Die Trockeneisreinigung hat sich inzwischen in vielen Bereichen der Kunststoffverarbeitung etabliert. Im Verpackungsbereich beispielsweise verkürzte ein Unternehmen die erforderliche Zeit für die Reinigung von Spritzgießwerkzeugen für PET-Vorfomlinge mit 72 Kavitäten von rund drei Stunden auf weniger als 45 Minuten. (Bildquelle: Cold Jet)

Die Trockeneisreinigung hat sich inzwischen in vielen Bereichen der Kunststoffverarbeitung etabliert. Im Verpackungsbereich beispielsweise verkürzte ein Unternehmen die erforderliche Zeit für die Reinigung von Spritzgießwerkzeugen für PET-Vorfomlinge mit 72 Kavitäten von rund drei Stunden auf weniger als 45 Minuten. (Bildquelle: Cold Jet)

Für kunststoffverarbeitende Betriebe kommt es heute mehr denn je darauf an, Kosten zu senken sowie die Produktivität und Bauteilqualität zu erhöhen. In der Reinigung von Formen und Werkzeugen, beispielsweise für das Spritzgießen und Extrudieren, steckt dafür ein enormes Potenzial. Allerdings erfolgt sie häufig noch mittels traditioneller Methoden, die Chemikalien und mechanische Hilfsmittel wie Bürsten oder Schleifpapier beinhalten. Dieses Vorgehen erfordert einerseits, dass die Werkzeuge zeitaufwendig abkühlen, aus der Maschine ausgebaut, zerlegt, gereinigt und wieder zusammengebaut werden. Üblicherweise sind damit mehrere Mitarbeiter über viele Stunden beschäftigt. Hinzu kommt der Produktionsausfall durch den Maschinenstillstand. Andererseits entsteht durch die eingesetzten Chemikalien oft ein hoher Aufwand für Arbeitsschutz und Entsorgung. Nicht zuletzt verursachen abrasive Hilfsmittel einen verstärkten Verschleiß an Werkzeugen und Formen, in dem enge Toleranzen einfach abgeschmirgelt werden. Diese Nachteile und Einschränkungen führen dazu, dass Anwender die Reinigung möglichst lange hinausschieben – was wiederum zu Lasten der Bauteilqualität geht.

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Beim Strahlen mit Trockeneis wird das Kohlendioxid mit Druckluft beschleunigt und auf die Oberfläche der zu reinigenden Werkzeuge und Formen aufgebracht. Die Reinigungswirkung basiert auf einer Kombination aus drei Effekten: Der Kinetische, Temperaturschock- und Thermokinetische Effekt. (Bildquelle: Cold Jet)

Werkzeuge schneller reinigen

Dies lässt sich durch den Einsatz der inzwischen in der Kunststoffverarbeitung bewährten, nicht-abrasiven und umweltgerechten Trockeneisreinigungssysteme von Cold Jet, Weinsheim, vermeiden. Sie ermöglichen es, Werkzeuge und Formen im eingebauten Zustand bei Betriebstemperatur zu reinigen. Es werden dabei nicht nur bessere Reinigungsergebnisse erzielt, sondern auch die erforderliche Zeit um durchschnittlich 75 Prozent reduziert. Um diesen Wert steigen die Maschinenverfügbarkeit und damit die Produktivität. Gleichzeitig kommt es durch den effektiven, aber schonenden Reinigungsprozess zu keinem Materialabtrag, wodurch sich die Lebensdauer der Formen verlängert. Die Trockeneisreinigung wird für Werkzeuge und Formen aus allen üblichen Materialien wie Werkzeugstähle, legierte Stähle, Edelstähle, Aluminium und Messinglegierungen erfolgreich eingesetzt, ebenso wie bei Hochglanz polierten Oberflächen. Empfindliche Substrate wie verchromte, vernickelte und mit keramischen Beschichtungen überzogene Werkstoffe können ebenfalls beschädigungsfrei gereinigt werden. Untersuchungen mit aus Edelstahl (440C) gefertigten Formen belegen, dass die Trockeneisreinigung weder die Kanten von Formen beeinträchtigt noch die Struktur des Stahls verändert.

