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In
Produktionsprozessen, insbesondere bei der spanenden Bearbeitung
von Metallen werden Kühl-
und Schmierstoffe eingesetzt, die das Werkstück benetzen. An den Werkstücken können zusätzlich auch
noch Verschmutzungen in Form von Partikeln wie z. B. kleine Metallspäne, anhaften.
Diese auf dem Werkstück
anhaftenden Verunreinigungen sind in der Regel störend. Zum
Beispiel ist es störend, wenn
bei der weiteren Handhabung des Werkstücks von diesem abtropfender
Kühl- oder Schmierstoff
die Umgebung verschmutzt. Die Werkstücke müssen daher zwischen zwei Bearbeitungsschritten
oder zum Abschluß der
Bearbeitung gereinigt werden.
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Um
die Werkstücke
in der Fertigungslinie behalten zu können, werden Verfahren zur
Reinigung entwickelt, die wegen ihrer kompakten Bauweise im Fertigungstakt
reinigen können
und zwischen zwei Bearbeitungsschritten in die Fertigungslinie integriert werden
können.
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Aus
der DE-OS 196 33 771 A1 ist ein Verfahren zur Reinigung von Werkstücken von
flüssigen Anhaftungen,
z. B. Kühlschmierstoffen,
sowie Partikeln bekannt. Hierbei wird das Werkstück in Schwingungen versetzt.
Die dadurch entstehenden Trägheitskräfte führen zum
Ablösen
der flüssigen
Anhaftungen von dem Werkstück.
Gleichzeitig werden durch eine in ihrer Form an das Werkstück angepassten
Düse die
abgelösten
nunmehr tropfenförmigen Anhaftungen
von einem Luftstrom, der durch die Düse gesaugt wird, aufgenommen
und entfernt. Dieses Verfahren wird im Folgenden "Vibrationsreinigung" genannt.
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Durch
die permanente Wiederholung dieses Vorganges verringert sich die
Masse, bzw. die Schichtdicke der anhaftenden Flüssigkeit solange, bis ein Kräftegleichgewicht
aus der Trägheitskraft und
der Haftkraft, hervorgerufen durch die Adhäsion, erreicht ist. Hierdurch
verbleibt bei diesem Verfahren immer eine Restmenge auf dem Bauteil,
deren Masse z. B. durch die Viskosität des Kühl- oder Schmierstoffs bestimmt
wird. Eine vollständige
Reinigung des Werkstücks
mittels einer Vibrationsreinigung ist nicht möglich.
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In
allen Fällen
in denen eine weitgehende Reinigung, z. B. zum Schutz optischer
Sensoren, oder gar eine vollständige
Reinheit, z. B. wegen einer nachfolgenden Beschichtung des Werkstücks, notwendig
ist, kann die Vibrationsreinigung nicht alleine eingesetzt werden.
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Eine
weitgehende oder vollständige
Reinigung der Werkstücke
von diesen Stoffen kann durch Reinigungsbäder mit chemischen Zusätzen erreicht werden.
Wegen baulicher und betriebstechnischer Bedingungen können diese
Anlagen nicht oder nur schwer in eine Fertigungslinie integriert
werden. Sie werden daher üblicherweise
im Batch beschickt. Dies bedeutet, dass eines oder mehrere Werkstücke aus der
Fertigungslinie entnommen werden, in eine Reinigungsvorrichtung
eingelegt, dort gereinigt und anschließend wieder in die Fertigungslinie
zurückgebracht
werden.
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Aus
der
DE 33 21 741 A1 ist
eine Reinigungsvorrichtung für
Metallfilter bekannt, bei der die anhaftenden Verunreinigungen durch
ein Plasma entfernt werden. Um die Reaktion des Plasmas zu beschleunigen,
werden gleichzeitig Ultraschallwellen auf den zu reinigenden Metallfilter
gerichtet. Typische Reinigungsdauern betragen bei dieser Vorrichtung circa
zwei Stunden, weil die Verunreinigungen durch das Plasma zersetzt
werden. Wegen der langen Reinigungsdauer ist diese Vorrichtung nicht
in eine Fertigungslinie mit kürzeren
Taktzeiten integrierbar.
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Aus
der nachveröffentlichten
DE 101 53 087 A1 ist
ein Verfahren zum Entfernen von an einem Werkstück anhaftenden Verunreinigungen
in Form von Ölen,
Fetten oder Emulsionen bekannt. Dieses Verfahren basiert auf einer
Vibrationsreinigung, wobei während
der Reinigung ein Strahl einer Reinigungsflüssigkeit auf das Werkstück gespritzt
wird, um hartnäckige
Verschmutzungen zu entfernen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Vibrationsreinigung so weiterzuentwickeln,
dass eine vollständige
Reinigung des Werkstücks
möglich
ist.
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Die
oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Reinigung
von Werkstücken
von flüssigen
und/oder festen Verunreinigungen gelöst, bei dem ein Werkstück in ein
das Werkstück
im Wesentlichen umschließendes
Gehäuse eingebracht
wird, eine Vibrationsreinigung durchgeführt wird und anschließend eine
Plasmareinigung durchgeführt
wird, wobei in plasmaförmigen
Zustand befindliche Luft innerhalb des Gehäuses an dem Werkstück vorbeigeführt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung nutzt die Tatsache aus, dass Kühl- und Schmierstoffe in der
Regel auf Mineralölprodukten
mit langkettigen C-H-Verbindungen
basieren. Es ist bekannt, dass diese Kühl- und Schmierstoffe durch
Oxydation beseitigt werden können.
Es ist ferner bekannt, dass der hierzu notwendige Sauerstoff aus
dem Gasgemisch der Luft bereitgestellt werden kann, sobald das Luftgasgemisch
in einen plasmatischen Zustand versetzt wird.
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Dieser
Effekt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt, um
in einer Vorrichtung zeitlich versetzt eine Vibrationsreinigung
durch eine Plasmareinigung zu ergänzen. Die Plasmareinigung kann
die Nachteile der Vibrationsreinigung vollständig kompensieren, ohne dass
das Werkstück
aus der Fertigungslinie entnommen werden muß. Da durch die Vibrationsreinigung
bereits der Großteil
der an dem Werkstück
haftenden Verunreinigungen schnell und effizient entfernt wird,
ist der Energiebedarf für die
Plasmareinigung sehr gering, so dass durch das erfindungemäße Verfahren
ein wirkungsvolles und gleichzeitig wirtschaftliches Verfahren zur
vollständigen
Reinigung von Werkstücken
zur Verfügung
steht. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann in einer Vorrichtung zur Vibrationsreinigung durchgeführt werden,
wenn eine oder mehrere Plasmaquellen installiert werden. D. h. selbst
bestehende Anlagen zur Vibrationsreinigung können in vielen Fällen nachgerüstet werden.
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Vorzugsweise
wird dieses Plasma mit Druckluft als kaltes Plasma ausgeführt.
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Weitere
Erfindungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass
die sich im plasmaförmigen
Zustand befindliche Luft in ihrer Zusammensetzung geändert wird,
um die Wirksamkeit der Plasmareinigung zu erhöhen. Dies kann durch die Zugabe
von reinem Sauerstoff oder durch Sauerstoff in Form von Ozon (O3) geschehen.
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Alternativ
kann das erfindungsgemäße Verfahren
als kontinuierlicher Reinigungsprozess betrieben werden, indem Werkstücke kontinuierlich
dem Gehäuse
zugeführt
werden und gleichzeitig Werkstücke
aus dem Gehäuse
entnommen werden. Es ist aber ebenso möglich, das erfindungsgemäße Verfahren
im sogenannten batch-Betrieb durchzuführen, das heißt, dass
ein oder mehrere Werkstücke
in das Gehäuse
eingebracht werden, das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren durchgeführt wird
und anschließend
das oder die Werkstücke
wieder entnommen werden. Welche der zuvor beschriebenen Varianten
zum Einsatz kommen, hängt
unter anderem von der zur Stückzahl
der zu reinigenden Werkstücke,
der Art der Verschmutzungen sowie Größe und Geometrie der Werkstücke ab.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zur Reinigung
von Werkstücken
von flüssigen
und/oder festen Verunreinigungen mit einem das Werkstück mindestens
teilweise umschließenden
Gehäuse,
mit einem Schwingungserzeuger, welcher das Werkstück in Schwingung
versetzt, mit einer Einrichtung zur Förderung von Luft aus einem
von dem Gehäuse
und dem Werkstück begrenzten
Hohlraum dadurch gelöst,
dass mindestens eine Plasmaquelle vorhanden ist und dass durch die
mindestens eine Plasmaquelle das in dem Hohlraum vorhandene Gas
nach der Vibrationsreinigung in einen plasmaförmigen Aggregatzustand gebracht werden
kann. Die Zahl der Plasmaquellen kann und muss in Abhängigkeit
der Größe des Werkstücks sowie
der gewünschten
Reinigungsleistung festgelegt werden.
