CO2-Schneestrahlen

Das CO2-Schneestrahlen ist ein Verfahren zum Reinigen und Vorbehandeln von Oberflächen. Die Versorgungsmedien sind dabei flüssiges CO2 und Druckluft. Das Strahlmittel sind CO2-Schneepartikel aus Trockeneis, die in den CO2-Schneestrahlgeräten aus Flüssig-CO2 produziert werden.

Der Anlagenaufbau gestaltet sich relativ einfach. Für die Flüssig-CO2-Versorgung kann entweder ein CO2-Niederdrucktank oder eine CO2-Flasche bzw. Flaschenbündel mit Steigrohr genutzt werden. Die Druckluftversorgung erfolgt über das Betriebsnetz oder einen Schraubenkompressor. Ein Stromanschluss ist nicht notwendig. Die Reinigung bzw. Vorbehandlung erfolgt trocken, rückstandsfrei und umweltfreundlich.

Anwendung
Anwendung findet das CO2-Schneestrahlen bei der Reinigung und Vorbehandlung von festen Oberflächen. Darüber hinaus gibt es auch Applikationen zum Trennen, Entgraten und Kühlen. Das CO2-Schneestrahlen bietet eine große Anwendungsflexibilität und wird unter anderem für folgende Verunreinigungen eingesetzt: Partikel, Stäube, Fette, Öle, Fingerabdrücke, Trennmittel, Schlichten, Produktrückstände, Kleber- und Leimablagerungen, Poliermittelrückstände, Korrosionsschutz- und Kühlschmiermittel, Bitumen, Wachse, Lackpartikel und dünne Farbschichten, Schmauchspuren, Flussmittelablagerungen, Ruß, Kalk sowie Keime und Pilze.

Anlagenprinzip
Beim CO2-Schneestrahlen wird Flüssig-CO2 durch thermodynamische und physikalische Vorgänge in verdichtete, feste CO2-Schneepartikel mit einem Durchmesser von 1 bis 100 µm umgewandelt. Diese CO2-Schneepartikel aus Trockeneis haben eine Temperatur von -78,5 °C. Die CO2-Schneepartikel werden der Druckluft zu dosiert. Die Beschleunigung der Partikel erfolgt durch die Druckluftströmung in einer Düse. Unter Beachtung der Strömungs-, Temperatur- und Druckverhältnisse ist es möglich, einen homogenen Freistrahl zu erzeugen. Abhängig von der Düse bildet sich ein Rundstrahl mit hoher punktueller Reinigungskraft (Runddüse) oder ein Flachstrahl mit bis zu 100 mm breiter, gleichmäßiger Reinigungsleistung (Flachdüse) aus. Mit diesem Freistrahl lassen sich Oberflächen reinigen und vorbehandeln. Beim Auftreffen der CO2-Schneepartikel auf die Oberfläche sublimieren diese schlagartig.

Reinigungsmechanismus
Mit dem CO2-Schneestrahlen lassen sich feste Oberflächen schonend bearbeiten. Das Reinigen mit CO2-Schneestrahlen beruht auf einem komplexen Prozessmechanismus mit Temperatur-, Strahl- und Lösungsmitteleffekten. Die CO2-Schneepartikel kühlen die Verunreinigung schlagartig ab, was zu einem Abtrennen dieser vom Substrat führt. Durch die plötzliche Sublimation der CO2-Schneepartikel entstehen Druckstöße, die im Mikrobereich der Oberfläche und somit sogar in Poren Verunreinigungen ablösen. Durch Gleit-, Schräg- und Prallstrahlvorgänge wird die Verunreinigung von der Oberfläche entfernt und abtransportiert. Eine Feinstreinigung, insbesondere für Öle und Fette, erfolgt zusätzlich durch die physikalische Löslichkeit dieser organischen Stoffe im CO2. Die Druckluftströmung unterstützt den Abtransport der abgereinigten Verunreinigung.

Entsorgung
Das CO2-Schneestrahlen ist rückstandsfrei. Nach der Anwendung des Verfahrens liegt die abgereinigte Verunreinigung als Partikel bzw. Aerosol in der Abluft vor. Abhängig von der Anwendung kann eine Abluftabsaugung und -filterung die Qualität der zu reinigenden Oberfläche verbessern. Ohne Absaugung lagern sich die trockenen Verunreinigungen im Bereich des Reinigungsortes ab und können aufgesaugt oder -gefegt werden. Das Strahlmittel selbst ist in den gasförmigen Zustand übergegangen, so dass lediglich die Verunreinigung zur Entsorgung anfällt.

Einsatz

Das CO2-Schneestrahlen kann manuell und automatisiert eingesetzt werden. Das Steuergerät selbst eignet sich sowohl für die mobile Anwendung als auch für die Installation an einem stationären Ort. Bei der manuellen Applikation bedient ein Mitarbeiter das CO2-Schneestrahlgerät direkt an der Strahlpistole und führt diese von Hand über die zu bearbeitende Bauteiloberfläche. Bei einer Automatisierungslösung wird die Bewegung durch einen Roboter durchgeführt und die Prozessbedienung ebenfalls über die Robotersteuerung geschaltet. Bei der Anlagenprojektierung sind ein ausreichendes Abluftsystem und eine Schallschutzumhausung bzw. persönliche Schutzausrüstung für den Bediener einzuplanen.

