung dadurch verbessert werden kann, ergibt sich jedoch auch hier das Problem der Verschleppung von Strahlmittel.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Behandlung von Oberflächen, insbesondere zur abrasiven Behandlung von Werkstückoberflächen, anzugeben, bei dem keine Verschleppung von Strahlmittel auftritt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mit einem Strahlmittel aus Trockeneispartikeln ist also dadurch gekennzeichnet, dass die als Strahlmittel verwendeten Trockeneispartikel aus einem durch Einfrieren von flüssigem Kohlendioxid erzeugten Formkörper aus festem Kohlendioxid hergestellt werden.
Zur Herstellung der Trockeneispartikel wird flüssiges Kohlendioxid in einen druckfesten Reaktor gefüllt und dort im weiterhin flüssigen Zustand an einem im Reaktor befindlichen Wärmetauscher mit einem Wärmeträgerfluid in thermischen Kontakt gebracht, dessen Temperatur unterhalb der Erstarrungstemperatur von Kohlendioxid liegt. Durch den Wärmekontakt mit dem Wärmeträgerfluid gefriert das flüssige Kohlendioxid zu einem Formkörper aus festem Kohlendioxid. Bevorzugt wird während der Behandlung zu keinem Zeitpunkt ein Druck angelegt, der höher als der Druck des flüssigen Kohlendioxids beim Einfüllen in den Reaktor ist. Das auf diese Weise hergestellte feste Kohlendioxid ist von glasartiger Gestalt und besitzt eine erheblich größere Härte und Sprödigkeit als durch Entspannung von flüssigem Kohlendioxid erzeugter Kohlendioxidschnee oder hieraus erzeugte Kohlendioxidpellets. Der Formkörper wird anschließend mechanisch, beispielsweise durch Zermahlen oder Brechen, zu einem Strahlmittel der gewünschten durchschnittlichen Korngröße von beispielsweise 1 mm bis 5 mm zerkleinert. Durch Brechen oder Zermahlen entstehen Partikel mit einer scharfkantigen Oberflächenkontur, durch welche die abrasive Wirkung der Partikel im Einsatz noch unterstützt wird.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren als Strahlmittel eingesetzten Trockeneispartikel besitzen mit einem gemessenen Härtewert (nach Leeb) von beispielsweise HL = 400 bis HL = 420 und darüber eine ähnlich große Härte wie bekannte abrasive Strahlmittel, sublimiert jedoch rückstandsfrei von einer behandelten Oberfläche. Somit wird ein Verschleppen von Strahlmittel und eine dadurch verursachte Kontamination der behandelten Oberfläche wirksam unterbunden. Auf diese Weise können Insbesondere von der Halbleiterindustrie geforderte Reinraumbedingen erfüllt werden. Die erfindungsgemäß hergestellten Trockeneispartikel sind insbesondere zur abrasiven Oberflächenbehandlung von Metall- oder Kunststoffoberflächen, beispielsweise Oberflächen aus Aluminium, Eisen, Stahl, Polyethylen, PVC oder Verbundwerkstoffen geeignet.
Das Strahlmittel wird in bekannter Weise in einem Trägergasstrahl auf eine zu behandelnde Oberfläche ausgetragen. Als Trägergas kommt beispielsweise Druckluft oder ein unter Druck stehendes Gas, beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxidgas zum Einsatz.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Trockeneispartikel vor der Bestrahlung der Oberfläche unterkühlt werden. Dadurch wird gewährleistet, dass die Partikel des Strahlmittels nicht bereits ganz oder teilweise vor Erreichen der zu bestrahlenden Oberfläche sublimieren. Die Unterkühlung wird dadurch erzielt, dass die Partikel vor der Bestrahlung bei einer Temperatur unterhalb der Sublimationstemperatur der Partikel bevorratet werden, und/oder dass die Partikel in einem Trägergasstrom ausgetragen werden, dessen Temperatur unterhalb der Sublimationstemperatur liegt.
Die als Strahlmittel verwendeten Trockeneispartikel eignen sich besonders zum Anrauen einer Oberfläche, insbesondere einer Metall- oder Kunststoffoberfläche, als Vorbehandlung vor einer Lackierung oder Beschichtung. Aufgrund ihrer großen Härte besitzen die erfindungsgemäß hergestellten Kohlendioxidpartikel eine abrasive Wirkung, die dem von konventionellen abrasiven Strahlmitteln, wie beispielsweise Glas oder Kunststoffgranulat, nicht wesentlich nachsteht. Zudem gelingt es mit ihnen, Beschichtungen von Oberflächen zu entfernen, die mit konventionell hergestelltem Trockeneisschnee oder Trockeneispellets nicht oder nur mit erheblichem Aufwand an Energie und/oder Strahlmittel entfernt werden können.
Erfindungsgemäß werden Trockeneisteilchen, die durch Zerkleinern eines durch Einfrieren von flüssigem Kohlendioxid hergestellten Formkörpers aus festem Kohlendioxid gewonnen wurden, bevorzugt als Strahlmittel zur abrasiven Behandlung von Oberflächen, beispielsweise zum Anrauen von Oberflächen aus Metall oder Kunststoff vor einer nachfolgenden Bearbeitung, eingesetzt. Die erfindungsgemäß hergestellten Trockeneisteilchen verbinden aufgrund ihrer großen Härte und dem Umstand, dass sie rückstandsfrei von einer behandelten Oberfläche sublimieren, die Vorzüge konventioneller abrasiver Strahlmittel mit denen von konventionell gewonnenen Kohlendioxidpartikeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 99/043470 A [0009]
WO 00/74897 A1 [0009]
WO 2004/033154 A1 [0009]
DE 19926119 A1 [0009]
DE 102005054246 [0009]
US 5445553 A [0009]
US 4962891 A1 [0009]
US 5616067 A1 [0009]
DE 102012017906 A1 [0011]

Claims

Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mit einem Strahlmittel aus Trockeneispartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass die als Strahlmittel verwendeten Trockeneispartikel aus einem durch Einfrieren von flüssigem Kohlendioxid erzeugten Formkörper aus festem Kohlendioxid hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Strahlmittel verwendeten Trockeneispartikel vor der Bestrahlung der Oberfläche unterkühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die als Strahlmittel verwendeten Trockeneispartikel zum Anrauen einer Oberfläche als Vorbehandlung vor einer Lackierung oder Beschichtung eingesetzt werden.
Verwendung von Trockeneispartikeln, die aus einem durch Einfrieren von flüssigem Kohlendioxid erzeugten festen Kohlendioxid-Formkörper hergestellt wurden, zur abrasiven Behandlung von Oberflächen.