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Industrielle Bauteilreinigung – Basis für qualitativ hochwertige Prozesse und Produkte

Ob Automobil- und Zulieferindustrie, Medizintechnik, Maschinenbau, Luftfahrt, Fein- und Mikromechanik, Optik, Elektronik oder andere Industriebereiche – Spezifikationen zur partikulären und/oder filmischen Sauberkeit sind bei zahlreichen Bauteilen heute eine Selbstverständlichkeit. Um die erforderliche Reinigungsqualität effizient zu erreichen und zu erhalten, lohnt es sich, nicht nur die Reinigung im Blick zu haben, sondern die gesamte Prozesskette.

Industrielle Bauteilreinigung - Bad

Symbolbild Bauteilreinigung

Industrielle Bauteilreinigung (Bild: SurTec)

Die industrielle Bauteilreinigung hat die Aufgabe, die für nachfolgende Prozesse beziehungsweise eine einwandfreie Produktfunktion erforderliche Sauberkeit sicherzustellen. Sie trägt damit zur Wertschöpfung in der Fertigung bei.

Für eine wirtschaftliche, reproduzierbare und umweltgerechte Teilereinigung ist eine auf die Anforderungen abgestimmte Reinigungslösung unverzichtbar. Wesentliche Kriterien bei der Auswahl sind: Bauteilgeometrie, Werkstoff, Art und Grad der Verschmutzung, Bearbeitungszustand und der geforderte Reinheitsgrad sowie die Anforderungen an den Durchsatz zu erfüllen. Außerdem müssen die Verfahren natürlich gesetzeskonform (WHG, BImSchG, MRL, BG, ATEX …), umweltverträglich und ressourcenschonend sowie effizient sein.

Nasschemische Reinigungsverfahren

Um bei den häufig eingesetzten nasschemischen Reinigungsverfahren eine qualitätssichernde Prozessführung und damit die geforderte hohe Sauberkeit stabil zu erreichen, sind in Chemie, Anlage, Verfahren, Medienaufbereitung sowie Mess- und Prüftechnik abgestimmte Lösungen erforderlich.

Die Wirkung der Chemie wird in erster Linie durch das Lösevermögen des eingesetzten Reinigers bestimmt. Gängige Reinigungsmedien sind wässrige Reiniger und Lösemittel, letztere werden grob in nicht halogenierte Kohlenwasserstoffe (KW), Chlorkohlenwasserstoffe (CKW) und modifizierte Alkohole (polare Lösemittel) unterschieden. Bei der Auswahl des geeigneten Reinigungsmediums bietet der chemische Grundsatz „Gleiches löst Gleiches“ eine Orientierungshilfe:

Wässrige Reiniger werden üblicherweise bei wasserbasierten (polaren) Verunreinigungen wie Polierpasten, Salzen, Abrieb und anderen Feststoffe eingesetzt. Es empfiehlt sich dabei die Materialverträglichkeit und das erzielbare Ergebnis durch Reinigungsversuche abzuklären. Wichtig ist darüber hinaus, dass der Reiniger für die eingesetzte Verfahrenstechnik wie etwa Spritzen, Tauchen oder Ultraschall geeignet ist, ansonsten kann es im Prozess beispielsweise zu einer störenden Schaumbildung kommen.

Bei unpolaren Verschmutzungen wie Ölen und Fetten ist meist ein Lösemittel die richtige Wahl. Je nach abzureinigenden Verschmutzungen stellt ein Chlorkohlenwasserstoff, nicht-halogenierter Kohlenwasserstoff oder modifizierter Alkohol die optimale Lösung dar. Letztere verfügen über lipophile und hydrophile Eigenschaften, so dass sie unpolare und bis zu einem gewissen Grad auch polare Kontaminationen abreinigen.

Je nach gewähltem Reiniger sind unterschiedliche gesetzliche Vorgaben zum Arbeitsschutz, Umweltschutz (zum Beispiel VOC-Richtlinie, 2. BimSchV, Detergenzienverordnung) und Explosionsschutz zu beachten. Die Wirkung des Reinigungsmediums wird durch unterschiedliche physikalische Verfahrenstechniken unterstützt.

Zusammenspiel von Chemie und Verfahrenstechnik

Bei der Spritzreinigung, die überwiegend bei großen und flächigen Werkstücken zum Einsatz kommt, werden Verschmutzungen teils vom Reinigungsmedium (meist wässrige Reiniger) gelöst beziehungsweise emulgiert, teils durch die kinetische Energie des Spritzstrahls fortgeschwemmt. Eine zusätzliche Bewegung des Waschgutes und/oder der Düsen sorgt für ein gleichmäßiges Reinigungsergebnis.

