Technische Universität Berlin
Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb
Fachrichtung Produktionstechnik

Diplomarbeit

Analyse des Abtragverhaltens und der Oberflächenentstehung beim
Trockeneisstrahlen von Aluminiumknetlegierungen

durchgeführt im Sonderforschungsbereich 281
„Demontagefabriken zur Rückgewinnung von
Ressourcen in Produkt- und Materialkreisläufen“

vorgelegt von
cand. Ing. Carsten Beth
Berlin, den 15. November 1999

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1

2 Strahlverfahren ... 3
2.1 Allgemeines ... 3
2.2 Einordnung nach DIN ... 4
2.3 Definitionen ... 6

3 Trockeneisstrahlen ... 8
3.1 Allgemeines ... 8
3.2 Verfahrensbeschreibung ... 9
3.3 Anlagentechnik ... 12
3.4 Trockeneispellets ... 14
3.5 Anwendungsgebiete ... 1

4 Theoretische Grundlagen ... 19
4.1 Abtragmechanismen ... 19
4.2 Prozeßparameter ... 25
4.2.1 Partikelgeschwindigkeit ... 25
4.2.2 Strahlauftreffwinkel ... 26
4.2.3 Werkstoffeinfluß ... 30
4.3 Abrasivmitteleigenschaften ... 31
4.4 Mechanismen des Werkstoffabtrages ... 34
4.5 Beschichtungen ... 38
4.6 Adhäsionsmechanismen ... 40
4.6.1 Allgemeines ... 40
4.6.2 Mechanische Adhäsion ... 43
4.6.3 Spezifische Adhäsion ... 46
4.7 Grenzphasen ... 58
4.7.1 Allgemeines ... 58
4.7.2 Ausgangszustand des Grundwerkstoffes ... 59
4.7.3 Haftflächen ... 60
4.7.4 Eigenschaften von Schicht und Substrat ... 62
4.8 Haften an realen Oberflächen ... 63

5 Versuchsbedingungen ... 65
5.1 Versuchsaufbau ... 65
5.2 Parameter ... 67
5.3 Versuchsdurchführung ... 68
5.4 Meßeinrichtungen ... 69

6 Technologische Untersuchungen ... 71
6.1.1 Einfluß der Vorschubgeschwindigkeit ... 72
6.1.2 Einfluß des Arbeitsabstandes ... 74
6.1.3 Einfluß des Strahlauftreffwinkels ... 75
6.1.4 Einfluß des Massenstromes ... 77
6.1.5 Rauheitsprofil ... 78

7 Zusammenfassung ... 83

8 Literatur ... 85

9 Anhang ... 93
9.1 Technische Daten ... 93
9.2 Meßwerte ... 96

1 Einleitung
Das Entfernen von Beschichtungen und Lackierungen sowie das Reinigen von Bauteilen und Anlagenkomponenten kann durch den Einsatz von Strahlverfahren erfolgen. Dafür stehen verschiedene Strahlsysteme zur Verfügung, die sich in der Art des Strahlmittels und des Beschleunigungsmediums unterscheiden. Die entstehenden Rückstände beim konventionellen Reinigungsstrahlen erweisen sich jedoch zunehmend als problematisch, da sie vor Verwendung der gestrahlten Körper entfernt und aus Umweltschutzgründen wiederaufbereitet oder als Sondermüll deponiert werden müssen. Derzeit wird versucht, neue Verfahren zu entwickeln, die sich als ökologisch und ökonomisch vorteilhafter erweisen.

Als Alternative bietet sich ein Verfahren an, welches in einem Druckluftstrom beschleunigte Trockeneispellets als Strahlmittel verwendet. Der Vorteil dieses Strahlverfahrens liegt darin, daß das Trockeneis schon bei Umgebungstemperatur sublimiert und in die Atmosphäre entweicht. Nach dem Strahlprozeß bleibt lediglich das abgetragene Beschichtungsmaterial übrig, welches als Abfall zu entsorgen ist. Eine weitere positive Eigenschaft ist, daß Kohlendioxid antistatisch und nicht leitend ist. Elektrische und hydraulische Anlagenkomponenten können deshalb direkt, d. h. ohne langwierige manuelle Aus- und Einbauarbeiten, bestrahlt werden. Das Verfahren ist insbesondere für die Automobil- sowie für die Luft und Raumfahrtindustrie interessant, da das Strahlmittel nicht korrosiv wirkt.

In dieser Arbeit wird, ausgehend von einer auf der DIN 8200 Strahlverfahren aufbauenden Begriffsbestimmung, der Stand der Technik des Trockeneisstrahlens dargestellt. Die Mechanismen des Werkstoffabtrages werden beschrieben. Im Zusammenhang mit Reinigungs- und Entlackungsprozessen durch das Trockeneisstrahlen werden Haftungsund Grenzphasenvorgänge sowie Adhäsionsmechanismen an beschichteten bzw. verunreinigten Oberflächen näher erläutert. Es werden Einstellparameter, Kenngrößen und Qualitätsmerkmale beschrieben.

Im Rahmen der experimentellen Untersuchung werden Bleche aus einer Aluminium-Knetlegierung unter Variation der Einstellparameter Massenstrom an Trockeneispellets, Arbeitsabstand, Vorschubgeschwindigkeit und Strahlauftreffwinkel durch Trockeneisstrahlen bearbeitet. Die Oberflächentopographie der bestrahlten Bleche wird unter Zuhilfenahme eines Meßlasers nach DIN EN ISO 8503 und 3274 untersucht. Das Strahlbild sowie der Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauheit bzw. der Abtragbreite und den Parametern werden anschließend beschrieben und bewertet.

2 Strahlverfahren
2.1 Allgemeines
Das Jahr 1870 kann als Beginn der Strahltechnik zur Oberflächenbehandlung angesehen werden. Dem Amerikaner B. C. Tilghman wurde in diesem Jahr ein britisches Patent zur Oberflächenbearbeitung mit Sand, der durch Druckluft, Wasser, Dampf oder Fliehkraft beschleunigt wird, erteilt /WER96/. Beim Strahlen handelt es sich um ein trennendes Fertigungsverfahren. Das Werkzeug ist dabei ein Strahlmittel, das in einem Strahlgerät beschleunigt wird, um auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche zu prallen. Durch diesen Vorgang können an folgenden Eigenschaften des Werkstücks, dem Strahlgut, Veränderungen bewirkt werden:

• Oberflächenzustand des Werkstückes durch Reinigen (Reinigungsstrahlen),
• Rauheit der Oberfläche des Strahlgutes durch Umformen (Veredelungsstrahlen),
• Gestalt des Werkstückes durch Zerspanen von Grundwerkstoff (Strahlspanen),
• Eigenschaften einer oberflächennahen Werkstückschicht (Verfestigungsstrahlen) und
• Werkstückform durch Umformen beim Umformstrahlen /DIN8200/.

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