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Trockeneis-Laserstrahl-Hybridprozess

Das Trockeneis-Laserstrahl-Verfahren ermöglicht den flexiblen Einsatz zum Bearbeiten von Oberflächen. Ein Abtrag von organischen Beschichtungen ist ebenso ein Einsatzgebiet des Verfahrens, wie auch das Reinigen von Oberflächen und der Abtrag von Lagen massiver Materialien, wie z.B. Beton. Beim Rückbau kerntechnischer Anlagen müssen häufig große Flächen dekontaminiert oder abgetragen werden. Die Auswahl des geeigneten Verfahrens bestimmt dabei maßgeblich die Folgekosten für die Entsorgung des entfernten Materials. Beim Trockeneis-Laserstrahl-Verfahren fällt kein zusätzlicher Feststoff an, dessen Entsorgung kostenintensiv sein kann, da als Strahlmedium festes Kohlendioxid (Trockeneis) bei einer Temperatur von –78,5°C verwendet wird. Das Strahlmedium geht während des Prozesses in die gasförmige Phase über und kann über ein Absaug- und Filtersystem gefiltert und an die Umgebungsluft abgegeben werden.

Abtragmechanismen

Das Trockeneis wird aus Trockeneisschnee in Form von Pellets mit einem Durchmesser von ca. 3mm bei Längen zwischen 3 und 10 mm gepresst, in einen Druckluftstrahl über eine Zellradschleuse eingebracht und in der Strahldüse auf Geschwindigkeiten von 250-350 m/s beschleunigt. Wie bei den meisten Strahlverfahren hat die kinetische Energie des Strahlmediums einen sehr großen Einfluss auf die Abtragleistung (Bild 1 links). Da Trockeneis jedoch vergleichsweise weich ist, die Härte entspricht etwa der von Gips, wirkt es kaum abrasiv. Es wirken vielmehr zusätzlich thermische Mechanismen. Die sehr kalten Pellets treffen auf der Bauteiloberfläche auf und kühlen eine sehr dünne Schicht sehr schnell ab. Auf Grund der daraus resultierenden Temperaturdifferenzen zwischen der Bauteiloberfläche und den darunter liegenden Schichten entstehen thermische Spannungen, die zu einer Rissbildung bzw. zu Risswachstum führen können. Vor allem bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Substrat und Schicht führt die schnelle Abkühlung zu vermehrter Rissbildung an der Verbindungsstelle. Aber auch in massiven Materialien mit mittleren und niedrigen Wärmeleitungskoeffizienten werden thermische Spannungen induziert.

Abtragmechanismen beim Trockeneisstrahlen
Verstärkung der thermischen Spannungen durch Laserstrahlerwärmung

Ein weiterer Wirkmechanismus ist auf die materialspezifischen Eigenschaften von festem Kohlendioxid zurückzuführen. Beim Aufprall der Pellets auf dem Bauteil geht ein Teil des Trockeneis direkt in die gasförmige Phase über und erfährt dabei eine Volumenvergrößerung um den Faktor 700. Im Bereich dieser schlagartigen Sublimationen wirken hohe Druckgradienten. Auf Grund der hohen Pelletgeschwindigkeit ist die Kontaktzeit mit der Bauteiloberfläche jedoch sehr kurz und somit auch die Zeit für die zur Sublimation notwendigen Energieübertragung, so dass nur ein Teil des Trockeneis direkt während des Stoßvorganges sublimiert.

Durch zusätzliche Erwärmung der Bauteiloberfläche können die Temperaturdifferenzen zwischen Pellet und Oberfläche und damit auch die thermischen Spannungen gesteigert werden. Diese zusätzliche Erwärmung um einige 100K wird am Institut für Werkstoffkunde der Universität Hannover mit einem Hochleistungsdiodenlaser erreicht (Bild 1 rechts).

Die Lasertechnik bietet dabei die Möglichkeit, Wärmequelle und Trockeneisstrahl in einem Bereich auf der Oberfläche als Hybridprozess wirken zu lassen, wobei das resultierende Temperaturniveau spezifisch an das jeweilige Material angepasst werden kann, um ein Verdampfen und die damit verbundene Aerosolbildung zu verhindern. Da der Transmissionskoeffizient von Kohlendioxid im Bereich der Wellenlänge des Diodenlasers hoch ist, sind dabei die Verluste durch vorzeitiges sublimieren der Trockeneispartikel auf dem Weg zur Bauteiloberfläche sehr gering. Durch eine anlagenspezifisch variierende Trockeneisförderung schwankt auch die Oberflächentemperatur des Bauteils mit einer Frequenz von einigen Hertz. Die zusätzliche Erwärmung durch den Laser erhöht damit neben dem Temperaturniveau auch die Amplitude der Temperaturschwankungen auf bis zu 100 K. Dadurch wird das abzutragende Material zum einen durch die erhöhten Temperaturen und zum anderen durch stärkere Temperaturschwankungen thermisch belastet und geschwächt.

Anlagentechnik

Am Institut für Werkstoffkunde wird eine Trockeneisstrahlanlage der Firma CryoClean eingesetzt. Die Anlage vom Typ CryoMax+ kann mit einem Strahldruck von 0,1 bis 1,6 MPa betrieben werden. Als Strahldüsen stehen Rund- und Flachstrahldüsen zur Verfügung. Die maximal erreichbare Abtragbreite beträgt 160 mm. Der Kompressor für die Druckluftversorgung liefert bei einem maximalen Druck von 2,0 MPa einen Volumenstrom von 12 m³/min.

Als Laser wird ein Hochleistungsdiodenlaser der Firma Laserline mit einer maximalen Leistung von 1,9 kW (cw) verwendet. Als Laseroptik wird in Kombination mit Runddüsen und schmalen Flachstrahldüsen eine mit einem Außendurchmesser von nur 44 mm sehr kleine Laseroptik mit rundem Brennfleck verwendet. Für breite Flachstrahldüsen wird eine spezielle Laseroptik mit ellipsoider Brennfleckgeometrie eingesetzt.

Handhabung

Das Verfahren kann sehr flexibel sowohl mechanisiert als auch handgeführt eingesetzt werden. Als maschinelle Handhabungssysteme wurden neben einem 3-Achs-Linear-Führungssystem und einem 6-Achs-Industrieroboter in der Erprobung in Karlsruhe auch ein flexibles Handlingsystem der Firma SINA eingesetzt. Das modular aufgebaute System eignet sich für die Handhabung zum Abtragen und Entschichten von Wänden und Decken.

Abtragen von organischen Beschichtungen

Abtragen von organischen Beschichtungen, wie z.B. Dekontaminationslacken ist vielfach auch mit dem reinen Trockeneisstrahl möglich. Jedoch lässt sich durch zusätzliche Laserstrahlerwärmung gerade bei Lacken und Kunststoffbeschichtungen eine deutliche Steigerung der Abtragleistung erreichen. Aber auch Beschichtungen, wie z.B. Pulverbeschichtungen, die mit dem reinen Trockeneisstrahl nicht abgetragen werden können, sind abtragbar. Da das Trockeneis-Laserstrahl-Verfahren bislang auf Runddüsen beschränkt war, konnten größere Flächen von Lackbeschichtungen nur unter erhöhten Anforderungen an das Führungssystem abgetragen werden, da bei schmalen Abtragbreiten eine sehr genaue Überlappung der Abtragspuren erforderlich ist. Durch Einsatz des Systems aus Flachdüse und ellipsoidem Laserbrennfleck wurde die maximale Abtragbreite des Hybridprozesses bei Lackschichten auf 90 mm gesteigert. Mit Flächenabtragleistungen von mehr als 5m²/h ist das Verfahren nunmehr auch für das Entschichten von Wänden, Decken und Böden mittlerer Größe geeignet. Ein Abtrag ist dabei sowohl von metallischen Substraten (Bild 2) als auch von mineralischen oder keramischen wie Beton (Bild 2a) und Kacheln möglich.

Abtragen von Lacken
a) Dekontaminationslack auf Beton, Abtragleistung: >5m²/h
b) 3-Schicht-Lacksystem auf Aluminium

Abtragen von Beton

Beim Abtragen von Beton muss der Strahlkopf und damit die Düsengeometrie dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Es kann entweder ein schmaler tiefer Abtrag durch Verwendung von Runddüsen oder ein breiter, flacher Abtrag durch Flachstrahldüsen erreicht werden. Runddüsen sind für einen flächigen Abtrag von Beton auch deswegen nur eingeschränkt geeignet, da neben der schmalen Abtragbreite auch die Geometrie der entstehenden Fuge mit runden Abtragkanten eine starke Überlappung der Abtragspuren erfordert. Die Zuschlagstoffe werden bei der Bearbeitung mit dem Trockeneisstrahl kaum geschädigt. Beim Abtragen werden diese vielmehr ausgegraben, indem der umgebende Zement entfernt wird. Aus diesem Grund ergeben sich in den Fugen je nach Körnung der Zuschlagstoffe unterschiedliche Abtragtiefen (Bild 3).

Abtragen von Beton mit Flachstrahldüse und ellipsoider Laseroptik, CryoClean CryoMax +
a) v = 600mm/min

b) v = 60mm/min

c) v = 30mm/s

d) v = 90mm/s

 

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Thomas Hassel