Dampf- und Nassreinigungsanlagen

Technische Sauberkeit im Fokus

Nach der Automobilindustrie entdecken immer mehr andere Branchen das Thema Technische Sauberkeit als Komponente der Qualitätssicherung. Gerade auf mittelständische Zulieferer funktions- und sicherheitsrelevanter Bauteile und Baugruppen kommen daher mehr oder weniger massive Investitionen in Reinigungstechnik und Knowhow zu. Anlässlich der kommenden Fachmesse Parts2Clean und der bald anstehenden Veröffentlichung der neuen VDA 19 betrachtet SCOPE-Redakteur Michael Stöcker das Thema aus verschiedenen Blickwinkeln.

Für große Teile: Oberflächenreinigung per Wasserdampf (Dürr Ecoclean)

"Die wachsenden Anforderungen an die technische Sauberkeit von Bauteilen dürften künftig immer mehr Zulieferer auf Trab halten. Selbst die Masse der einfachen Teilelieferanten kann sich diesem Thema nicht mehr verweigern", meint Friedhelm Kraft, dessen Unternehmen LK Mechanik spezialisiert ist auf die Herstellung von Waschkörben und Werkstückträgern für die industrielle Teilereinigung. Kraft spricht damit einen Trend an, der - ausgehend vom Automotive-Sektor - immer mehr Branchen erfasst. Während nämlich die Kontrolle der Partikelverunreinigung funktionsrelevanter Bauteile in der Automobilindustrie schon seit seit 2005 nach den Richtlinien der VDA Band 19, Teil 1 (analog ISO 16232, Band 1 - 10) erfolgt, zeigen verstärkt auch andere Industriezweige Interesse an diesem Regelwerk der Qualitätssicherung. Vorreiter sind hier vor allem die Medizin- und Feinwerktechnik sowie die gesamte Hydraulikindustrie. Wer als Zulieferer diese oder verwandte Branchen mit Bauteilen versorgt und in Zukunft vorne mitspielen will, sollte sich das Thema "Technische Sauberkeit" ganz oben auf die To-Do-Liste setzen.

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Tatsächlich haben viele Unternehmen dies bereits getan und setzen innerhalb ihrer Fertigungsprozesse immer häufiger moderne Reinigungsverfahren ein. Exemplarisch dafür sind etwa Zulieferer wie Allweier Systeme, der vor wenigen Wochen zwei neue Reinigungsanlagen von Dürr Ecoclean in Betrieb nahm, oder wie Georg Martin, der Zwischenlagen und Umformteile für die Automobil- und Luftfahrtindustrie fertigt. Firmenchef Christoph Martin investierte jüngst einen fünfstelligen Betrag in eine neue Teilereinigungsanlage von EVT. "Es war an der Zeit, denn unsere alte Reinigungsanlage konnte weder mit unseren eignen noch mit den Qualitätsmaßstäben unserer Kunden Schritt halten", sagt er.

In vielen produzierenden Betrieben - das belegt auch eine aktuelle Studie der Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik - kommen mitunter mehrfach und an verschiedenen Stellen des Produktionsprozesses Maßnahmen der Teilereinigung zum Einsatz. Keineswegs werden dabei nur die fertigen Bauteile einer Endreinigung unterzogen; viele Reinigungsschritte erfolgen vor der Montage, vor der Oberflächenbehandlung (Lackieren, Beschichten), vor dem Fügen (Kleben), vor dem Messen und Prüfen sowie vor oder nach bestimmten Bearbeitungsstufen. Und gerade weil diese Aufzählung nicht vollständig sein kann, zeigt sie, wohin der Weg geht: Das Thema Technische Sauberkeit wird mehr und mehr ganzheitlich betrachtet, also über den gesamten Fertigungsprozess hinweg. Beschränkte es sich lange Zeit auf abschließende Analysen am fertigen Bauteil, sehen es Experten heute als Bestandteil einer durchgehenden Qualitätssicherung.

Friedhelm Kraft

Wie weit diese ganzheitliche Betrachtungsweise inzwischen geht, bringt ein Statement von Dr. Martin Bilz von der Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Berlin zum Ausdruck. Er betrachtet es wegen der stark gestiegenen Anforderungen an die Bauteilesauberkeit heute als "notwendig, die Reinigung über den gesamten Produktlebenszyklus zu betrachten und den Fertigungsprozess - von der Konstruktion bis zur Verpackung - reinigungstechnisch optimal zu gestalten".

