Auf Anfrage zahlreicher Akteure der Gummi- und Polymer-Spritzgießindustrie hat REP sich mit Laselec, einem in der Laser-Technik spezialisierten Partner, auf eine Zusammenarbeit geeinigt. Ziel der Kooperation war die Entwicklung einer Lasertechnikmaschine, die MLC500, zum Reinigen von in der Industrie zum Einsatz kommenden Teilen, sowie von Spritzgieß- und Kompressionswerkzeugen. Jahrelang kamen Techniken zum Einsatz, die mit der Zeit zu Verbesserungen beigetragen haben. Darunter das Ultraschall-Tauchverfahren, die Reinigung im Strahlverfahren und mobile Laserreingungsgeräte.

Das Ultraschall-Tauchverfahren

Dieses Verfahren ist das meist verbreitete Reinigungsverfahren in verschiedenen Industriebereichen. Mit dieser Technik werden anhaftende Rückstände ohne Beschädigung des Trägerwerkstoffs entfernt. Jedoch ist ein solches Verfahren kostenaufwendig und umweltbelastend. Es kommen chemische Zusatzstoffe (fettabweisende Mittel, Reinigungsmittelkonzentrate, Korrosionsschutzmittel, Desoxidationsmittel, usw.) zum Einsatz. Diese Reinigungsmethode ist sowohl für die Gesundheit der Bediener als auch für die Umwelt schädlich.

Aufgrund dieser Gegebenheiten ist die Ultraschallreinigung ein relativ teures Verfahren. Ultraschallreinigungsverfahren wirken sich darüber hinaus auch wegen des zeitaufwendigen Prozess, der in mehreren Schritten abläuft, nachteilig auf die Produktion am jeweils betroffenen Standort aus: 1. Erzeugung von Hochfrequenzwellen, 2. Schwankungen zwischen Hoch- und Niederdruck, 3. Bildung kleiner Bläschen, auch unter dem Begriff Kavitationsbläschen bekannt, in den Niederdruckphasen und 4. Zusammenbruch dieser Bläschen bei Kontakt mit den eingetauchten Oberflächen während der Hochdruckphasen. Weiterhin müssen bestimmte Werkzeuge auseinandergenommen werden, um deren Reinigung zu ermöglichen. Und nicht zuletzt kann der Reinigungsprozess nur auf abgekühlten Werkzeugen stattfinden. Somit kann die Produktion erst nach Abkühlung, Reinigung und erneutem Aufheizen des Werkzeugs wieder anlaufen. Zudem ist nach der Werkzeugreinigung eine bestimmte Zeit zum Trocknen des Werkzeugs einzuplanen.

Abb. 3a: Rotationsreinigung (Bild: REP)

Abb. 3a: Rotationsreinigung (Bild: REP)

Abb. 3b: Reinigung mit blockiertem Laserkopf (Bild: REP)

Abb. 3b: Reinigung mit blockiertem Laserkopf (Bild: REP)

Abb. 3c: Reinigung entlang eines in nur eine Richtung vorgegebenen Pfads (Bild: REP)

Abb. 3c: Reinigung entlang eines in nur eine Richtung vorgegebenen Pfads (Bild: REP)

Abb. 3d: Reinigung
entlang eines vorge-
gebenen Pfads + 90° (Bild: REP)

Abb. 3d: Reinigung
entlang eines vorge-
gebenen Pfads + 90° (Bild: REP)

Abb. 3e: Reinigung entlang eines vorgegebenen Pfads -90 (Bild: REP)

Abb. 3e: Reinigung entlang eines vorgegebenen Pfads -90 (Bild: REP)

Reinigung im Strahlverfahren

Es gibt unterschiedliche Strahlmittel, die zur Reinigung auf Spritzgießwerkzeuge geschossen werden können: Sandstrahlen, Kunststoffkugeln, Trockeneis, und andere. Bei dieser Methode sind die eigentlichen Reinigungskosten zwar niedrig, jedoch kommen zusätzlich kostenaufwendige Zusatzstoffe, die schwierig zu lagern sind, zum Einsatz. Diese Reinigungstechnik ist zeitaufwendig und kann, wie bei der Ultraschallreinigung, nur auf abgekühlten Werkzeugen erfolgen. Die dazu erforderlichen Ausrüstungen werden manuell bedient, was zu höheren Arbeitskraftkosten führt.

Die jüngste Entwicklung im Bereich der Strahltechnik ist der Einsatz von oberflächenschonendem (nicht-scheuerndem) Trockeneis. Jedoch wird durch den Einsatz von Trockeneis über eine längere Zeit Feuchtigkeit erzeugt, die zur Oxidation der Werkzeuge führen kann. Darüber hinaus ist dieser Prozess sehr laut (über 105 Dezibel) und erfordert somit geeignete Schutzmaßnahmen, wie Gehörschutz.