Tauchreinigungsverfahren werden bevorzugt, wenn Teile mit komplexer Geometrie, beispielsweise mit Sacklochbohrungen, Hinterschneidungen, zu reinigen sind. Beim Eintauchen des Werkstücks in das Reinigungsbad lösen sich anhaftende Verschmutzungen durch die chemische Wirkung des Reinigungsmediums. Drehen oder Schwenken der Teile im Bad verstärkt die Reinigungswirkung.

Die Reinigungswirkung der Ultraschallreinigung basiert auf Kavitation: Durch einen Ultraschallgenerator und ein abgestimmtes Schwingsystem wird die Badflüssigkeit beschallt. Die dabei entstehenden Schwingungen verursachen in der Flüssigkeit kleinste Hohlräume, die sofort wieder kollabieren. Dabei entstehen starke Strömungen und Turbulenzen, die den am Reinigungsgut vorhandenen Schmutz „absprengen“.

Druckumflutreinigung steht für ein Verfahren, bei dem Pumpen Flüssigkeit aus dem Reinigungsbad ansaugen, um sie anschließend mit hohem Druck durch ein unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnetes Düsensystem zu pumpen. Dabei entstehen starke Strömungen, die an den Bauteilkanten Turbulenzen verursachen, die den Schmutz ablösen. Beim Vorbeiströmen an Sacklöchern und Vertiefungen bildet sich außerdem eine Sogwirkung, die die darin befindlichen Verunreinigungen „herauszieht“.

Zahlreiche in der Natur vorkommende Mikroorganismen sind in der Lage, komplexe organische Moleküle in weniger komplexes, ungefährliches Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln. Solche speziell gezüchteten Organismen kommen bei der biologischen Reinigung zum Einsatz. Dabei werden, wie bei der wässrigen Reinigung, Öle und Fette unter Mitwirkung von Tensiden und Emulgatoren von der Bauteiloberfläche gelöst und im Reinigungsbad verteilt. Die Emulsion gelangt in einen vom Reinigungsbad getrennten Bioreaktor, in dem die Mikroorganismen die kontinuierliche Aufbereitung des Reinigungsbades übernehmen.

Trockene Reinigungsverfahren

Hohe Oberflächen-Reinheitsgrade lassen sich auch durch Strahlreinigung erzielen. Diese mechanischen Verfahren kommen häufig zum Einsatz, wenn neben Sauberkeit weitere Eigenschaften wie beispielsweise Gratfreiheit, Glätten, Aufrauen oder Mattieren gefragt sind. Zu den Strahlverfahren zählen zum Beispiel Druckluftstrahlen, Schleuderradstrahlen, Wasserstrahlen, CO2-Schnee- und Pelletstrahlen sowie Laserstrahlen.

Die CO2-Schneestrahlreinigung verwendet flüssiges Kohlendioxid als Strahlmittel oder einen Trockeneisblock der abgeschabt wird. Durch die Kombination mechanischer, thermischer und chemischer Eigenschaften entfernt der CO2-Schnee beim Auftreffen auf die Oberfläche feste und filmische Verunreinigungen trocken, rückstands- und chemikalienfrei von nahezu allen Materialien. Definierte Funktionsbereiche von Bauteilen wie beispielsweise Dicht- und Klebeflächen lassen sich mit diesem Verfahren gezielt behandeln, ohne dass das komplette Bauteil gereinigt werden muss. Es kann einfach automatisiert werden und die Anwendungsbereiche werden durch die Entwicklung neuer Werkzeuge kontinuierlich erweitert.

Beim Trockeneisstrahlen kommen statt flüssigem Kohlendioxid etwa reiskorngroße Eis-Pellets aus Kohlendioxid als Strahlmittel zum Einsatz. Einsatzgebiet des Trockeneisstrahlens ist die Reinigung von Werkzeugen, Formen, Maschinen und Anlagen.

Die Laserstrahlreinigung nutzt einen leistungsstarken, fokussierten Laserstrahl als Reinigungsmedium. Er wird über die zu reinigende Oberfläche geführt, wobei die Lichtenergie des Laserstrahls direkt in thermische Energie umgewandelt wird und auf der Schmutzschicht schlagartig verdampft. Dabei entsteht eine Plasmaschockwelle, durch die auch nicht verdampfbare Partikel entfernt werden.