Bauteilesauberkeit als weitere Anforderung an die Konstrukteure? Na, vielen Dank. Sieht man von Consumer- und Medizintechnik-Produkten mal ab, so ist derzeit schwer vorstellbar, dass reinigungsgerechtes Design in Zukunft eine wirklich zentrale, maßgebende Rolle spielen wird. Mit der Folge, dass viele Bauteile eben Spalte, Ecken, Kanten, Hinterschneidungen und Bohrungen haben (müssen), aus denen sich Schmutzpartikel und Bearbeitungsrückstände nur noch mit hohem technischen Aufwand entfernen lassen. Und neben der Geometrie beeinflusst auch die Oberflächenqualität eines Bauteils dessen Eignung für die Reinigung: Geschlossene, glatte Flächen sind viel weniger empfänglich für Partikel als poröse, raue Flächen - sie lassen sich daher auch einfacher reinigen, sowohl an Roh- oder Grünlingen als auch am fertigen Teil.

Martin Bilz

SAUBERE TEILE AUS SAUBERER FERTIGUNG
In der industriellen Praxis wird der für das Erreichen definierter Restschmutzwerte nötige Reinigungsaufwand auch stark geprägt durch die Bearbeitungsprozesse in der Fertigung selbst. Je weniger Schmutzpartikel oder Spuren von Öl, Fett und Kühlmitteln den Teilen anhaften, desto unkomplizierter lässt sich das geforderte Reinheitsergebnis realisieren. Vor allem mehrstufige Bearbeitungsprozesse machen dabei meist diverse Zwischenreinigungen erforderlich, damit sich die Partikel nicht vermehren, nicht mit den Reinigungsmedien vermischen oder nicht anbacken.

Der Zustand der Bearbeitungswerkzeuge ist ebenfalls ein unmittelbar in der Fertigung relevantes Reinigungsthema. Bei spangebenden Prozessschritten etwa ist im Rahmen der Instandhaltung auf den rechtzeitigen Werkzeugwechsel zu achten, da beispielsweise verschlissene Werkzeuge zu schwer entfernbaren Klemmspänen führen. Eine kontinuierliche Aufbereitung des Bearbeitungsmediums vermeidet zudem, dass bereits abgespülter Schmutz zurück auf die Bauteile gelangt. Separate Spülschritte für das Werkzeug - auch direkt im Bearbeitungszentrum - können ebenfalls dazu beitragen, die Schmutzpartikelmenge zu reduzieren.

Laut der eingangs erwähnten Fraunhofer-Studie "ist die integrale Bauteilreinigung heutzutage ein fester Bestandteil nahezu jeder Fertigungslinie". Als häufigste Reinigungsaufgabe sieht die Studie das Reinigen vor der Montage, die Zwischen- und die Endreinigung. Wie auf der Part2Clean in Stuttgart zu sehen sein wird, können moderne  Reinigungssysteme dabei selbst sehr hohe Ansprüche an die Bauteilesauberkeit erfüllen. Entscheidende Voraussetzung dafür ist allerdings, dass das gesamte Reinigungsprozedere optimal auf die Art der Verschmutzung, die Geometrie des Bauteils, seinen Werkstoff und schließlich die zu erreichende Sauberkeitsspezifikation abgestimmt wurde. Hierbei sind es vor allem drei "Stellgrößen", die maßgebend für Reinigungsergebnis und Wirtschaftlichkeit verantwortlich sind: Die Auswahl von Verfahren und Anlage, der Einsatz der richtigen Reinigungsmedien und - vor allem bei Klein- und Massenteilen - die Anwendung geeigneter Behälter.

Mitunter effizienter als Fluten oder Tauchen: Spritzsysteme wie der Rotimat von Pero lassen sich entsprechend der Reinigungsaufgabe konfigurieren.

Hinsichtlich der Verfahren bietet der Markt heute viele Möglichkeiten. Den Experten der Fraunhofer-Allianz zufolge sind "die Nassreinigungsverfahren und die Strahlverfahren (...) am häufigsten verbreitet, jedoch nimmt die Bedeutung der Sonderverfahren (...) zu". Zur erstgenannten Gruppe gehört beispielsweise das nasschemische Reinigen mit wässrigen und lösemittelhaltigen Medien, wobei hier allerlei gesetzliche Vorgaben zu Arbeits-, Umwelt- und Ex-Schutz berücksichtigt werden müssen. Die Wahl des Verfahrens richtet sich dann nach Größe, Geometrie und Empfindlichkeit der Bauteile. Zur allgemeinen Orientierung: Ultraschalltechnik für filigrane Klein- und Massenteile; Spritzreinigung bei großflächigen Teilen; Tauchreinigung für komplexe Formen, Druckumfluten für tiefe Löcher. Weitere Verfahren dieser Gruppe sind das Dampfentfetten, die Trommel-, Bürst- und Wischreinigung sowie das Powerwashing und das Abkochen.