Mobile Laserreinigungsgeräte

Theoretisch sind diese einfach zu handhaben am Standort, da die Geräte mobil sind. Jedoch sind aufwendige persönliche Schutzausrüstungen (PSA) und Schutz- und Sicherheitseinrichtungen um den zu reinigenden Bereich herum erforderlich. Darüber hinaus stellen diese Geräte für die Bediener und die Personen im Umfeld des Reinigungsbereichs eine erhebliche Gefährdung dar. Diese Geräte werden manuell bedient, was zu höheren Arbeitskraftkosten führt. Bei mobilen Lasergeräten ist eine regelmäßige Abtastkontrolle des Reinigungsbereichs fast unmöglich (veränderbarer Abstand zwischen Lasergerät und Kontaktfläche, längere Wege in bestimmten Bereichen, Auslassen von manchen Bereichen, …).

Abb. 1.: Auftreffpunkt des Laserstrahls (Bild: REP)

Abb. 1.: Auftreffpunkt des Laserstrahls (Bild: REP)

Das Prinzip der Laserreinigung

Bei der Laserreinigung handelt es sich um eine zerstörungsfreie Methode, das heißt, sie wirkt sich nur auf die Schmutzstoffe aus, ohne den Trägerwerkstoff zu beschädigen. Wenn der Laserstrahl auf den zu reinigenden Werkstoff trifft, erzeugt er ein hoch-komprimiertes Plasma, welches sich durch die Erzeugung einer Druckwelle entspannt (Abb. 1). Durch dieses plötzlich erzeugte Expansionsvolumen werden die Schmutzrückstände abgetragen. Durch die kurzen Laserpulse (10 ns) werden thermische Einwirkungen verhindert.
Der Laserstrahl wird von einem beweglichen Rotationskopf und Planspiegeln bereitgestellt, wodurch eine maximale Spiegelung von 1.064 nm erreicht werden kann (Abb. 2). Der Laserkopf bewegt sich entlang zweier Achsen, der X-Achse und der Y-Achse. Der Reinigungskopf kann sich entlang einer 575 mm langen X-Achse und einer 420 mm langen Y-Achse bewegen. Über den Rotationskopf wird der Laserstrahl auf das Werkzeug (Z-Achse) gerichtet. Die Besonderheit des beweglichen Kopfs liegt darin, dass der Laserstrahl mit einem Einfallwinkel von ungefähr 15° um die Z-Achse herum auf das Werkzeug gerichtet werden kann.

Je nach Werkzeugtyp und Verschmutzungsgrad können unterschiedliche Reinigungsmethoden eingesetzt werden. Bei den unterschiedlichen Reinigungsmethoden handelt es sich um (Abb. 3a bis 3e):

Abb. 2: Funktionsprinzip des Laser-Rotationskopfs (Bild: REP)

Abb. 2: Funktionsprinzip des Laser-Rotationskopfs (Bild: REP)

  • Rotationsreinigung: Reinigungsprozess, bei dem sich der Laserstrahl in alle Richtungen bewegt.
  • Reinigung mit blockiertem Laserkopf: Reinigung in nur eine vordefinierte Richtung.
  • Reinigung entlang eines vorgegebenen Laserpfads: Der Laserkopf folgt einem Pfad, der für die Präzisionsreinigung eines Nutbodens ideal ist.
  • Reinigung entlang eines vorgegebenen Laserpfads + 90°: Durch die Laserkopfausrichtung + 90° kann eine Nutseite gründlich gereinigt werden.
  • Reinigung entlang eines vorgegebenen Laserpfads -90°“: Durch die Laserkopfausrichtung -90° kann die zweite Nutseite gründlich gereinigt werden.

Beispiele für die Laserreinigung

Laserreinigung wird zur Reinigung von Gummi- und Gasrückständen, zur Entfernung von Entformungs-/Trennmittelrückständen, sowie zum Entfernen von Korrosionsrückständen auf Werkzeugen eingesetzt, ohne die Oberflächenbeschichtungen der Werkzeuge zu beschädigen. Die für eine zuverlässige und schnelle Reinigung erforderlichen Prozessparameter sind in erster Linie die Reinigungsmethode und anschließend die Laserleistung und Laserbewegungsgeschwindigkeit (Abb. 4a bis 4c).

