CO2-Schnee-Strahlen

Als CO₂-Schneestrahlen werden Strahlverfahren mit Flüssig-CO₂ bezeichnet, die das Strahlmittel - festes CO₂ (Trockeneis) - erst während des Reinigungsprozesses aus Flüssig-CO₂ erzeugen. Das CO₂-Schneestrahlen arbeitet trocken und lösemittelfrei und lässt sich leicht automatisieren.

Die CO₂-Schneeerzeugung erfolgt aus flüssigem Kohlendioxid, das auf einen Druck unterhalb von 5 bar entspannt wird. Das Kohlendioxid dehnt sich schnell aus und kühlt dabei stark ab. Bei dieser Entspannung erfolgt die Phasenumwandlung von Flüssig-CO₂ in einen Teil festes CO₂ (Trockeneis) und einen Teil gasförmiges CO₂. Das Trockeneis wird mit Hilfe des gasförmigen CO₂ bzw. bei anderen Verfahrensvarianten mit Hilfe eines zusätzlichen Trägergases auf die zu reinigende Oberfläche gestrahlt.

Verfahrenstechnisch unterscheidet man:

1. CO₂-Schneereinigung ohne zusätzliches Trägergas und

2. CO₂-Schneestrahlen mit zusätzlichem Trägergas.

Verfahren zur CO₂-Schneereinigung (1), die ohne zusätzliches Trägergas arbeiten, nutzen das bei Trockeneiserzeugung entstehende gasförmige CO₂ für die Ausbildung des Freistrahls. Die Anwendungen liegen im Bereich der Feinstreinigung, da nur sehr kleine Trockeneiskristalle ausgebildet werden. Die Reichweite des Freistrahls liegt bei ca. 30 mm, da der Durchmesser der CO₂-Schneeteilchen und der Volumenstrom des gasförmigen CO₂ sehr gering ist.

CO₂-Schneereinigung: eco-snow

CO₂-Kristall-Schneestrahlen: acp

CO₂-Partikel-Schneestrahlen: CryoSnow

Verfahren zum CO₂-Schneestrahlen werden mit einem Trägergas, meist Druckluft, betrieben. Bei diesen Verfahren wird darüber hinaus unterschieden zwischen Prozessen bei denen das Flüssig-CO₂ direkt in das Trägergas eingeleitet und erst dort entspannt wird (CO₂-Kristall-Schneestrahlen) und Prozessen bei denen die erzeugten Trockeneiskristalle weiter aufbereitet und erst danach die produzierten größeren Strahlmittelpartikel der Trägergasströmung zudosiert werden (CO₂-Partikel-Schneestrahlen).

Das CO₂-Kristall-Schneestrahlen kann ebenso nur für die Feinstreinigung eingesetzt werden, wohin gegen beim CO₂-Partikel-Schneepartikel die erzeugten Strahlmittelpartikel einen Durchmesser von 1 µm bis zu 1 mm und höhere Härten aufweisen. Der Freistrahl beim CO₂-Partikel-Schneepartikel hat eine Reichweite von bis zu 500 mm und kann sowohl für die Feinreinigung als auch eine Vielzahl an Anwendungen im Bereich der Bauteil-, Werkzeug- und Formen- als auch Maschinen- und Anlagenreinigungen eingesetzt werden.

Physikalischer Hintergrund

CO₂-Schnee entsteht, wenn flüssiges Kohlendioxid bei Raumtemperatur entspannt wird. Das Kohlendioxid kühlt sich bei der Expansion schnell ab (Übergang von Punkt 1 nach Punkt 2 im Phasendiagramm). Es bilden sich kleine feste Kohlendioxidkristalle (Trockeneis) und gasförmiges Kohlendioxid. Dieses Gemisch wird auf die zu reinigende Oberfläche gerichtet. Dabei wird die Schmutzschicht durch die auftreffenden CO₂-Schneepartikel gelockert bzw. gelöst und durch den Gasstrom, also Kohlendioxid ggf. mit Druckluftunterstützung, weggespült. Das Reinigungsergebnis hängt vom Reinheitsgrad des Kohlendioxids und des Trägergases ab.

Phasendiagramm von Kohlendioxid

Die Reinigungswirkung beruht auf thermischen, mechanischen und physikalischen Vorgängen im Mikrobereich der Oberfläche. Die thermischen Effekte durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Verunreinigung und zu reinigendem Bauteil führen zum Ablösen der Verunreinigung vom Substrat. Durch Gleitstrahl-, Schrägstrahl- und Prallstrahlvorgänge an der Verunreinigung sowie die Sublimationsexpansion des CO₂ kommt es zum Ablösen und zum Abtransport der Verunreinigung vom Bauteil. Darüber hinaus werden Öl- und Fett-Verunreinigungen durch Lösungsvorgänge im gasförmigen Kohlendioxid von der Oberfläche entfernt. Der komplexe Prozessmechanismus mit Temperatur-, Strahl- und Lösungsmitteleffekten ist bis ins Detail noch nicht vollständig geklärt.