Die zweite verfahrenstechnische Gruppe bildet die Strahlreinigung. Dazu zählen die CO2-Schneestrahl- und das Trockeneisstrahlen, das Wasser-, Druckluft- und Schleuderstrahlen sowie die Laserstrahlreinigung. Diese mechanischen Verfahren werden oft eingesetzt, wenn über die Sauberkeit hinaus Eigenschaften wie Graftfreiheit oder Oberflächenrauheit erzielt werden sollen. Auch zur Reinigung großer Einzelteile, Tanks und Werkzeugformen werden sie genutzt. In den Bereich der Sonderverfahren fallen biologische Methoden oder auch die Plasmatechnik, die beispielsweise Schüttgüter mit Hilfe verschiedener Gase von dünnschichtigen Verschmutzungen befreit.

Eng verknüpft mit der Auswahl des Verfahrens und der entsprechenden Anlagentechnik ist stets die Frage nach dem richtigen Reinigungsmedium. Sie folgt dem Wirkprinzip "Gleiches löst Gleiches" und stellt sich in erster Linie bei den nasschemischen Methoden. Sogenannte polare Verschmutzungen - dazu zählen wässrige Kühl- und Schmierstoffe, Polierpasten, Additive sowie Späne und Abrieb - sind in einem ebenfalls polaren Medium wie etwa Wasser recht gut abzureinigen. Unpolare Rückstände hingegen - etwa Fette und Öle - kann man nur mit ebenfalls unpolaren Reinigern bzw. Lösemitteln zu Leibe rücken.

Dr. Markus Rochowicz

Wässrige Medien liegen als alkalische, neutrale und saure Reiniger vor und kommen meist bei hohen Reinigungsaufkommen oder zur Feinreinigung zum Einsatz. Mit halogenierten Kohlenwasserstoffen hingegen lassen sich die meisten heute verwendeten Öle und Fette abreinigen. Chlorkohlenwasserstoffe bieten Vorteile beim Entfetten und Trocknen metallischer Werkstücke mit komplexen Geometrien, sind aber wegen ihrer hohen Toxizität problematisch. Hierzulande sind daher nur wenige CKWs für die Oberflächenreinigung zugelassen. Jeder seriöse Anlagenbauer gibt hierzu Anwendungstipps. Pero zum Beispiel bietet seinen Kunden einen checklisten-ähnlichen Einsteiger-Leitfaden, der auch viele weitere Aspekte der Teilereinigung berücksichtigt. Auch der Fachverband industrielle Teilereinigung (FIT) dient hier als Anlaufstelle.

Die dritte maßgebende Stellgröße für die Reinigungseffizienz sind die Behälter und Werkstückträger, in denen die Bauteile den Reinigungsprozess durchlaufen. Dabei hat sich im Laufe unserer Recherchen gezeigt, dass sich das Behälterlager in drei Parteien spaltet: Während die eine auf Gestelle aus Draht schwört, bevorzugt die andere Werkstückträger und Waschkörbe aus bearbeitetem Edelstahlblech. Die dritte Gruppe hingegen verwendet Kunststoffbehälter. Abgesehen davon ist zu beobachten, dass in der Praxis viele Reinigungslinien als Batchprozesse angelegt sind, in denen die Teile als Schüttgut oder fixierte Ware in Chargen gereinigt werden. Das hat den Vorteil eines hohen Durchsatzes - und infolgedessen eines geringen Kostenanteils an den Gesamtherstellungskosten eines Werkstücks. Batchprozesse sind oft auch dezentral bei Zwischenreinigungen zu finden; etwa direkt nach spanenden Fertigungsprozessen, um die Vermischung unterschiedlicher Bearbeitungsmedien zu vermeiden.
Wie wirtschaftlich und effizient aber so ein automatisierter Batchprozess verläuft, hängt eben entscheidend vom Reinigungsbehälter ab. Sowohl die Anlagenbauer als auch die Behälterhersteller legen heute daher großen Wert auf ein Angebot teile- und prozessspezifisch gestalteter Waschkörbe und Werkstückträger, die sowohl materialflusstauglich sind als auch das Erreichen einer hohen Reinigungsqualität sicher stellen. Ein wichtiges Kriterium ist dabei, dass sich alle Bauteile gut und gleichmäßig von Reinigungsmedium oder Reinigungsmechanik erfassen lassen. Zudem muss der Reinigungsbehälter auch das vollständige Ausschwemmen aller Medium- und Schmutzreste ermöglichen und selbstverständlich dürfen die Werkstücke im Behälter keinen Schaden nehmen.

