Industrielle Reinigung Schweißnähte außen und innen nachhaltig und effizient reinigen

Autor / Redakteur: Doris Schulz / M.A. Frauke Finus

Um Qualitätsprobleme bei der nachfolgenden kathodischen Tauchlackierung (KTL) zu vermeiden, setzt ein Autobauer bei der Schweißnahtreinigung von Integralträgern für Elektrofahrzeuge auf die Technologie von Ecoclean: einen ultrahochfrequenten, pulsierenden Mitteldruck-Wasserstrahl statt eines Festkörper-Strahlmittel.

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Im Prozessmodul bewegt der Manipulator den Träger definiert unter dem Strahlwerkzeug, so dass die Schweißrückstände gezielt behandelt und die Teile gleichzeitig gereinigt werden. Dies macht einen zusätzlichen Reinigungsschritt in einer separaten Anlage überflüssig.
Im Prozessmodul bewegt der Manipulator den Träger definiert unter dem Strahlwerkzeug, so dass die Schweißrückstände gezielt behandelt und die Teile gleichzeitig gereinigt werden. Dies macht einen zusätzlichen Reinigungsschritt in einer separaten Anlage überflüssig.
(Bild: Ecoclean)

Elektro- und Hybridfahrzeuge verändern den Fahrzeugbau weit über die Antriebstechnologie hinaus. So ergeben sich beispielsweise durch das Gewicht der Batterie veränderte Anforderungen an die Lastaufnahmefähigkeit der Integralträger. Die Neukonstruktion dieser Achskomponenten führt bei vielen Automobilherstellern auch zu einer Neubetrachtung und -bewertung der Herstellungsprozesse. Dazu zählt der Reinigungsschritt zur Entfernung der beim Schweißprozess entstehenden Verunreinigungen wie Silikatinseln, Zunder und Schmauch, die in der nachfolgenden kathodischen Tauchlackierung (KTL) erhebliche Qualitätsprobleme und in Folge davon Korrosionsschäden verursachen können. Üblicherweise erfolgt die Reinigung durch Strahlen mit einem Festkörpermedium, beispielsweise Korund. Um Staub und Strahlmittelreste auf den Bauteilen vor der KTL zu entfernen, ist ein weiterer Reinigungsschritt in einer separaten Anlage erforderlich.

Diese klassischen Strahlprozesse mit zusätzlicher wässriger Reinigung sind verschleiß- und kostenintensiv. Daher informierte sich der Projektplaner eines renommierten deutschen OEM im Zuge des Aufbaus einer neuen Fertigungslinie für Integralträger auf der Parts-2-clean über Möglichkeiten, diesen Reinigungsprozess zu optimieren. Ziel war einerseits die Schweißnahtreinigung bei gleichem oder besserem Ergebnis kosten- und wartungsärmer sowie ressourcenschonender durchzuführen. Andererseits sollte die Staubbelastung, zu der es im Umfeld der Festkörperstrahlanlagen durch zerplatztes Strahlmittel kam, eliminiert und damit die Arbeitsbedingungen verbessert werden.

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Kosteneffizienz, Nachhaltigkeit und Arbeitsschutz im Fokus

Fündig wurde der Planer mit der Eco-C-Booster-Technologie von Ecoclean. Das patentierte Verfahren basiert auf der Wasserstrahltechnik. Gearbeitet wird dabei im mittleren Druckbereich (300 bis 700 bar) ohne Zusatz von Abrasivmittel. Durch den Einsatz von Ultraschall wird die vorgespannte Wassersäule nach dem Austritt aus der Düse zu einem ultrahochfrequent pulsierenden Wasserstrahl. Er verfügt dadurch über eine deutlich höhere kinetische Energie, die die auf der Oberfläche anhaftenden Silikat- und Schweißperlen sowie Zunder und Schmauch in einem klar definierten Arbeitsfenster zuverlässig und reproduzierbar entfernt. Die Vorschubgeschwindigkeit liegt bei bis zu 800 mm pro Sekunde, wobei mit einem Roboter entweder das Werkstück oder das Düsentool bewegt wird.