Prozessmechanismus: CryoSnow

Entfernen von unlöslichen Partikeln durch Impulstransfer

Unlösliche Partikel können von einer Oberfläche durch einen Hochgeschwindigkeitsstrahl eines Gases entfernt werden. Der Gasstrom übt auf den an der Oberfläche anhaftenden Partikel eine aerodynamische Kraft aus. Diese Kraft ist proportional zu der Querschnittsfläche des Partikels in Anstrahlrichtung. Wenn die aerodynamische Widerstandskraft des Partikels die Adhäsionskraft zwischen Partikel und Oberfläche überschreitet, wird der Partikel von der Oberfläche abgelöst und vom Gasstrom mitgerissen. Die Adhäsionskraft, in erster Linie bestimmt durch Van-der-Waals-Kräfte, Dipolkräfte und Kapillarkräfte, ist von dem Durchmesser der anhaftenden Partikel abhängig. Die Adhäsionskraft nimmt mit dem Partikeldurchmesser jedoch weniger schnell ab als die aerodynamische Widerstandskraft. Das heißt, sehr kleine Partikel (im Mikrometer-Bereich) können durch einen Gasstrom allein nicht mehr entfernt werden. Durch in dem Gasstrom mitgeführte CO₂-Schneepartikel können jedoch zusätzliche Kräfte durch Impulstransfer auf anhaftende Schmutzpartikel ausgeübt werden. Die abgelösten Partikel werden problemlos durch den Hochgeschwindigkeitsgasstrom abtransportiert. Versuche haben gezeigt, dass mit dem CO₂-Schneestrahlen sowohl große als auch sehr kleine Schmutzpartikel entfernt werden können.

Entfernen von partikulären Verschmutzungen

Ein zusätzlicher Effekt beim CO₂-Schneereinigen ist das Einfrieren und Verspröden von Verunreinigungen, die dann durch Impulstransfer leichter abgelöst werden.

Entfernen von organischem Schmutz durch Lösen im Kohlendioxid

CO₂ ist ein geeignetes Lösungsmittel für unpolare Substanzen. Im Gleichgewichtszustand liegt CO₂ bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck in der gasförmigen Phase vor. Allerdings treten beim Auftreffen eines Schneepartikels auf die Oberfläche kurzzeitig andere Bedingungen auf. Während der kurzen Zeit des Auftreffens wirkt zwischen der Oberfläche und dem Partikel eine Kraft, die zu einer Flächenpressung an der Berührstelle führt. An der Berührstelle steigen Druck und Temperatur an und die unmittelbare Umgebung der Berührstelle geht in die flüssige Phase über. In dieser flüssigen Phase lösen sich organische Verunreinigungen. Sobald der Partikel wieder von der Oberfläche zurückspringt (Impulserhaltung), sinkt der Druck ab und die Berührstelle verfestigt sich mitsamt den gelösten Verunreinigungen wieder. Die Verunreinigungen werden also durch die abprallenden Schneepartikel abtransportiert und fallen dort aus, wo der Schnee letztendlich sublimiert.

Entfernen von löslichen Verschmutzungen

Das Vorhandensein einer flüssigen Phase beim Auftreffen der CO₂-Schneepartikel sorgt dafür, dass die auftretenden Pressungen limitiert bleiben. Die beim Auftreffen ansteigende Kraft sorgt in erster Linie für ein Vergrößern der verflüssigten Kontaktfläche. Der Druck an der Berührstelle bleibt weitgehend konstant. Aus diesem Grunde ist das Reinigen mit CO₂-Schnee ein für die Bauteiloberfläche schonendes Reinigungsverfahren. Aufgrund der Reaktionskräfte des Hochgeschwindigkeitsstrahls ist es jedoch erforderlich, den zu reinigenden Körper einzuspannen bzw. festzulegen, um ein Fortblasen zu verhindern.

Ein Problem bei der Reinigung mit CO₂-Schnee ist die Rückverschmutzung des zu säubernden Bauteils durch Sublimation des Schnees an der Bauteiloberfläche bzw. durch Verunreinigungen in dem verwendeten CO₂. Um die Rückverschmutzung zu minimieren, werden zum einen Filteranlagen eingesetzt und zum anderen wird oftmals zusätzlich zum Reinigungsstrahl eine gerichtete laminare Gasströmung zum definierten Abtransport der Verunreinigungen von der Bauteiloberfläche eingesetzt.

Haupteinsatzgebiete

Beim CO₂-Schneestrahlen handelt es sich um Reinigungsverfahren mit einem breiten Anwendungsspektrum, von der Präzisionsreinigung bis hin zum großflächigen Reinigung von Maschinen und Anlagen, Werkzeugen und Formen sowie Kunststoff- und Metallbauteilen.

Bei der Verwendung des Verfahrens ist zu beachten, dass nur die Flächen problemlos gereinigt werden können, die direkt durch den CO₂-Schneestrahl angeströmt werden. Außerdem bereiten kleine, leichte Bauteile Probleme, da diese durch den CO₂-Schneestrahl fortgeblasen werden können.

Da das Verfahren nicht abrasiv wirkt, können auch sehr empfindliche Oberflächen gestrahlt werden. Entfernt werden können organische und anorganische partikuläre Verschmutzungen, Ölfilme, Fette, Fingerabdrücke und Flussmittelrückstände. Sehr stark haftende Verkrustungen, dicke Farbschichten oder Rost können hingegen nicht entfernt werden.

Lackiervorbehandlung: CryoSnow

Formenreinigung: CryoSnow

Feinstreinigung: PrecisionCleaningWeb (ehemalige Webseite)

Umwelt- und Arbeitsschutz

Trockeneis sublimiert (verdampft) rückstandslos vom festen direkt in den gasförmigen Zustand, wobei das Gas weitgehend geruch- und normalerweise farblos bzw. unsichtbar ist. 1 kg Trockeneis bildet ca. 500 Liter CO₂-Gas. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) ist die höchstzulässige Konzentration eines Arbeitsstoffes in Luft am Arbeitsplatz, die bei täglich achtstündiger Einwirkung und einer Wochenarbeitszeit von 40 Stunden im Allgemeinen die Gesundheit der Beschäftigten nicht beeinträchtigt. Die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) von CO₂ beträgt 5.000 ppm (0,5 Vol. %). CO₂-Gas wirkt narkotisierend, bewirkt bei über 7 % in der Atemluft Bewusstlosigkeit und bei Konzentrationen von über 8 % besteht Erstickungsgefahr. Da CO₂-Gas ca. 1,5-mal schwerer als Luft ist, breitet es sich am Boden aus und sammelt sich in Vertiefungen an. Auf gute Bodenbelüftung achten. Am Arbeitsplatz sollte sich ein Messgerät befinden, das stets die Kohlendioxid-Konzentration misst.

Trockeneis ist sehr kalt und hat eine Temperatur von -78,5 °C. Direkter Kontakt mit ungeschützter Haut kann ernsthafte Erfrierungen verursachen. Der Anwender sollte sich durch entsprechende Schutzkleidung vor Kaltverbrennungen schützen und geeignete Schutzmaßnahmen für die Augen treffen. Durch den Freistrahl entsteht ein hoher Lärmpegel. Bei Strahlarbeiten ist daher ein Gehörschutz zu tragen.

Für die Umwelt ist Kohlendioxid ein unbedenkliches Reinigungsmittel, da es nicht eigens für die Reinigung produziert wird, sondern durch Luftverflüssigung der Umgebungsluft entnommen wird oder als Nebenprodukt bei anderen Prozessen entsteht.

Anlagen und Kosten

Die Düse, durch die der CO₂-Schnee entsteht, kann entweder als Handpistole oder als bewegliche Vorrichtung in einem manuellen oder automatischen Reinigungssystem vorgesehen werden.

Anlagenbeispiele:

Handgeführte Strahlpistolen

Bild: PCW

Handgeführte Strahlpistolen sind in der Anschaffung sehr günstig. Im einfachsten Fall besteht das Strahlsystem lediglich aus der Strahlpistole, einem Schlauch mit Druckminderungsventil und einer CO₂-Flasche. Die Reinigung kann im Freien oder unter einer Absaugvorrichtung erfolgen. Der Anwender muss sich durch eine geeignete Schutzkleidung vor Erfrierungen schützen. Diese Strahlsysteme sind nur für die Präzisionsreinigung im Labor zu empfehlen.

Strahlgeräte zur manuellen Reinigung

Bild: CryoSnow

Bei den CO₂-Schneestrahlgeräten handelt es sich um fahrbare oder stationäre Geräte für Dienstleistung, Industrie, Labor, Werkstatt und Produktion. Die Strahlpistole wird von Hand geführt und kann sowohl als Freistrahlsystem, aber auch in Strahlkabinen betrieben werden.

Automatische Anlagen

Bild: eco-snow

Für die Reinigung großer Chargen in der Halbleiterindustrie bietet sich eine weitgehende Automatisierung des Reinigungsprozesses an. Die Bauteile werden in Kassetten oder ähnlichen Bauteilträgern der Anlage zugeführt. Die Reinigung erfolgt in einer geschlossenen Kammer mit Lärmdämmung und Absaugung. Anlagen für den Automatikbetrieb können mit Handhabungsgeräten, robotergeführten Strahlpistolen und automatischen Be- und Entladesystemen ausgerüstet werden. Bei sehr großer Reinigungsleistung kann die Realisierung eines geschlossenen Kohlendioxid-Kreislaufs in der Anlage wirtschaftlich sein.

Referenzen

Homepage der "United States Environmental Protection Agency"
http://www.epa.gov

Online-Magazin "Precision Cleaning Web"
http://www.precisioncleaningweb.com

US-Amerikanische Wissensbasis "Sage: Solvent Alternatives Guide"
http://www.sage.rti.org

CryoSnow GmbH
http://www.cryosnow.com