Die Plasmatechnik bietet durch den Einsatz verschiedener Reaktionsgase ein breites Anwendungsspektrum bei Stück- und Schüttgütern aller Art aus Stahl, NE-Metallen, Kunststoffen, Glas und Keramik. Am effektivsten sind diese Verfahren, wenn dünnschichtige organische Verschmutzungen zu entfernen sind.

Badpflege für ökonomische und ökologische Prozesse

Wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit industrieller Reinigungsprozesse hat die Standzeit der Bäder. Durch verschiedene Maßnahmen und Verfahren lässt sich der Badzustand deutlich länger stabil halten. Neben der Effizienz erhöht dies die Anlagenverfügbarkeit und leistet einen Beitrag zum Umweltschutz. Welche Komponenten für die Badaufbereitung eingesetzt werden, hängt von den Sauberkeitsanforderungen, Art und Menge der Verunreinigungen sowie vom Reiniger ab. Feststoffe (Späne, Partikel, Schleifstaub …) werden durch Filtration aus den Bädern entfernt. Zum Einsatz kommen dafür Beutel-, Kerzen-, Band- sowie Zyklonfilter.

Öle und Fette, die nicht emulgiert in der Flüssigkeit vorliegen, sowie feine partikuläre Verunreinigungen lassen sich bei der wässrigen Reinigung durch einen an das Reinigungssystem angeschlossenen Schwerkraftabscheider austragen. Separatoren und Zentrifugen ermöglichen den Austrag von Feststoffen bis zu einer Partikelgröße von 2 μm.

Verdampfung und Vakuumdestillation werden sowohl bei der wässrigen als auch der Lösemittelreinigung zur Abscheidung von Ölen und Fetten eingesetzt. Die Wirkung basiert darauf, dass Reinigungsflüssigkeit und das darin befindliche Öl bzw. Fett unterschiedliche Siedepunkte haben. Bei der Vakuumdestillation laufen die Verdampfungsprozesse unter Vakuum bei deutlich geringen Temperaturen ab.

Membranfiltration steht als Überbegriff verschiedener Verfahren zum Austrag sehr feiner Verunreinigungen sowie zur Frischwasserbehandlung. Die Wirkung beruht auf Druck und unterschiedlichen Membranmaterialien.

Auch die Werkstückträger beeinflussen das Ergebnis

Wie sauber, trocken und makellos Werkstücke aus der Reinigungsanlage kommen, hängt nicht nur vom Reinigungsprozess, sondern auch vom Werkstückträger ab. Denn Voraussetzung für eine zuverlässige und schnelle Abreinigung von Verschmutzungen ist eine gute Zugänglichkeit der Teile im Behältnis. Nur dann werden die Werkstücke gleichmäßig vom Reinigungsmedium erreicht, so dass die Waschmechanik ihre Wirkung voll entfalten und filmischen wie partikulären Schmutz bestmöglich ausschwemmen kann. Unverzichtbar ist die optimale Zugänglichkeit auch bei der Trocknung. Dies ist durch den Einsatz von Runddraht möglich. Denn im Gegensatz zu geschlossenen oder perforierten Blechkisten werden die Werkstücke in einem Drahtkorb von allen Seiten mit dem Reinigungsmedium umspült. Das runde Material reduziert außerdem die Kontaktflächen zwischen Reinigungsgut und Behältnis und damit das Risiko, dass Verschmutzungen oder Reinigungsmedium am Teil haften bleiben beziehungsweise die Teile an den Kontaktpunkten nicht vollständig abtrocknen und sich Flecken bilden. Drahtbehältnisse zeichnen sich außerdem durch ein erheblich besseres Abtropfverhalten aus, es wird weniger Schmutz und Reinigungsmedium verschleppt. Hinsichtlich des Materials hat sich Edelstahl bewährt.

Bauteiltrocknung ist ein Muss

Absolut trockene Teile sind in modernen Fertigungsprozessen ein Muss. Denn bei wässrigen Medien kann bereits minimale Restfeuchte Korrosionsschäden am fertigen Produkt und dadurch hohe Folgekosten verursachen. Auch für nachfolgende Bearbeitungsschritte wie Beschichten, Verkleben oder Laserschweißen ist eine restlos trockene Oberfläche Voraussetzung für dauerhaft einwandfreie Verbindungen. Nicht vollständig aufgetrocknete Lösemittel können Ursache für einen Lösemittelfilm auf der Bauteiloberfläche sein, der zu Zersetzungsprodukten am Werkstück führt. Neben qualitativen Gesichtspunkten hat die Trocknung bei der Lösemittelreinigung auch unter Umweltaspekten eine große Bedeutung. Es muss sichergestellt sein, dass Lösemittel im Trocknungsprozess restlos von den Teilen entfernt werden und nicht mit ihnen in die Umwelt gelangen.