Bei allen zu klärenden Fragen rund um die Wahl des richtigen Verfahrens, der geeigneten Reinigungsmedien und der passenden Waschbehälter darf ein Aspekt nicht übersehen werden, der für den praktischen Reinigungsbetrieb ebenso relevant ist für das Erzielen der erforderlichen Reinigungsergebnisse: Die laufende Kontrolle der Reinigungs- und Spülbäder. Für wässrige Reinigungsbäder stehen dafür Messsysteme zur Verfügung, die sowohl partikuläre als auch flüssige Verunreinigungen erfassen, dokumentieren und einen fälligen Badwechsel anzeigen. Auch die zusätzliche Messung und Dokumentation der Konzentration der Reinigerkomponenten (Builder, Tensid) ist möglich. Um ein vollständiges Prozessabbild zu erhalten, ist es zudem sinnvoll, weitere Parameter wie etwa Druck, Temperatur, pH- und Leitwert zu überwachen.

Wichtig bei der Reinigung mit Lösemitteln ist es, zu bedenken, dass im Laufe des Betriebs durch eingeschleppte Öle und Emulsionen im Destillationsprozess freie Säuren entstehen. Sie reduzieren nicht nur Reinigungsqualität und Standzeit der Medien, sondern können auch zur Korrosionsbildung an den Teilen und der Anlage führen. Für die Überwachung chlorierter Kohlenwasserstoffe und modifizierter Alkohole gibt es Testsets.

Bislang dienen als einzige verbriefte Grundlage für die Bewertung der Reinigungsergebnisse die erwähnte VDA Band 19, Teil 1, für die Prüfung der Partikelverunreinigung funktionsrelevanter Autoteile sowie die ISO 16232, Band 1 bis 10 (Road vehicles - Cleanliness of components of fluid circuits). Das gut gemeinte Ziel dieses Regelwerks besteht darin, die technische Sauberkeit eines Bauteils durch eindeutig beschriebene Wege und Verfahren zur Gewinnung und Analyse partikulärer Verschmutzungen aus der Fertigung beurteilen und vergleichen zu können. Zu den wesentlichen Kriterien der VDA 19 gehört, dass jeder Sauberkeitswert an eine Prüfspezifikation geknüpft ist.

Glaubt man den Experten aus Forschung und Industrie, so hat sich die messtechnische Erfassung der Technischen Sauberkeit auf der Basis der VDA 19 in den letzten Jahren durchaus bewährt. Als zunehmend problematisch erweisen hat sich in der Praxis aber die Vergleichbarkeit der aus einem Extraktionsprozess gewonnenen Messergebnisse - sowohl mit Blick auf den Einsatz verschiedener Mikroskopiesysteme als auch hinsichtlich der Methoden der Extraktion (Spritzen? Spülen? Schütteln?).

Vor Augen halten muss man sich zudem, dass die derzeit (noch) gültige VDA 19 auf dem Erkenntnisstand der Jahre 2001 bis 2003 basiert. Abgesehen davon, dass schon damals einige Faktoren - etwa die Integration von Sauberkeitsanalysen in Qualitätssicherungssysteme - ausgeklammert wurden, ist die Entwicklung seitdem vorangeschritten: Die Analyseverfahren haben sich verbessert, die Anforderungen der Kunden haben sich verändert und beim 'Sauberkeitsbewusstsein' findet derzeit ein praxisorientiertes Umdenken statt: Schmutzpartikel sind selten alle gleich groß und nicht jedes kleine Staubkorn wirkt gleich als funktionsschädigender 'Killer-Partikel'. Bisher nicht enthalten ist in der VDA 19 auch das Thema Grenzwert-Erstellung und Umgang bei Überschreitungen.

Unter der Leitung des Fraunhofer IPA in Stuttgart hat deshalb Ende 2012 ein Verbund aus sieben OEMs, 19 Zulieferbetrieben, 15 Dienstleistern und Geräteherstellern sowie den drei Verbänden FIT (Fachverband industrielle Teilereinigung), IBU (Industrieverband Blechumformung) und VDFI (Verband der deutschen Federnindustrie) die Arbeit an der Revision der VDA 19 aufgenommen. Dieser Prozess ist noch nicht abgeschlossen. Federführend daran beteiligt ist Dr. Markus Rochowicz vom IPA. Er betont, dass "ein zentrales Anliegen der Revisionsarbeit darin liegt, die VDA 19 'vom Anwender für den Anwender' weiter zu entwickeln"; das Regelwerk also sowohl fachlich und technologisch zu aktualisieren als auch die Praxisorientierung zu verbessern. Das heißt auch, die Umsetzbarkeit und die Kostensituation gerade kleinerer Zulieferfirmen im Auge zu behalten. Laut Rochowicz kann "Anfang 2015 mit dem offiziellen Erscheinen der neuen VDA 19 gerechnet werden". Auf der diesjährigen Parts2Clean wird das Thema deshalb sicher für reichlich Gesprächsstoff sorgen.

Michael Stöcker

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