Gleichzeitig zur Entfernung der Schweißrückstände findet eine Bauteilreinigung statt, so dass der zusätzliche Reinigungsschritt und die dafür erforderliche Anlage eingespart werden kann. Dies reduziert nicht nur die Investition für die Reinigung spürbar, sondern sorgt durch verringerte Betriebskosten auch für wettbewerbsfähigere Stückkosten. Zur hohen Wirtschaftlichkeit und Ressourceneffizienz des Verfahrens trägt auch die effektive Aufbereitung des mit einem Korrosionsschutzmedium versetzten Prozesswassers bei, das dadurch lange im Kreislauf gefahren werden kann.

Der Wirkbereich des Wasserstrahls lässt sich durch die Düsengeometrie, beispielsweise Flach- und Vollstrahldüsen sowie Lanzen, exakt an die Anwendung anpassen. Dies ermöglicht unter anderem, dass im Gegensatz zu klassischen Festkörperstrahl-Prozessen nicht nur die Außen-, sondern auch die Innenkonturen der Integralträger gezielt bearbeitet werden können.

Gezielte Bearbeitung von Außen- und Innengeometrien

Die exakte Anpassung der Prozessparameter wie Düsengeometrie, Druck und Vorschubgeschwindigkeit wurde mit einem entsprechenden Versuchsaufbau im Monschauer Technikum des Anlagenherstellers ermittelt. Für die Validierung des neuen Wasserstrahlprozesses wurden Integralträger nach der Reinigung in der kathodischen Tauchlackierung beschichtet und anschließend einem längerfristigen Salzsprühnebeltest unterzogen. Das Ergebnis überzeugte: Die Schweißnähte waren nach der Reinigung mit dem pulsierenden Wasserstrahl sauberer als nach dem Festkörperstrahlen und auf der Oberfläche zurückbleibende Verfärbungen aus dem Schweißprozess hatten keinerlei Einfluss auf die Qualität der Lackierung. Die hohen Korrosionsschutzanforderungen werden erfüllt. Punkten konnte die neue Reinigungslösung darüber hinaus unter Kosten-Nutzenaspekten.

Die Umsetzung des erarbeiteten Prozesses in ein vollautomatisiertes Anlagenkonzept erfolgte unter der Vorgabe, dass ein Integralträger innerhalb von 50 Sekunden gestrahlt, gereinigt und getrocknet wird. Um diese Anforderung zu erfüllen, besteht das Reinigungssystem aus drei unabhängig voneinander arbeitenden Strahlmodulen mit integriertem Manipulator, einem Heißlufttrockner, je einem Roboter für die Be- und Entladung sowie einer Badaufbereitungseinheit für das Prozesswasser.

Für die Bearbeitung werden mit mehreren Integralträgern beladene Werkstückkäfige zur Anlage transportiert. Der Beladeroboter der Anlage entnimmt die Teile und platziert sie an den Übernahmestationen der Strahlmodule. Hier übernimmt der Manipulator des jeweiligen Moduls das Teil und bewegt es definiert unter dem Strahlwerkzeug, die Schweißkonturen werden dabei gezielt behandelt. Nach der Reinigung legt der Manipulator den Integralträger auf einem Sauberplatz ab. Von hier aus bringt der Beladeroboter sie zur Trocknung. Am Auslauf des Trockners entnimmt der Entladeroboter den Träger und hängt ihn in das Gestell für die Lackierung ein.

Um den Transportweg zwischen dem Schweiß- und Reinigungsprozess zu eliminieren, lässt sich die Eco-C-Booster-Anlage auch direkt anschließend an die Schweißzelle anbinden. Im Serienbetrieb setzt der Automobilhersteller die neue Reinigungsanlage seit Mitte 2020 ein. Durch die erzielten Optimierungen wird im Unternehmen darüber nachgedacht, die neue Reinigungslösung in weitere Fertigungslinien für die Herstellung von Integralträgern zu integrieren.

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