Für die Bauteiltrocknung stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Entscheidend bei der Auswahl sind neben dem verwendeten Reinigungsmedium die Geometrie und Materialbeschaffenheit der Werkstücke. Einfachste Variante bei der wässrigen Reinigung ist die Konvektionstrocknung. Sie nutzt die Eigenwärme der durch den Waschprozess auf 70 bis 80 Grad Celsius erwärmten Teile.

Bei der Umlufttrocknung mit Heißluft wird das Wasser mit einem regelbaren heißen Luftstrom mit hoher Luftleistung verdampft.

Eine effektive und schnelle Trocknung von Teilen mit komplizierter Geometrie gewährleistet die Vakuumtrocknung, die sowohl bei der wässrigen als auch der Lösemittelreinigung eingesetzt wird. Die Siedetemperatur der auf den Teilen befindlichen Flüssigkeit sinkt mit fallendem Druck, so dass sie bereits bei niedrigen Temperaturen restlos verdampft.

Sicherung und Nachweis der Sauberkeitsqualität

Die Qualitätssicherung verfolgt das Ziel, die für eine fehlerfreie Weiterverarbeitung bzw. Verwendung der Teile und Zusammenbauten erforderlichen Sauberkeitseigenschaften zu gewährleisten, entsprechende Regelkreise aufzubauen und die hierfür erforderlichen Mittel und Maßnahmen zu installieren und zu überwachen.

Der Gehalt an Restpartikeln der relevanten Teileoberflächen bedeutet in vielfältigen Anwendungen ein Qualitätsmerkmal und somit Maßstab zur Beurteilung von Reinigungsprozessen. Die von der Automobilindustrie entwickelte VDA 19 und ISO 16232 bilden eine viel zitierte Grundlage zur Vereinheitlichung der Prüfung dieser Qualitätseigenschaft – inzwischen nicht mehr nur in der Automobilindustrie.

Für filmische Rückstände existieren keine – auf vergleichbar breiter Basis – anerkannten, institutionellen Standards. Direkte Folgeprozesse sind der unmittelbare Indikator, wenn etwas mit der Reinigung bzw. Sauberkeit nicht stimmt. Bisweilen zeigen sich Fehler erst weit hinten in der Wertschöpfungskette, was mit als Ursache für den Trend zur Erhebung von Grenzwerten und damit verbundenen Verantwortlichkeiten und analytischen Sauberkeitsnachweisen angesehen werden darf.

Die Sicherung der Sauberkeitsqualität betrifft nicht nur die Analyse filmischer, chemischer oder partikulärer Rückstände. Sie beinhaltet Maßnahmen vor, während und nach dem eigentlichen Teilereinigungsprozess bzw. dessen Umfeld.

Konservierung zum Schutz vor Korrosion

Durch zunehmend filigrane Bauteile steigen nicht nur die Anforderungen an die Teilereinigung, sondern auch an die Konservierung. Denn in den minimalen Abständen zwischen sich bewegenden Teilen oder den extrem feinen Hohlräumen beispielsweise bei Düsen und Injektoren können Partikel und Korrosion zu erheblichen Schäden durch Ausschuss führen. Der Schutz vor Korrosion spielt daher auch im Produktionsprozess eine wichtige Rolle. Speziell vor dem Hintergrund, dass während der Fertigung, beispielsweise nach dem Entfetten, häufig sehr reine und damit besonders korrosionsempfindliche Oberflächen vorliegen. Eine temporäre Konservierung wird daher zu einem festen Bestandteil im Gesamtprozess.

Die heute eingesetzten Reiniger enthalten Additive, die die Werkstücke während des Reinigungsprozesses vor Korrosion schützen. Um auch einen Schutz während der nachfolgenden Lagerung und dem Transport zu gewährleisten, ist eine temporäre Konservierung erforderlich.

