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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?