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parts2clean, Fachforum 24. Oktober 2017, Messe Stuttgart
Die Trocknung - Das Stiefkind der Reinigungstechnik?
Frank-Holm Rögner
Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
frank-holm.roegner@fep.fraunhofer.de
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Inhalt
Trocknung – Einordnung in den Reinigungskontext
Grundlagen
Beispiele
Zusammenfassung
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Trocknung Einordnung in den Reinigungskontext
Kontamination definieren (was stört?)
Kontamination (er)kennen (was ist drauf?)
Kontamination lösen (wie? womit?)
Kontamination abtransportieren (wie? wohin?)
Kontamination entsorgen (wie? durch wen?)
Reinigungsmittel entfernen (wie?)
Reinigungszustand (er)kennen / prüfen (womit? wann?)
Reinigungsergebnis erhalten (womit? wie lange?)
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Trocknung Einordnung in den Reinigungskontext
Notwendiger Aufwand beim Reinigen von Oberflächen
Kontamination lösen
Kontamination abtransportieren und entsorgen
Oberfläche trocknen
Reinigungs-medium entfernen
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Notwendiger Aufwand beim Reinigen von Oberflächen
Kontamination lösen
Kontamination abtransportieren und entsorgen
Oberfläche trocknen
Reinigungs-medium entfernen
Trocknung Einordnung in den Reinigungskontext
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Grundlagen – Reinigungsmedium entfernen
Temperatur von Spülmedium bzw. Werkstück
LösemittelNetzmittelElektrolytReaktivgas, …
UltraschallStrömungsmechanikSpritzenBürstenStrahlen, …
EinwirkzeitZeit * Leistung = Arbeit
Chemie
Zeit
Mechanik
Temperatur
Sinner-scherKreis
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Wasserlösliche Reinigungsmittel:
Es gelten die gleichen Regeln wie für die Entfernung von Kontaminationen -> Jetzt ist das Reinigungsmedium die Kontamination.
Oft ähnlich hoher Aufwand wie der eigentliche Reinigungsschritt
Für den Aufwand sind Haftkräfte entscheidend -> Eintrocknen unbedingt vermeiden!!
Stufenweise Verdünnung der Verschleppung mit dem Lösemittel „Wasser“
Kontinuierliche Austragung und Entsorgung der Reinigungsmittel erforderlich (Verwurf, Ultrafiltration, Umkehrosmose)
Durch Verschleppung gelangen auch Ausgangs-Kontaminationen in die Spülbäder -> Rekontamination vermeiden
Grundlagen – Reinigungsmedium entfernen
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Wasserlösliche Reinigungsmittel:
Hohe Anforderungen an das Spülmedium „Wasser“
Verdünnungswirkung nur über ein Konzentrationsgefälle möglich -> große Zeitkonstante, allein nicht effektiv
Spülwirkung muss durch mechanische Energie verstärkt werden
Zwischenspülschritte meist mit Stadtwasser, aber:
Aufkonzentration von Inhaltsstoffen durch Verdunstung (Carbonate, Salze, Chloride, Sulfate, Silicate)
z.T. kritische Inhaltsstoffe in Stadt- oder Brunnenwasser (Eisen, Nitrate)
Für finale Spülschritte vor dem Trocknen VE-Wasser erforderlich
Kontinuierliche Aufbereitung im Kreislauf reduziert Ressourcenverbrauch
Grundlagen – Reinigungsmedium entfernen
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Spülkriterium:
Dimensionsloser Wert, der den Aufwand beschreibt: R = c0/cn
Je niedriger die erlaubte Reinigerkonzentration nach der Spülung, desto größer das Spülkriterium
Grundlagen – Reinigungsmedium entfernen
Reinigungsprozess Spülkriterium
Heißentfetten 35 – 100
Elektrolytisches Entfetten 100 – 200
Alkalische Teilereinigung 1.000 – 5.000
Feinstreinigung Optik 10.000 – 30.000
Feinstreinigung Medizin 20.000 – 100.000
Elektropolieren 100.000 – 1.000.000
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Notwendiger Aufwand beim Reinigen von Oberflächen
Kontamination lösen
Kontamination abtransportieren und entsorgen
Oberfläche trocknen
Reinigungs-medium entfernen
Grundlagen – Trocknung
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Grundlagen – Trocknung
Temperatur von Trocknungsmediumbzw. Werkstück
VerdrängungAdsorption
Abblasen,Saugen,Wischen,Schleudern, …
EinwirkzeitZeit * Leistung = Arbeit
Chemie (Physik)
Zeit
Mechanik
Temperatur
Sinner-scherKreis
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Trocknung durch:
Krafteinwirkung VerdrängungZwischenstoffeVerdampfen
• Abblasen• Abwischen• Schleudern• Vibration• Slow-Pull-
Trocknung*
• Dampf• Heißluftofen• Ofen• Infrarot• Induktiv• Vakuum• Mikrowellen
• Trommeln• Wischen• Adsorbieren
• Aceton• iso-Propanol• HFE
*Slow pull-Trocknung: temperiertes Bauteil wird langsam aus Wasser gezogen Wasser perlt ab und der dünne Wasserfilm verdampft
Grundlagen – Trocknung
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Wasser-basierte Reinigungsprozesse:
Hohe Verdampfungsenthalpie von Wasser – hohe Energiezufuhr für Verdampfung notwendig!
