Simulation von Vorbehandlungsverfahren

Viele Verfahren zur Bauteilreinigung beruhen auf Strahlverfahren. Hierbei werden mit einem Wasserstrahl, CO2-Schnee, Laser, Sand oder Pellets Verunreinigungen vom Bauteil entfernt und teilweise auch durch Aufrauhung oder Verdichtung unterschiedliche Oberflächeneigenschaften am Bauteil erzielt. In anschließenden Prozessen wie der Lackierung erfolgt die Weiterverarbeitung der Bauteile. Dabei müssen die immer größer werdenden Anforderungen an die Oberflächeneigenschaften eingehalten werden, auch um Haftungsansprüche auszuschließen. Bei Auslegungen von Reinigungsanlagen oder bei Bauteiländerungen müssen Konzepte entwickelt werden, mit deren Hilfe eine gleichbleibende und homogene Oberflächenreinigung und -aktivierung gewährleistbar ist.

Gleichmäßiges Strahlen

Das heißt, dass der Strahl direkt auf jeden Punkt der Oberfläche gleichermaßen einwirken muss. Bereiche, die nur indirekt vom Strahl getroffen werden, erfahren eine schwächere Oberflächenveränderung durch Sekundarwirkungen wie z. B. die Reflexion. Deshalb sind Schattenbereiche und ungünstige Auftreffwinkel zu vermeiden. In der Praxis werden oft überdimensionierte Strahlformationen und Kinematiken eingesetzt, wenn keine Prozesssicherheit durch Prozesskontrolle oder Prozess­analyse möglich ist. Aus den bisherigen Untersuchungen am Fraunhofer IPA geht hervor, dass beispielsweise die Potenziale der Spritzstrahlreinigung, die Reinigung durch hohen Strahlimpuls, in vielen Fällen nicht vollständig ausgeschöpft werden. Der Ausgleich der nicht op­timalen Anlagenlayouts geschieht häufig durch längere Laufzeiten, Erhöhung der Temperatur und Zugabe von chemischen Reinigungszusätzen uvm. Die vom Fraunhofer IPA entwickelte Simulationssoftware hilft einerseits, Strahlprozesse und die Auswirkung von Änderungsmaßnahmen besser zu verstehen und somit Überdimensionierungen zu vermeiden. Andererseits können mit der Software in schneller Folge verschiedene Anlagenauslegungen simuliert und beurteilt werden. Daraus ergibt sich systematisch das optimale Layout.

Anhand der Variationen konnte eine Einstellung von Winkelanstellung und Düsenbewegung gefunden werden, mit der sich die ungereinigten grauen Stellen in der Nut beseitigen lassen. Das Bild zeigt den Optimierungsfortschritt von links nach rechts in unterschiedlichen Ansichten und Vergrößerungsausschnitten. Der Anstieg von blau nach rot beschreibt den Reinigungsgrad.

Ohne Prozesseingriff

Auf Mängel in der Oberflächenwirkung kann am Computer ohne Aufwand an der realen Anlage reagiert werden. Über die visuellen Ausgabemöglichkeiten der Software kann dann konstruktiv über die Umsetzung in die reale Maschinenwelt entschieden werden. Am Ende der Simulationsarbeit stehen verschiedene graphische Auswertungen zu Reinigungswirkung, Taktzeit und Kosten zur Verfügung. Auf dem Weg zu einem Optimum kann die Simulation erhebliche Planungszeiten einsparen.

Einsatz für CO2-Schneestrahldüsen

In zahlreichen Branchen wie beispielsweise der Medizintechnik, Automobil- und Zulieferindustrie, Mechatronik, Feinmechanik, Hydraulik, Raum- und Luftfahrt ist die CO2-Schneestrahlreinigung eine Option zur Erreichung der hohen Anforderungen an die Bauteilsauberkeit. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten ZIM-Kooperationsprojekt „ReinSim“, haben das Fraunhofer IPA und die acp – advanced clean production GmbH die beschriebene Software genutzt, um sie auch an die Schneestrahlreinigung zu adaptieren. Beispielhaft wurde dort das System „quattroClean“-Schneestrahlreinigungssystem der acp GmbH untersucht. Die Darstellung der Vorgehensweise erfolgte an anspruchsvollen und empfindlichen Drucksensoren. Es wurden dabei unterschiedliche Bewegungsmuster mit unterschiedlichen Anstellwinkeln der Schneestrahldüsen in der Simulation erzeugt und die entsprechenden Reinigungswirkungen auf der Bauteiloberfläche genau berechnet. Von besonderem Interesse bei der Grundsatzuntersuchung war die Nut für einen Dichtring (linkes Bilderpaar). Es sollte eine Einstellung für die CO2-Schneestrahldüsen gefunden werden, mit der das Strahlmittel auch in der Ringnut seine optimale Wirkung entfaltet. Aus der iterativen Zusammenarbeit konnte entsprechend eine Lösung gefunden werden – die Optimierungsschritte zeigt das rechte Bilderpaar.

Zum Netzwerken:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. +49 711 970-3820, Michael.Hilt@ipa.fraunhofer.de, Jörg Schieweck, Tel. +49 711 970-1874, Joerg.Schieweck@ipa.fraunhofer.de, www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung