Verfahren zur gleichzeitigen Reinigung und Aktivierung von Bauteiloberflächen durch eine Kombination aus Kohlendioxidschneestrahlen und dem Auftrag von haftvermittelnden Substanzen

Abstract

 Bei einem Strahlverfahren unter Verwendung von aus einer Düse (4) ausgetragenen Kohlendioxidschnee-Partikeln zur Reinigung einer Oberfläche (9), werden Kohlendioxid in flüssigem Zustand in eine der Düse (4) vorgeordnete Agglomerationskammer (5) geleitet und die durch Entspannung entstehenden Kohlendioxidschnee-Partikel durch einen Strahl aus überschneller Druckluft gebündelt und in Richtung der zu behandelnden Oberfläche (9) beschleunigt. Der überschnellen Druckluft wird vor dem Einströmen in die Agglomerationskammer (5) eine haftvermittelnde Substanz zugeführt, die mit den Kohlendioxidschnee-Partikeln auf die zu behandelnde Oberfläche (9) aufgetragen wird.

Beschreibung

[0001] Die Reinigung und Applikation von haftvermittelnden Substanzen ist für das Kleben und Beschichten von Bauteilen von großer Bedeutung. Das Entfernen störender Oberflächenschichten und/oder Kontaminationen und der Einsatz von Haftvermittlern tragen wesentlich zur Verbesserung der Langzeitbeständigkeit von Klebungen und Beschichtungen unter schädigenden Umwelteinwirkungen bei.

[0002] Bekannte Verfahren zur sequentiellen Reinigung und Applikation von Haftvermittlern erfordern komplexe mehrstufige Prozesse, die sich nur mit einem erheblichen Aufwand automatisieren lassen.

[0003] Bekannte Verfahren zur Reinigung und/oder Aktivierung von Bauteiloberflächen sind beispielsweise das Schleifen [EP 1239017 B1] oder Druckluftstrahlen [DE3802043 C1], chemisches Ätzen (Beizen) [DE3427543A1], chemische Konversionsverfahren [US 3907609, DE19654642C2], elektrochemische Konversionsverfahren (z.B. Anodisieren) [US 4473446] und/oder das Aufbringen von haftvermittelnden und haftungsverbessernden Beschichtungen [WO/1997/005077, WO 2000039356 A1]. Die Patentschriften US 5814137 und US 6037060 betreffen Oberflächenbehandlungsverfahren zum Erzeugen von Sol-Gel-Filmen, die mittels kovalenten Bindungen an den Oberflächen haften und zum Erzeugen langlebiger Klebverbindung zwischen Metallen und organischen Klebstoffen eingesetzt werden können. In DE 3802043 C1 wird ein Verfahren zum Strahlen von Metalloberflächen beschrieben, bei dem ein mit siliziumhaltigen Verbindungen modifiziertes Strahlmittel in Kombination mit einer anschließenden Applikation von silanbasierten Haftvermittlern eingesetzt wird.

[0004] Aus US 3364056 ist die Zumischung von Halogenverbindungen zum Brenngas für die Beflammung von Polyolefinoberflächen bekannt. Die DE 102006045951 A1 betrifft ein Verfahren zur chemischen Modifizierung und/oder Aktivierung von Bauteiloberflächen, bei welchem unter Verwendung von mindestens einem Trägermedium, das der Energiezufuhr in die Oberfläche hinein dient und der Oberfläche eine oder mehrere halogenhaltige Verbindungen zuführt, die Zuführung der halogenhaltigen Verbindungen unter gleichzeitigem Zusatz von siliziumorganischen Verbindungen oder Silanen oder metallorganischen Verbindungen oder Siliziumhybriden oder Metallhybriden in das Trägermedium erfolgt. Physikalische Verfahren zur Oberflächenmodifikation durch siliziumhaltige Verbindungen finden sich beispielsweise in den Erfindungen zur Erzeugung von Plasmapolymer-Oberflächenschichten als haftvermittelnde Schichten oder zum Korrosionsschutz [WO1997001656 A1, EP 0617143A1, US 4981713, JP 5-295563 (A), US 5230929]