Werkzeug mit 150 Nestern für Dichtungsringe (Abb. 5a und 5b):

  • Werkzeug 500 x 500 mm, 2 Platten
  • Stahl: C45
  • Art der Rückstände: EPDM-Gummi
  • Reinigungsmethode: Rotationsreinigung
  • Lasergeschwindigkeit: 12 mm/s
  • Laserleistung:13 W
  • Reinigungszeit für beide
  • Werkzeugplatten: 30’

Werkzeug mit 8 Nestern für Metall-/Gummiteile (Abb. 6):

  • Werkzeug 510 x 630 mm
  • Stahl: Edelstahl
  • Art der Rückstände: Gummi- + Trenn­mittelrückstände
  • Reinigungsmethode: Rotationsreinigung
  • Lasergeschwindigkeit: 50 mm/s
  • Laserleistung:13 W
  • Reinigungszeit für die ganze Nestplatte: 11’

Lasertechnik hat den Vorteil einer zuverlässigen, schnellen, sicheren und umweltfreundlichen Lösung für die Werkzeugreinigung bei einem schnellen Ertrag aus dem investierten Kapital. Sie reduziert Betriebskosten, weil keine Verbrauchsgüter und nur ein geringer Arbeitskraftaufwand notwendig sind. Die Produktionsstillstandzeiten sind geringer, weil die Werkzeuge nicht erst abgekühlt und anschließend wieder aufgeheizt werden müssen. Es besteht die Möglichkeit, in bestimmten, stark verschmutzten Bereichen einen kürzeren Zy­klus zu programmieren, wodurch die Reinigungsintervalle für die komplette Werkzeugreinigung in größeren Abständen erfolgen können. Die Installationskosten fallen niedriger aus, weil keine Chemikalien zu handhaben und abzusichern und keine Lärmschutzeinrichtungen erforderlich sind. Die Anlagen sind kompakt und fahrbar und erfordern nur einen geringen Stellfläche.

 

Abb. 4a, 4b, 4c: Beispiele für Laserreinigungen; jeweils oben links vor dem Reinigungsprozess, und unten rechts nach dem Reinigungsprozess (Bild: REP)

Abb. 4a, 4b, 4c: Beispiele für Laserreinigungen; jeweils oben links vor dem Reinigungsprozess, und unten rechts nach dem Reinigungsprozess (Bild: REP)

Abb. 4a, 4b, 4c: Beispiele für Laserreinigungen; jeweils oben links vor dem Reinigungsprozess, und unten rechts nach dem Reinigungsprozess (Bild: REP)

Abb. 4a, 4b, 4c: Beispiele für Laserreinigungen; jeweils oben links vor dem Reinigungsprozess, und unten rechts nach dem Reinigungsprozess (Bild: REP)

Abb. 4a, 4b, 4c: Beispiele für Laserreinigungen; jeweils oben links vor dem Reinigungsprozess, und unten rechts nach dem Reinigungsprozess (Bild: REP)

Abb. 4a, 4b, 4c: Beispiele für Laserreinigungen; jeweils oben links vor dem Reinigungsprozess, und unten rechts nach dem Reinigungsprozess (Bild: REP)

Technik im Detail

Eigenschaften der MLC500 Maschine

  • Sicherheitsklasse 1, Lasereinrichtung in einem geschlossenen Gehäuse, keine
  • chemischen Zusatzmittel, keine Gefahr durch austretende Laserstrahlung,
  • Möglichkeit in aller Sicherheit ganz in der Nähe der Maschine zu arbeiten
  • Vorprogrammierung des Laserpfads über DXF-Datei (CAD-Zeichnungen)
  • Bedienerbildschirm 12.1“
  • Stromleistung: Spannung/Frequenz  je nach Land, 20 A
  • Übereinstimmung mit den EU und FDA Normen
  • Maximale Werkzeugabmessungen:
    690 x 505 x 150 mm
    (L x B x H)/27.16“ x 19.88“ x 5.90“
  • Maximal mögliche Reinigungsfläche: 575 x 410 mm / 22.63“ x 16.14“
  • Maximales Werkzeuggewicht:
    180 kg/396 lbs
  • Fahrbare auf Rädern montierte Maschine
  • Optionale Kühleinrichtung

 

 

    Abb. 5a und 5b: Reinigung eines Spritzgießwerkzeugs für Dichtungsringe (Bild: REP)
Abb. 5a und 5b: Reinigung eines Spritzgießwerkzeugs für Dichtungsringe (Bild: REP)

Abb. 5a und 5b: Reinigung eines Spritzgießwerkzeugs für Dichtungsringe (Bild: REP)

Abb. 6: Beispiel für eine Laserreinigung –
je eine Nesthälfte gereinigt und ungereinigt. (Bild: REP)

Abb. 6: Beispiel für eine Laserreinigung –
je eine Nesthälfte gereinigt und ungereinigt. (Bild: REP)

Über den Autor

Matthieu Wolff

Process Manager
REP international
mwolff@repinjection.com