So viel Wasser wie möglich mit anderen Mitteln von der Oberfläche entfernen (schleudern, abblasen, slow lift-out, verdrängen)
Verdampfungsgeschwindigkeit vom Dampfdruck und vom Konzentrationsgefälle abhängig
Höhere Temperatur -> höherer Dampfdruck
Entstehender Wasserdampf muss permanent von Bauteilumgebung entfernt werden
Absenkung des Umgebungsdrucks -> höhere Verdampfungsrate
Grundlagen – Trocknung
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Beispiele – TrocknungAbblasen
Luft-Messer bzw. Air-Knife
Hohe Luftgeschwindigkeiten
Hohe Flächenleistung
Große Kräfte
Kontinuierliche Prozesse
Beachte!
Teure Druckluft
Geometrische Einschränkungen
Starke Verwirbelungen
Gefahr der Rekontamination
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Beispiele – TrocknungAbblasen
Produkt-angepasste Luftdüsen
Angepasst an Geometrie
Hohe Durchsätze
Optimierte Luftmengen
Beachte!
Einzweck-Anwendung
Geometrische Einschränkungen
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Beispiele – TrocknungAbblasen
Gepulste Luftdüsen
Hohe Abblasleistung durch Pulstechnik
Gezielte Strahlformung
Flexible Geometrieanpassung
Reduzierte Luftmengen
Beachte!
Starke Verwirbelungen
Rotierende Teile
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Beispiele – TrocknungVerdampfen
Heißlufttrockner
Vielfacher industrieller Einsatz
Typisch für automatisierte Korbanlagen oder Durchlaufanlagen
Schnelle Trocknung
Beachte!
Hoher Energiebedarf, hohe Bauteiltemperaturen
Große Abluftmengen
Nur für einfache Geometrien
Starke Verwirbelung, keine Partikel-freie Trocknung
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Beispiele – TrocknungVerdampfen
Anlagen-integrierte Trocknung
Geringer Platzbedarf
Bauteil-optimiert
Gezielte Luftströmung
Beachte!
Große Taktzeiten durch Blockierung der Reinigungskammer
Komplizierte Luftführung
Starke Verwirbelungen
Kammer muss mit getrocknet werden
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Beispiele – TrocknungVerdampfen
Umluft-Kondensationstrocknung (Harter-Trockner)
Hohe Trocknungsleistung durch Luftentfeuchtung
Energieeinsparung durch Umluftführung und Wärmerückgewinnung
Niedrige Trocknungstemperaturen
Beachte!
Hohe Investitionskosten
Nur für einfache Geometrien
Starke Verwirbelung, keine Partikel-freie Trocknung
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Beispiele – TrocknungVerdampfen
Trocknung mit überhitztem Dampf
Hohe Trocknungsleistung
Kontinuierliche Prozesse
Einfache Abscheidung des verdampften Mediums durch Kondensation
Luft-freier Prozess
Hohe Poren- und Spaltgängigkeit
Kompakte Abmaße
Beachte!
Hohe Temperaturen 120 – 180 °C
Meist nur wirtschaftlich, wenn Prozess-Abwärme zur Verfügung steht
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Beispiele – TrocknungVerdampfen
Infrarot-Trockner
Partikelfreie Trocknung durch Laminar-Flow möglich
Ideal für Durchlaufanlagen und sensible Produkte
Energetisch günstiger als Heißluftanlagen
Beachte!
Niedrige Trocknungsleistung
Großer Platzbedarf
Nur für einfache Geometrien
u.U. starke Produkterwärmung
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Beispiele – TrocknungVerdampfen
Vakuum-Trockner
Hohe Trocknungsleistung
Niedrige Temperatur
Ideal für komplizierte Geometrien, Sacklöcher, Hinterschneidungen, Schüttgut
Beachte!
Nur als Batchanlage möglich
Große Nebenzeiten
IR-Heizung erforderlich
Verwirbelungen bei Druckwechsel
Hohe Investitionskosten Qu
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Beispiele – TrocknungVerdampfen
Mikrowellen-Trockner
Hohe Trocknungsleistung
Energieeffizient, da im Wesentlichen nur das Wasser erwärmt wird
Geeignet für Bauteile mit komplizierten Geometrien
Beachte!
Ungleichmäßige Erwärmung durchHot-Spots
z.T. Beeinflussung der Produkt-eigenschaften
Starke Geometrieabhängigkeit
Hohe Investitionskosten
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Beispiele – TrocknungVerdrängen
HFE-Trockner (Hydrofluorether)
Hohe Trocknungsleistung
Niedrige Betriebskosten
Ideal für hydrophobe Materialien
Niedrige Temperaturen
Für VE-Wasser sensible Materialien
Für Präzisionsoberflächen
Beachte!
Lösemittelprozess
Großer Bauraum erforderlich
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Zusammenfassung
Die Trocknung stellt einen erheblichen Teil des Aufwands für einen Reinigungsprozess dar
Die Entfernung des Reinigungsmediums von der Oberfläche ist eine wesentliche Voraussetzung für eine geeignete Trocknung
Prozesskettenbetrachtung aller Reinigungsschritte muss die Trocknung beinhalten, um eine optimale Lösung zu finden
Es gibt eine Vielzahl an Trocknungsprinzipien und -verfahren
Höhere Investitionskosten für Energieoptimierung, Messtechnik, Regelungssysteme zahlen sich oft durch niedrige Betriebskosten aus
Die preiswerteste Trocknung ist keine Trocknung -> Strategien zur Reduzierung der Restfeuchte nach der Reinigung zahlen sich immer aus
Eine Frage bleibt: Was ist trocken?