[0005] Verfahren und Vorrichtungen zum Strahlen mit Kohlendioxidschneepartikeln zeigen gute Reinigungswirkungen. In EP 2 151 300 B1, WO 03/022525 A1 und WO 2004/033154 A1 ist beschrieben, wie sich die Strahlleistung durch Zugabe von abrasiven Substanzen, Additiven und Flüssigkeiten erhöhen lässt, die Kombination mit haftvermittelnden Substanzen ist dort jedoch nicht beschrieben. Die EP 2 008 770 A1 beschreibt ein Verfahren zur Reinigung von Formen zur Kunststoffformgebung, bei welchem Trockeneis zusammen mit einem Trennmittel auf eine zu reinigende Oberfläche gestrahlt wird. Das Trockeneis wird mittels Pressluft durch eine Pressluftleitung gefördert, die einen Düsenring aufweist. Durch die Düsen des Düsenrings wird das Trennmittel dem Strom aus Pressluft und Trockeneis zugeführt. In alternativen Ausgestaltungen wird das Trennmittel entweder in das Trockeneis integriert und/oder am Trockeneis angelagert oder mit dem flüssigen Kohlendioxid oder mit festem Trockeneis gemischt und dann zur Oberflächenbehandlung eingesetzt. Der Beschreibung dieser Verfahren ist jedoch nicht zu entnehmen, ob das Trennmittel der Pressluft bereits vor dem Vermischen mit flüssigem oder festem Kohlendioxid zugeführt wird. Durch diese Verfahren soll die Festkörperoberfläche mit einer Trennschicht versehen werden. Es wird keine haftvermittelnde Wirkung zum Kleben oder Beschichten angestrebt.

[0006] Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur gleichzeitigen Reinigung und Aktivierung von Bauteiloberflächen durch eine Kombination aus Kohlendioxidschneestrahlen und dem Auftrag von haftvermittelnden Substanzen. Die Oberfläche eines Bauteils wird dadurch für nachfolgende technische Anwendungen, insbesondere dem Kleben oder Beschichten, vorbehandelt und die Langzeitbeständigkeit von Klebungen und Beschichtungen unter schädigenden Umwelteinwirkungen wird dadurch verbessert.

[0007] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

[0008] Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.

[0009] Die Erfindung beruht darauf, dass eine haftvermittelnde Substanz durch den Kohlendioxidschneestrahl-Prozess auf die Oberfläche aufgebracht wird. Bei einer Reinigung mit aus einer Düse ausgetragenen Kohlendioxidschnee-Partikeln, wird Kohlendioxid in flüssigem Zustand in eine der Düse vorgeordneten Agglomerationskammer geleitet und durch die Entspannung in der Kammer entstehen Kohlendioxidschnee-Partikel. Diese Kohlendioxidschnee-Partikel werden durch einen Strahl aus überschneller Druckluft gebündelt und in Richtung der zu behandelnden Oberfläche beschleunigt. Der überschnellen Druckluft wird vor dem Einströmen in die Agglomerationskammer eine haftvermittelnde Substanz zugeführt, die mit den Kohlendioxidschnee-Partikeln auf die zu behandelnde Oberfläche aufgetragen wird.

[0010] Die im Rahmen der Erfindung eingesetzte haftvermittelnde Substanz weist insbesondere adhäsionsfördernde, korrosionsschützende oder hydrophobisierende Eigenschaften auf und kann auf nachfolgende Kleb- oder Beschichtungsvorgänge abgestimmt sein. Solche Substanzen, die in dünnen Schichten auftragbar sind, sind dem Fachmann in dem Gebiet der Oberflächenvorbehandlung geläufig und er wählt in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen an die haftvermittelnde Wirkung, insbesondere unter Berücksichtigung nachfolgender Weiterverarbeitungsvorgänge, eine geeignete Substanz aus, bzw. mischt diese aus vorhandenen Bestandteilen neu.

[0011] Die haftvermittelnde Substanz wird dem Strom aus Druckluft zugeführt und in diesem Strahl verwirbelt. Das aus den Kohlendioxidschnee-Partikeln und der Substanz erzeugte Mehrstoffgemisch wird durch die Druckluftströmung in der Düse beschleunigt und die Kohlendioxidschnee-Partikel reinigen beim Auftreffen auf der Oberfläche eines Bauteils dieses von Verunreinigungen in bekannter Art und Weise. Da die Kohlendioxidschnee-Partikel unter Atmosphärendruck unmittelbar vom festen Aggregatszustand in den gasförmigen übergehen, bleibt auf der gestrahlten bzw. gereinigten Oberfläche nur die haftvermittelnde Substanz zurück. Beim Auftreffen des Gemisches entsteht ein Gleichgewicht zwischen dem Reinigen der Oberfläche und dem Aufbringen der verwendeten Substanz. Überschüssige bzw. nicht an der Oberfläche anhaftende Substanz wird durch den Reinigungseffekt der Kohlendioxidschnee-Partikel wieder abgetragen, so dass das Auftragen von dünnen Schichten (im Nanometerbereich) der Substanz möglich ist.