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Dabei
werden die anhand dem Verfahren erläuterten Vorteile in gleicher
Weise erreicht.
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Die
Einrichtung zur Förderung
von Luft aus dem Hohlraum zwischen Gehäuse und Werkstück kann
entweder als Absaugeinrichtung oder als Gebläse ausgeführt werden.
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Des
Weiteren ist bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Möglichkeit
vorgesehen, der in den Hohlraum geförderten Luft Sauerstoff, insbesondere
reinen Sauerstoff oder Ozon, zuzusetzen.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Es
zeigt die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Reinigung von Werkstücken
im Schnitt.
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Ein
Werkstück 1,
welches bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel eine ringförmige Geometrie
hat, wird von einem zweiteiligen Gehäuse 3 mit den Gehäusehälften 3a und 3b umschlossen.
In den Gehäusehälften 3a und 3b sind über den
Umfang verteilt mehrere Luftkanäle 5a und 5b angeordnet.
Durch die Luftkanäle 5a und 5b ist
es möglich,
einen ringförmigen
Hohlraum 7, welcher von den Gehäusehälften 3a und 3b begrenzt
wird und in den das Werkstück 1 eingelegt
ist, mit Luft zu durchspülen.
Die Luft, welche in der Figur durch die Pfeile 9 andeutungsweise
in ihrer Bewegungsrichtung dargestellt ist, wird über ein
nicht dargestelltes Gebläse oder über eine
Absaugeinrichtung 10 dem Gehäuse 3 zugeführt. An
der Gehäusehälfte 3a ist
ein Diffusor 11 mit einem regelbaren ersten Ventil 13 aufgesetzt. Durch
das erste Ventil 13 und dem Diffusor 11 gelangt
die Luft in die Luftkanäle 5a und 5b und
den Hohlraum 7.
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An
der in der Figur unteren Gehäusehälfte 3b ist
ein Sammler 15 angeschlossen, mit dessen Hilfe die aus
den Luftkanälen 5b strömende Luft
abgeführt
werden kann. Dies kann beispielsweise durch die Absaugeinrichtung 10 erfolgen.
Am Eintritt der Luftkanäle 5b in
den Sammler 15 sind zweite Ventile 17 vorgesehen,
welche ebenfalls regelbar sind.
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Durch
das erste Ventil 13 und die zweiten Ventile 17 kann
die Luftmenge mit welcher das Werkstück 1 im Hohlraum 7 umspült wird,
bedarfsabhängig
eingestellt werden oder geregelt werden. Ebenso ist es möglich, den
Hohlraum 7 durch Schließen des ersten Ventils 13 und
der zweiten Ventile 17 abzudichten.
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Das
Gehäuse 3 ist
zweiteilig ausgebildet und besitzt zwei Gehäusehälften 3a und 3b,
damit das ringförmige
Werkstück 1 in
den Hohlraum 7 eingelegt werden kann. Die Form des Gehäuses 3 hängt stark von
der Form des zu reinigenden Werkstückes ab. In der Regel wird
man bei der Formgebung des Gehäuses 3 darauf
achten, dass der Hohlraum 7 zwischen Gehäuse 3 und
Werkstück 1 nicht
größer als
notwendig ist und die Berührpunkte
zwischen Werkstück 1 und
Gehäuse 3 so
wählen
und ausbilden, dass durch die Berührung des Werkstücks 1 mit
dem Gehäuse 3 keine
Beschädigungen
am Werkstück 1 entstehen können.
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Ein
in der Figur nicht dargestellter Schwingungserzeuger versetzt das
Gehäuse 3 und
mit ihm das Werkstück 1 in
Schwingungen. Dieser Vorgang ist in der Figur durch einen Doppelpfeil 19 angedeutet.
Die Art der Schwingungen sowie deren Amplitude, Frequenz und Richtung
werden abhängig
vom Werkstück 1 für jeden
Anwendungsfall festgelegt. Durch die Schwingungen des Werkstücks 1 werden die
an dem Werkstück
anhaftenden Verunreinigungen abgelöst. Dies kann beispielsweise
durch ohnehin vorhandene Kanten oder Vorsprünge (nicht dargestellt) am
Werkstück 1 wirksam
unterstützt
werden, wenn die Schwingungen des Werkstücks 1 und des Gehäuses 3 so
gerichtet sind, dass die anhaftenden Verunreinigungen auf der Oberfläche des
Werkstücks 1 bis
zu den genannten Kanten oder Vorsprüngen wandern und sich dort
vom Werkstück 1 in Form
kleiner Tröpfchen
lösen.
Diese Tröpfchen
werden dann durch die Luft, welche das Werkstück 1 umspült, abtransportiert
und durch den Sammler 15 aus der Vorrichtung abgeführt.
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Im
Anschluß an
die Vibrationsreinigung wird erfindungsgemäß noch eine Plasmareinigung
des Werkstücks 1 vorgenommen.
Dazu sind über
den Umfang des Gehäuses 3 eine
oder mehrere Plasmaquellen 21 vorhanden. Diese Plasmaquellen 21 können je
nach Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden und erzeugen bevorzugt
ein kaltes Plasma, welches über
Kanäle 23a und 23b in
den Hohlraum 7 eingeleitet wird. Bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist jeder Plasmaquelle 21 ein Kanal 23a und 23b zugeordnet.
Die Kanäle 23a und 23b können durch
dritte Ventile 25 geschlossen werden.
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Durch
das Einleiten von Plasma in den Hohlraum 7 findet zeitgleich
mit der Vibrationsreinigung oder im Anschluss an die Vibrationsreinigung
auch eine Plasmareinigung des Werkstücks 1 statt. Um die Wirksamkeit
der Plasmareinigung weiter zu steigern, kann es vorgesehen sein,
den Sauerstoffgehalt der im plasmaförmigen Zustand befindlichen
Luft durch die Zugabe von reinem Sauerstoff oder von Ozon zu erhöhen.
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Dabei
wird der Effekt ausgenutzt, dass die am Werkstück 1 anhaftenden Kühl- und
Schmierstoffe in der Regel aus langkettigen Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen
bestehen. Diese Verbindungen können
durch Oxidation beseitigt werden. Den dazu notwendigen Sauerstoff
kann durch in plasmatischem Zustand versetzte Luft bereitgestellt
werden.
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Durch
die Zugabe von Sauerstoff und/oder Ozon kann die Wirksamkeit der
Plasmareinigung weiter erhöht
werden. Die dazu notwendigen Ventile, Fördereinrichtungen und Zuleitungen
sowie Vorratstanks für
Sauerstoff und Ozon und eines oder mehrerer überkritischer Medien sind in
der 1 nicht dargestellt.
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Die
Komponenten der in der einzigen Figur dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Reinigung von Werkstücken
werden über
ein nicht dargestelltes Steuergerät angesteuert beziehungsweise
geregelt, so dass eine vollautomatische Reinigung des Werkstücks 1 inklusive
der Zuführung
des Werkstücks 1 in
den Hohlraum 7 sowie der Entnahme des Werkstücks 1 aus
dem Hohlraum 7 erfolgen kann. Infolgedessen wird in aller
Regel auch das Öffnen
und Schließen
des Gehäuses 3 automatisch
von nicht dargestellten Antrieben übernommen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtungen
hat unter anderem den Vorteil, dass das Gehäuse 3, 3a, 3b das
Werkstück 1 sehr
eng umfasst, so dass das Volumen des Hohlraums 7 sehr klein
ist. In Folge dessen ist eine sehr intensive Reinigung des Werkstücks 1 bei
gleichzeitig geringem Energiebedarf und einem geringen Bedarf an
Reinigungsmedium möglich.
Dadurch erhöht
sich die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens stark.