Trockenes und rückstandsfreies Reinigen

Beim Strahlen mit Trockeneis wird das Kohlendioxid mit Druckluft beschleunigt und auf die Oberfläche der zu reinigenden Werkzeuge und Formen aufgebracht. Die Reinigungswirkung basiert auf einer Kombination aus drei Effekten:

  • Kinetischer Effekt: Der kinetische Effekt, der durch das Trockeneis auf die Oberfläche übertragen wird, ist größtenteils verantwortlich für die Reinigungswirkung. Die Geschwindigkeit, mit dem die Trockeneispartikel auftreffen, ist dabei ein wichtiger Parameter. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Strahlmitteln geringen Härte (1,5 bis 2 Mohs) werden sie auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Faktoren wie Strahldüse, zusätzliche Eispartikel und Druckluft beeinflussen die Reinigungswirkung ebenfalls.
  • Temperaturschock-Effekt: Der thermische Effekt entsteht durch die kalten Trockeneispartikel. Beim Auftreffen des rund -78,5 °C kalten Strahlmittels kühlt die Schmutzschicht schockartig ab. Dies führt zu einer Versprödung und Rissbildung in deren Oberfläche, sodass sich die Bindung zwischen Substrat und Verschmutzung löst. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Formenwerkstoff und Verunreinigung begünstigen diesen Wirkmechanismus.
  • Thermokinetischer Effekt: Ein weiteres Merkmal von Trockeneis ist, dass es unter Umgebungsbedingungen sublimiert – also von der festen direkt in die gasförmige Phase übergeht. Durch die Ableitung der Aufprallenergie und die extrem schnelle Wärmeübertragung zwischen Trockeneis und Oberfläche sublimiert das feste CO2 sofort. Das Gas dehnt sich dabei innerhalb weniger Millisekunden auf das bis zu 800-fache Volumen des Eispartikels aus. Dies erzeugt am Aufprallpunkt eine Art Mikroexplosion, die sich durch die fehlende Rückprallenergie der Trockeneispartikel über die Oberfläche verteilt. Es entsteht eine Explosionswelle mit sehr effizienter Hebekraft, die die Partikel von der Oberfläche wegträgt. Es bleiben daher auch nur die abgelösten Verunreinigungen, aber keine Strahlmittelrückstände zurück. Außerdem ist es eine trockene Art zu reinigen, aufgrund der spezifischen Eigenschaften des Strahlmittels.
Typischerweise kommen in der Kunststoffindustrie die kompakten, elektrischen Einschlauch-Niederdruck-Strahlsysteme i³ MicroClean mit patentierter Mikropartikel-Abschabe-Technologie für Trockeneisblöcke zum Einsatz. Sie erzeugt kleine, geruchsneutrale Mikropartikel, die im Vergleich zu herkömmlichen Trockeneispellets einen feineren Reinigungsstrahl bilden. (Bildquelle: Cold Jet)

Typischerweise kommen in der Kunststoffindustrie die kompakten, elektrischen Einschlauch-Niederdruck-Strahlsysteme i³ Microclean mit patentierter Mikropartikel-Abschabe-Technologie für Trockeneisblöcke zum Einsatz. Sie erzeugt kleine, geruchsneutrale Mikropartikel, die im Vergleich zu herkömmlichen Trockeneispellets einen feineren Reinigungsstrahl bilden. (Bildquelle: Cold Jet)

Trockeneisreinigungssystem richtig auswählen

Üblich für das umweltneutrale Reinigungsstrahlen ist Trockeneis in Form von Blöcken, Scheiben, Nuggets und Pellets. Typischerweise kommen in der Kunststoffindustrie die kompakten, elektrischen Einschlauch-Niederdruck-Strahlsysteme i³ MicroClean mit patentierter Mikropartikel-Abschabe-Technologie für Trockeneisblöcke zum Einsatz. Sie erzeugt kleine, geruchsneutrale Mikropartikel, die im Vergleich zu herkömmlichen Trockeneispellets einen feineren Reinigungsstrahl bilden. Dieser kann auch in sehr filigrane Konturen sowie Kavitäten eindringen und sorgt für eine wirkungsvolle, aber schonende Behandlung – auch von empfindlichen Oberflächen. Strahldruck und Eismenge lassen sich an die jeweilige Oberfläche und den Verschmutzungsgrad anpassen. Dies sorgt für einen wirtschaftlichen Einsatz von Trockeneis und Druckluft. Durch die gegenüber Eispellets geringere Größe ist weniger Druckluft nötig, um die Partikel zu beschleunigen. Die Geräuschentwicklung ist ebenfalls geringer. Die Geräte sitzen üblicherweise auf einem fahrbaren Transportwagen, der auch einer Eisbox Platz bietet. Bei den ebenfalls fahrbaren Geräten der Industrial- und Performance-Serie kommen zirka 3 mm große Eispellets mit hoher Dichte als Reinigungsmedium zum Einsatz.

Das Düsenangebot trägt ebenfalls zur hohen Effizienz der Reinigungssysteme bei. Breitstrahldüsen mit unterschiedlichen Strahlbreiten ermöglichen das schnelle Reinigen von flächige Werkzeug- und Formenbereichen: So lassen sich kleine Areale sowie punktuelle und hartnäckige Verunreinigungen mit Rundstrahldüsen zuverlässig entfernen. Um Verschmutzungen aus Hinterschneidungen, Ecken und Kanten sowie anderen schwer zugänglichen Bereichen zu erreichen, stehen Strahldüsen mit einem um 45 und 90 Grad gekrümmten Kopf zur Verfügung. Sie können durch ein Drehgelenk um 360 Grad gedreht werden.

Für den Einsatz mit Geräten der Performance-Serie wurden die sogenannten Mern-Düsen entwickelt. Über einen kleinen Hebel an der Strahldüse kann die Größe der Pellets von normaler über mittlere, feiner bis zu extrafeiner Fragmentierung eingestellt werden. Dadurch lassen sich mit einer Düse hartnäckige Verschmutzungen aggressiv und sensible Bereiche schonend reinigen.

Die Trockeneis-Strahlgeräte sitzen üblicherweise auf einem fahrbaren Transportwagen. (Bildquelle: Cold Jet)

Die Trockeneis-Strahlgeräte sitzen üblicherweise auf einem fahrbaren Transportwagen. (Bildquelle: Cold Jet)

Praxisbeispiele aus der Kunststoffverarbeitung

Die Trockeneisreinigung hat sich inzwischen in vielen Bereichen der Kunststoffverarbeitung etabliert. Im Verpackungsbereich beispielsweise verkürzte ein Unternehmen die erforderliche Zeit für die Reinigung von Spritzgießwerkzeugen für PET-Vorformlinge mit 72 Kavitäten von rund drei Stunden auf weniger als 45 Minuten, was zu einer deutlichen Produktivitätssteigerung führt. Außerdem erreicht das Unternehmen mit der Trockeneisreinigung Werkzeugbereiche, die es mit der zuvor eingesetzten klassischen Methode nicht erreichte.

Einem Spritzgießbetrieb, der Interieurteile für die Automobilindustrie fertigt, gelang es durch den Einsatz der Trockeneisreinigung, die Ausschussquote deutlich zu senken und den vom Kunden geforderten Glanzgrad einzuhalten. Das Trockeneis ersetzt Chemikalien und Drahtbürsten. Die Reinigung schlecht erreichbarer Formenbereiche ist schneller und effektiver geworden und es wird Zeit gespart. Nicht zuletzt konnte der Gesundheits- und Arbeitsschutz der Mitarbeiter erhöht werden. Ein amerikanischer Automobilhersteller reinigte die Formen für Sitze alle zwei Wochen. Dafür erhöhte er die Temperatur des Ofens bis in den unsicheren Bereich, um so überschüssiges Wachs abzuschmelzen, das sich in den Formen angesammelt hatte. Die direkt auf diesen Reinigungsprozess entfallenden Arbeitskosten summierten sich auf rund 135.000 US-Dollar (122.000 EUR). Dieser Betrag verringerte sich um nahezu 70 Prozent durch die Trockeneisreinigung.

Bei einem Hersteller von Hahnenbänken für die Medizintechnik erfolgte die Reinigung der Formen, in dem sie zerlegt, die Einzelteile in einen Ofenreinger eingeweicht und die Verschmutzungen anschließend abgescheuert wurden. Auch hier ermöglichte die Trockeneisreinigung signifikante Zeit- und Kosteneinsparungen.

Ein Spritzgießbetrieb, der Thermoplaste und Flüssigsilikone verarbeitet, reduzierte die Reinigungszeit durch ein Trockeneissystem von Cold Jet um 75 Prozent und die Anzahl der dafür erforderlichen Mitarbeiter um 60 Prozent. Ähnliche Ergebnisse erzielte ein Unternehmen, das Gummiteile herstellt. Hier sank die Reinigungszeit von sechs bis acht Stunden auf 30 bis 60 Minuten. Da die Trockeneisreinigung der Formen im Werkzeug bei Betriebstemperatur durchgeführt werden kann, verhindert sie unnötige Maschinenstillstände und verlängert Produktionslaufzeiten.

In der Blasfolienherstellung werden dem Kunststoffgranulat häufig Gleitmittel zur Durchsatzerhöhung beigemischt. Diese Additive gasen jedoch aus und hinterlassen eine wachsähnliche Substanz auf allen Anlagenteilen, mit denen das Produkt in Kontakt kommt. Die Reinigung des Werkzeugs (Flachlegevorrichtung und Kalibrierkorb) zählt zu den in diesem Bereich üblichen Anwendungen von Trockeneis.

Trockeneisreinigungssysteme kommen in der Extrusion ebenfalls häufig zum Einsatz. Hier werden insbesondere die Prägewalzen mit Trockeneis gereinigt.

Über den Autor

Steve Wilson

ist Director Global Business Development – Plastics, Rubber & Composites bei Cold Jet in Loveland, Ohio, USA.