[0012] Das flüssige Kohlendioxid wird dem Druckluftstrom und der oberflächenaktivierenden bzw. funktionalisierenden Substanz in einem Entspannungsraum, der so genannten Agglomerationskammer, zu dosiert. Diese Gestaltung des Verfahrens ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung aus Kohlendioxidschnee-Partikeln und der Substanz, da es durch die Verwirbelung in der Agglomerationskammer zu einer Vermischung der Medien zu einem Mehrstoffgemisch kommt. Das Zuführen der Substanz in den Druckluftstrom vermeidet ein Zufrieren der Förderleitung des flüssigen Kohlendioxids. Die Verwendung von flüssigem Kohlendioxid ist insofern vorteilhaft, als die aufwendige Lagerung von Trockeneis entfällt und die Kohlendioxidschnee-Partikel unmittelbar während des Strahlverfahrens erzeugt werden.

[0013] Aufgrund der Temperatur der Kohlendioxidschnee-Partikel von -78,5° C kommt es nach dem Strahlen auf der Oberfläche zu einer geringen Bildung von Kondenswasser. Dieses Kondenswasser kann in Abhängigkeit von der verwendeten haftvermittelnden Substanz unterstützend zur Anbindung und Quervernetzung der Substanz an der Oberfläche beitragen. Diese positive Wirkung ist insbesondere bei der Verarbeitung von Silanen zu beobachten.

[0014] Um die Förderwege relativ kurz zu halten, wird die Substanz der Druckluft unmittelbar vor dem Eintritt in die Düse zugeführt. Ein die Substanz bevorratender Behälter kann beispielsweise in unmittelbarer Nähe der Düse bzw. der Vorrichtung zum Stahlen aufgestellt werden, weshalb transportbedingte Schädigungen der Substanz vermieden werden können und auch die Energie zum Fördern der Substanz relativ gering ist.

[0015] Zur Regelung der Menge der zugeführten Substanz wird vorzugsweise die Substanz unter Verwendung einer Dosierpumpe der Druckluft zugeführt. Die Zuführung der Substanz kann in einem konstanten Volumenstrom oder unter konstantem Druck erfolgen. Zweckmäßigerweise wird der Druckluft als Substanz ein Haftvermittler oder ein Gemisch aus Haftvermittler und Lösungsmittel zugeführt.

[0016] Nach einer Weiterbildung wird der Düse eine Luftdüse nachgeführt. Vorzugsweise wird aus der Luftdüse ein Warmluftstrom ausgetragen. Der lokal auf die Oberfläche des Werkstücks einwirkende Warmluftstrom fördert die Anbindung der Substanz an der Oberfläche, die nach der Behandlung trocken ist und einer weiteren Verarbeitung unterzogen werden kann.

[0017] Eine Vorrichtung zur Durchführung des zuvor erläuterten Strahlverfahrens umfasst einen Vorrat für flüssiges Kohlendioxid, der über eine Leitung mit mindestens einer Agglomerationskammer eines Düsenkörpers einer Düse verbunden. Der Agglomerationskammer des Düsenkörpers ist ein Zugang vorgeschaltet welcher über eine Zuleitung mit Druckluft und einem Behälter für eine oberflächenaktivierende und/oder oberflächenfunktionalisierende Substanz in Strömungsverbindung steht.

[0018] In der Agglomerationskammer können sich die Kohlendioxidschnee-Partikel bilden und mit der in den Strom aus Druckluft eingeleiteten Substanz vermischen, um gemeinsam durch die Düse auf die zu bearbeitende Oberfläche aufgetragen zu werden. Zweckmäßigerweise wird dem Strahl aus überschneller Druckluft als Substanz beispielsweise ein Haftvermittler, vorzugsweise Silan, oder ein Gemisch aus Silan und Lösungsmittel zugeführt. Dementsprechend werden ohne zeitliche Verzögerungen Verunreinigungen von der zu bearbeitenden Oberfläche entfernt und gleichzeitig die haftvermittelnde Substanz auf die Oberfläche aufgebracht.

[0019] Um eine definierte Menge der Substanz in den Düsenkörper zu befördern, ist bevorzugt die Zuleitung mit einer Dosierpumpe für die Substanz verbunden. Selbstverständlich ist die Dosierpumpe bezüglich ihrer Mengen- und/oder Druckregelung einstellbar.

[0020] Für die automatisierte Führung der Düse ist beispielsweise ein steuerbares Handhabungsgerät erforderlich.

[0021] Damit eine Trocknung der gestrahlten und mit der haftvermittelnden Substanz versehenen Oberfläche in einem Arbeitsgang mit dem Strahlverfahren zu realisieren ist, ist in Ausgestaltung eine Luftdüse vorgesehen, deren Wirkrichtung der Austragsrichtung der Düse entspricht. Die Luftdüse kann mit der Düse bzw. deren Düsenkörper gekoppelt sein und mit dem selben Handhabungsgerät der Düse nachgeführt werden, so dass zunächst die Reinigung und gleichzeitige Applikation der haftvermittelnden Substanz und die anschließende Trocknung der Oberfläche erfolgt.

[0022] Da sich Warmluft günstig auf die Trocknung der Oberfläche auswirkt und diese beschleunigt, steht vorzugsweise die Luftdüse mit einem Heißlufterzeuger in Verbindung. Im Weiteren fördert die warme Luft die Anbindung und Vernetzung der Substanz an der Oberfläche.

[0023] Um relativ große Oberflächen gezielt zu bearbeiten, sind in Ausgestaltung mehrere Düsen und Luftdüsen zur gleichzeitigen Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks vorgesehen. Die Vielzahl von Düsen bzw. Luftdüsen kann mit einem gemeinsamen oder mit mehreren Handhabungsgeräten rechnergesteuert über die zu bearbeitende Oberfläche geführt werden.

[0024] Die Erfindung ermöglicht in einem Prozessschritt die umweltfreundliche Reinigung und Applikation von haftvermittelnden Substanzen auf Bauteiloberflächen. Das Verfahren kann leicht automatisiert eingesetzt werden und ermöglicht die beschädigungsfreie Bearbeitung eines großen Werkstoffspektrums. Durch die geringe Größe der Kohlendioxidschnee-Partikel ist es möglich, fein strukturierte Oberflächen oder auch kleine Poren zu reinigen und mit der verwendeten Substanz zu versehen. In einer automatisierten Anlage können beliebig viele Düsen integriert werden. Abhängig von der Prozessführung können die Düsen entweder zusammen oder getrennt voneinander angesteuert werden, so dass sich eine lokale Behandlung mit verschiedenen Substanzen, oder auch Substanzen mit unterschiedlichen Konzentrationsgraden für verschiedene Anwendungsfälle in einem Prozessschritt realisieren lässt.

[0025] Diese Erfindung ist im Zusammenhang mit verschiedenen zur Verfügung stehenden Bauarten von Kohlendioxidschnee-Strahlanlagen anwendbar. Das Kohlendioxid ist nahezu überall in entsprechender Qualität verfügbar. Eine automatisierte Anwendung ermöglicht die Erzielung kurzer Taktzeiten.

[0026] Im Weiteren sind neben der Kohlendioxidschnee-Strahlanlage, ein oder mehrere Dosiersysteme für die Zuführung der verwendeten Substanzen, eventuell ein Heißlufterzeuger, sowie eine Anlagensteuerung zur automatisierten Anwendung erforderlich. Selbstverständlich sind für den Betrieb eine Versorgung mit Kohlendioxid in flüssiger oder fester Form, eine Druckluftversorgung sowie die Bereitstellung der haftvermittelnden Substanz notwendig. Das eingesetzte Kohlendioxid ist ein Recyclingprodukt und wird nicht zusätzlich erzeugt, so dass sich dieses Strahlverfahren in Abhängigkeit der verwendeten zugeführten Substanz als umweltfreundlich einstufen lässt. Durch die Verwendung von Kohlendioxid, Druckluft und handelsüblichen haftvermittelnden Substanzen sind die Betriebskosten gering. Nach der Behandlung ist die Oberfläche trocken, so dass weitere Behandlungsschritte entfallen und das Werkstück unmittelbar weiter verarbeitet werden kann.

[0027] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

[0028] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.

[0029] Es zeigt:

Fig. 1

eine schematische Teildarstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2

eine schematische Teildarstellung der Vorrichtung nach Fig. 1..

[0030] Die Vorrichtung umfasst einen Vorrat für Kohlendioxid in flüssiger Phase, welcher über eine Leitung 1 mit einem Düsenkörper 3 einer Düse 4 verbunden ist. Der Düsenkörper 3 weist neben einem Eingang für flüssiges Kohlendioxid ein Einlass für Druckluft 2 und einer Zuleitung 7, die mit einem Behälter für eine haftvermittelnde Substanz in Strömungsverbindung steht, auf.