Diese sollte sinnvollerweise gleich in der Reinigungsanlage erfolgen. Eingesetzt werden dafür in der Regel ölige, wässrige sowie wachsartige Substanzen, es lassen sich aber auch Verfahren wie eine Phosphatierung in der Reinigungsanlage durchführen. Je nach ausgewähltem Korrosionsschutzmedium und aufgetragener Schichtdicke schützt die temporäre Konservierung das Bauteil für einen bestimmten Zeitraum. Dieser liegt üblicherweise zwischen wenigen Stunden und bis zu zwei Jahren.

Ausschlaggebend bei der Auswahl ist, welche Prozesse sich an die Reinigung und Konservierung des Bauteils anschließen. Ein weiteres Kriterium ist, dass der Korrosionsschutz vor der Weiterverarbeitung des Werkstücks einfach wieder entfernt werden kann, da er bei nachfolgenden Oberflächenbehandlungen häufig störend wirkt. Geht das Bauteil sofort in einen weiteren Prozess oder in die Montage, reicht meist eine dünne, eventuell sogar flüchtige Schutzschicht aus. Zu beachten ist dabei, dass hier schon ein Fingerabdruck ausreichen kann, um Korrosion auszulösen. Ist eine längere Lagerzeit bzw. ein Transport vorgesehen, wird ein längerfristig wirkender Schutz erforderlich. Dazu zählen beispielsweise die so genannten VCI-Materialien (Volatile Corrosion Inhibitoren). Sie bestehen aus Pulvern, Flüssigkeiten sowie imprägnierten Folien und Papieren.

Sauber ans Ziel

Erfüllen die Teile nach dem Reinigungsprozess die vorgegebene Reinheitsspezifikation, gilt es, die erzielte Sauberkeit bis zur Anlieferung beziehungsweise der Montage zu erhalten. Erforderlich dafür ist eine detaillierte Betrachtung der folgenden Prozesse wie Transport und Verpackung sowie der Umgebungsbedingungen, beispielsweise die Fahrwege. Es gilt zum Beispiel Verschmutzungen durch Transportbehälter zu vermeiden. Um Partikelverschmutzungen aus der Umgebung zu verhindern, kann es auch erforderlich sein, Kontrolle, Lagerung und Verpackung in einem von der Fertigung abgegrenzten Bereich durchzuführen und das Personal mit entsprechender Kleidung und Handschuhen auszustatten. Als Schutz eignen sich sogenannte VCI-Verpackungen (Volatile Corrosion Inhibitor), die zudem eine korrosionsgeschützte Atmosphäre bilden, so dass auf eine explizite Konservierung der Teile verzichtet werden kann.

Eine Rückverschmutzung gereinigter Bauteile erfolgt häufig auch in Montageprozessen. So können Partikel beispielsweise beim Verstemmen, Verschrauben und selbst beim Feinjustieren entstehen und dabei direkt auf Funktionsoberflächen gelangen beziehungsweise in Funktionsbereiche eingeschlossen werden. Eine sauberkeitsgerechte Ausrichtung der Montage ist daher ebenfalls unverzichtbar.

FiT – Schnittstelle zwischen Forschung, Entwicklung und Anwendung

Der unter dem Dach des Zentralverbands Oberflächentechnik e. V. (ZVO) gegründete Fachverband industrielle Teilereinigung e. V. (FiT) repräsentiert Hersteller, Dienstleister, Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen und Anwender industrieller Reinigungstechnik. Zu seinen vorrangigen Aufgaben zählt die Schaffung eines stärkeren Bewusstseins über die Bedeutung der industriellen Teilereinigung für die Qualität von Bauteilen. Die Förderung der allgemeinen technischen und wirtschaftlichen Entwicklung in der industriellen Teilereinigung ist ebenfalls ein zentrales Thema des FiT. In dieser Funktion vermittelt der Verband durch Messebeteiligungen, Grundlagenseminare mit Praktika sowie Fachtagungen und Workshops auch das dafür erforderliche Fachwissen. Er leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur Qualifizierung der Mitarbeiter der Branche zu Wissensträgern. Forschungsaktivitäten als Ausgangspunkt für Produktinnovationen bei Anbietern von Reinigungstechnik und Teileherstellern werden vom FiT gezielt initiiert und begleitet.

Weitere Informationen unter www.fit-online.org.

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Kontakt

Porträtfoto der Referentin Presse und Kommunikation des ZVO, Birgit Spickermann

Birgit Spickermann
Referentin Presse und Kommunikation

Tel.: +49 (0) 2103 25 56 21
Fax: +49 (0) 2103 25 56 32
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