Manueller Einsatz
Das Anlagenprinzip ist in Bild 1 dargestellt. Das Steuergerät beinhaltet alle Sicherheits-, Anzeige- und Bedienelemente. Es verfügt über Anschlüsse für Flüssig-CO2 und Druckluft. Der Druckluft-Versorgungsschlauch wird über Sicherheitskupplungen sowohl am Steuergerät als auch am Versorgungsanschluss installiert (Ausführungsbeispiel in Bild 2, Technische Daten in Tabelle 1). Die Länge dieses Schlauches ist durch das Verbinden mehrerer Einzelschläuche flexibel und kann ohne Leistungsverluste bis zu mehrere 100 m betragen. Der Flüssig-CO2-Versorgungsschlauch ist ebenso in der Länge flexibel und jederzeit erweiterbar. Durch den hohen Versorgungsdruck in CO2-Einzelflaschen oder CO2-Flaschenbündeln (50 bis 60 bar) können lange Strecken bzw. große Höhenunterschiede bis zum Steuergerät ohne Verluste realisiert werden.

Das Schlauchpaket verbindet das Steuergerät mit der Strahlpistole. Es besteht aus einer Hochdruckleitung für Flüssig-CO2, einem speziellen Druckluftschlauch, pneumatischen Steuerleitungen, einem Erdungskabel, einer flexiblen Ummantelung sowie den Anschlüssen an das Steuergerät und die Strahlpistole. Das Schlauchpaket kann ohne Leistungsverluste in fast jeder Länge gefertigt bzw. nachträglich verlängert werden.

Die Strahlpistole ist das technologische Herzstück des CO2-Schneestrahlgeräts. Hier finden die Erzeugung der CO2-Schneepartikel und die Dosierung in die Druckluftströmung statt. Die CO2-Mengeneinstellung ist ebenso an der Strahlpistole möglich. Zusätzlich befindet sich an der Strahlpistole ein ergonomischer Handgriff mit einem Sicherheitsbetätigungshebel. Die Strahlpistole ist thermisch isoliert, so dass ein Kontakt mit kalten Oberflächen und eine Kondenswasserbildung vermieden werden. Die Düse kann als Rund-, Flach- oder Sonderdüse ausgeführt sein. Die Düsen sind strömungstechnisch optimiert und aus einem schlagzähen, thermisch isolierenden Spezialkunststoff gefertigt. Ein Verschleiß der Düse tritt nicht auf. Mit Flachdüsen lassen sich Strahlbreiten von mehr als 100 mm realisieren.

Automatisierung
Automatisierte CO2-Schneestrahlanlagen (Anlagenprinzip in Bild 3) werden bereits vielfach prozesssicher im Dauerbetrieb eingesetzt. Mit einem Steuerschrank können sowohl eine als auch mehrere CO2-Schneestrahldüsen angesteuert und überwacht werden. Die Anlagen werden kundenspezifisch ausgelegt und gefertigt. Die Flüssig-CO2-Versorgung erfolgt mit einem Niederdrucktank, einer Druckerhöhungsstation und einer isolierten CO2-Ringleitung.

Die CO2-Schneestrahldüse ist mit einem Roboteradapter ausgeführt und kann über diese Schnittstelle entweder fest an einer Anlage oder flexibel an einen Portal- oder Achsroboter adaptiert werden. Bei Verwendung eines Niederdrucktanks hat das Flüssig-CO2 eine Temperatur von ca. -20 °C. Aus diesem Grund sind sämtliche Rohrleitungen und Schläuche thermisch isoliert. Die Druckerhöhungsstation und die Isolation gewährleisten, dass das CO2 auch bei langen Versorgungsleitungen immer flüssig zur Verfügung steht. Der Tankinhalt wird vollautomatisch überwacht und bei Bedarf vom Gaslieferanten mit einem Tankwagen aufgefüllt. Durch dieses Versorgungskonzept sind die Betriebskosten sehr gering.
Bei geringen Flüssig-CO2-Verbräuchen kann die Versorgung prinzipiell auch mit CO2-Einzelflaschen oder CO2-Flaschenbündeln jeweils mit Steigrohr erfolgen.

Anwendungsbeispiele in der Gießereitechnik

Weiterführende Lexikoneinträge:
Trockeneisstrahlen
Trockeneisstrahlgerät
Trockeneis-Pelletizer

Literatur:
Homepage der CrySnow Gmbh, www.cryosnow.comFraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionsanlagen, Themenblatt, www.strahlverfahren.de/Images/IAK_CO2-Strahlen_tcm885-54178.pdf
Wikipedia, Stichwort CO2-Schneestrahlen, de.wikipedia.org/wiki/Schneestrahlen

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