[0031] In dem Düsenkörper 3 ist eine Agglomerationskammer 5 ausgebildet. Der Düsenkörper 3 ist mit einem Zugang 7 versehen, der über eine Zuleitung mit einem Behälter 8 für eine haftvermittelnde Substanz in Strömungsverbindung steht. An dem Zugang 2 liegt auch die Verbindungsleitung für die Druckluft an, die gemeinsam mit der Substanz und dem in der Agglomerationskammer 5 zu Kohlendioxidschnee entspannten Kohlendioxid die Düse 4 in Richtung einer zu bearbeitenden Oberfläche 9 strömt. Um während des Strahlverfahrens eine bestimmte Menge der Substanz geregelt in den Prozess einzuführen, ist zwischen der Zuleitung 7 und dem die Substanz aufweisenden Behälter 8 eine Dosierpumpe 12 angeordnet.

[0032] Der Düse 4 kann zur Trocknung der bearbeiteten Oberfläche 9 eine mit einem Heißlufterzeuger 10 gekoppelte Luftdüse 11 zugeordnet sein, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist.

[0033] Die Substanz wird dem Kohlendioxid in der Agglomerationskammer 5 beigemischt und durch die Druckluft in dem Strahl zu einem Gemisch aus Kohlendioxidschnee-Partikeln und der Substanz verwirbelt. Das Gemisch wird durch die Druckluftströmung in Richtung der zu bearbeitenden Oberfläche 9 beschleunigt und die Kohlendioxidschnee-Partikel reinigen beim Auftreffen auf der Oberfläche 9 dieselbe von Verunreinigungen und auf der gereinigten Oberfläche 9 haftet die haftvermittelnde Substanz an, wobei überschüssige bzw. nicht an der Oberfläche 9 anhaftende Substanz durch die reinigende Wirkung der Kohlendioxidschnee-Partikel wieder abgetragen wird. Durch das Strahlverfahren ist das Auftragen von dünnen Schichten der Substanz auf der Oberfläche 9 möglich.

Bezugszeichen

[0034] 

1.

Flüssig-CO₂ Verbindungleistung

2.

Überschnelle Druckluft Verbindungsleitung

3.

Düsenkörper

4.

Düse

5.

Agglomerationskammer

6.

Zugang

7.

Zuleitung

8.

Behälter

9.

Oberfläche

10.

Heißlufterzeuger

11.

Luftdüse

12.

Dosierpumpe

Ansprüche

1. Strahlverfahren unter Verwendung von aus einer Düse (4) ausgetragenen Kohlendioxidschnee-Partikeln zur Reinigung einer Oberfläche (9), wobei Kohlendioxid in flüssigem Zustand in eine der Düse (4) vorgeordnete Agglomerationskammer (5) geleitet werden und die Kohlendioxidschnee-Partikel durch einen Strahl aus überschneller Druckluft gebündelt und in Richtung der zu behandelnden Oberfläche (9) beschleunigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der überschnellen Druckluft vor dem Einströmen in die Agglomerationskammer (5) eine haftvermittelnde Substanz zugeführt und mit den Kohlendioxidschnee-Partikeln auf die zu behandelnde Oberfläche (9) aufgetragen wird.

2. Strahlverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz unter Verwendung einer Dosierpumpe (12) der Druckluft zugeführt wird.

3. Strahlverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluft eine flüssige oder feste Substanz zugeführt wird.

4. Strahlverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Substanz ein Haftvermittler, insbesondere ein Silan oder ein Silan-Lösungsmittelgemisch, verwendet wird.

5. Strahlverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Düse (4) eine Luftdüse (11) nachgeführt wird.

6. Strahlverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Luftdüse (11) ein Warmluftstrom ausgetragen wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Strahlverfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Agglomerationskammer (5) des Düsenkörper (3) einen Zugang (6) aufweist, der über eine Zuleitung (7) mit einem Behälter (8) für eine haftvermittelnde Substanz in Strömungsverbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (7) mit einer Dosierpumpe (12) für die Substanz verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftdüse (11) vorgesehen ist, deren Wirkrichtung der Austragsrichtung der Düse (4) entspricht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdüse (11) mit einem Heißlufterzeuger (10) in Verbindung steht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen (4) und Luftdüsen (11) zur gleichzeitigen Bearbeitung einer Oberfläche (9) eines Werkstücks vorgesehen sind.

Zeichnung