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parts2clean, 24. - 26. Oktober 2017
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Reinigungsanlagen & Reinigungsmedien

Industrielle Reinigung von kapillaren Strukturen

Zyklische Nukleation kann mehr.
Industrielle Reinigungsverfahren existieren zahlreich: neben den reinen nasschemischen Varianten werden häufig waschmechanische Prozesse, wie beispielsweise Spritz- und Druckumfluten im Nieder-/Hochdruck sowie Ultraschall eingesetzt.

23.10.2017

Auch der Faktor Temperatur kann unterstützend oder ergänzend wirken. Weitestgehend unbekannt ist jedoch die Zyklische Nukleation. Diese hat in speziellen Anwendungsgebieten mehr als die herkömmlichen Methoden zu bieten und eignet sich unter anderem aufgrund ihrer gravitätischen Eigenschaften im Besonderen für Feinstreinigungsaufgaben sowie für die Bearbeitung kapillarer Strukturen.

Herkunft und Wirkprinzip

Die Zyklische Nukleation kam bisher vor allem bei der Reinigung komplexer Geometrien in der Halbleiterindustrie sowie Medizintechnik zum Einsatz. Verschiedene internationale Patente beschreiben die Grundprinzipien, welche fortwährend über weitere Patentanmeldungen verfeinert wurden. Neben den Unterdruck-Verfahren haben sich auch Varianten entwickelt, die mit Druckschwankungen unter dem atmosphärischen bis hin zum Überdruck arbeiten. Dadurch wird eine Blasenbildung auf der gesamten Oberfläche des zu reinigenden Substrates erzeugt. In Folge entsteht ein Medienfluss/-austausch in allen – gerade auch kapillaren – Bereichen des Bauteils. Die durch Unterdruck entstandenen Gasblasen arbeiten kontinuierlich und sorgen dafür, dass Partikel und Verschmutzungen an schlecht zugängigen Stellen gelöst und aus dem unmittelbaren Bereich des Bauteils transportiert werden (s. Bild 1). Das Platzen/Implodieren der Gasblasen führt zu einem kavitätischen Effekt unmittelbar auf der Oberfläche (s. Bild 2). Prinzipiell handelt es sich hierbei um denselben Moment, wie bei den bekannten Ultraschallprozessen. Die kavitätische Wirkung ist jedoch tendenziell schwächer, punktet jedoch in anderer Form: Der Kavitationseffekt der Zyklischen Nukleation kommt auch zwischen der Verunreinigung und dem Substrat zur Entfaltung – und dies auf der gesamten Bauteiloberfläche (s. Bild 2). Voraussetzungen für die Wirksamkeit des Verfahrens stellen unter anderem die Materialbeschaffenheit und –struktur sowie Temperatur des Substrats in Relation zur Medientemperatur dar. Metalle sind durch ihre Oberflächenstruktur und Fähigkeit der Temperaturaufnahme uneingeschränkt geeignet. Isolatoren, wie beispielsweise Kunststoffe, nur unter bestimmten Voraussetzungen (z. B. bei Verwendung kohlenstoffhaltiger Kunststoffe).

Einsatzmöglichkeiten

Medizintechnik

Die wachsende Sorge vor Infektionen in Krankenhäusern führt dazu, dass die hochwertige Reinigung von wiederverwendbaren medizinischen Produkten nach dem Gebrauch neben der Sterilisation zunehmend an Wichtigkeit gewinnt. Im Klinikalltag verwendete Geräte sind in der Regel mit Blut- und Geweberückständen belastet. Diese müssen von der Oberfläche gelöst werden, um die Voraussetzungen für den nachfolgenden Sterilisationsprozess zu schaffen.

Zusätzlich sind bei der Zwischen- und Endreinigung im Herstellungsprozess neben den organischen und ggf. toxischen Verunreinigungen auch anorganische Fertigungsrückstände zu beseitigen, die ebenfalls die Funktion des Bauteils an sich beeinflussen können. Die Praxis zeigt, dass Produkt-Reinheitsstandards schon in der Herstellung oft nur mit sehr hohem Aufwand zu realisieren sind: die gezielte Beseitigung der Kontamination, vor allem bei komplizierten Bauteilen mit spezieller Oberfläche, ist mit den bekannten Verfahren allein, etwa im teilmontierten Zustand, nicht mehr prozesssicher möglich. Die gängigen Methoden (z. B. Ultraschall) erreichen zwar die außenliegenden Oberflächen sehr gut – die verdeckten, kapillaren Strukturen (wie bei medizinischen Bestecken oder Kanülen) aber nur begrenzt. Hier kann mittels Zyklischer Nukleation ein deutlich besseres Ergebnis erzielt werden.

Beispiele:

1. Innenreinigung von PDA-Kanülen nach dem Fertigungsprozess

Verschmutzung: Bearbeitungs-, Schleif-, Polierrückstände
Kapillare: Innendurchmesser 0,5 mm
Länge 150 mm

Bei der Produktion von Kanülen jeglicher Art kommt es bei Fügestellen sowie an den Enden der Bauteile zu Verunreinigungen durch Schleif- und Polierprozesse. Dies kann zu partikulären als auch filmischen Kontaminationen führen. Diese Verunreinigungen müssen für die eigentliche Funktion/den eigentlichen Einsatzbereich sowie für ggf. notwendige Folgeprozesse (z. B. Beschichtungsverfahren) beseitigt werden. Die Zyklische Nukleation ist durch ihre beschriebenen Eigenschaften in der Lage, sowohl den Medienaustausch innerhalb der kapillaren Struktur sicherstellen und aufgrund der kavitativen Eigenschaften den Reinigungsprozess an sich aktiv zu unterstützen. (s. Bild 4).

2. Reinigung von kapillaren Strukturen (z. B. Operationsbestecke)

Verschmutzung: Gewebe-/ Blutrückstände auf der Oberfläche und in den kapillaren Strukturen
Kapillare: Innendurchmesser 0,1 mm/0,2 mm

Versuchsaufbau: Realblutprobe zwischen metallischer Trägerplatte und Plexiglasscheibe. Durch Metallplättchen (0,1 bzw. 0,2 mm Stärke) wurde eine kapillare Struktur erzeugt, wie sie etwa auch bei Scheren oder Klemmen gegeben ist (s. Bild 5). Nach dem Reinigungsversuch im Unterdruck konnten die Blutrückstände zwischen den Platten rückstandslos entfernt werden.

Allgemeine Industrie

Bestimmte Verschmutzungen, wie etwa nach Bearbeitungs-/ Schleifprozessen oder nach Gebrauch des Bauteils (Fette, Öle, Abriebe), werden in der Regel über nasschemische Reinigungsverfahren in Verbindung mit Ultraschall beseitigt. Problematisch stellen sich allerdings jene Bereiche des Werkstücks dar, die der Ultraschall nicht erreicht (Bohrungen, verdeckte Partien). Hier greift die Zyklische Nukleation und ermöglicht Reinigungseffekte, die mit den klassischen Varianten häufig nicht möglich sind. In Versuchen wurde beispielsweise eine gebrauchte LKW-Ventilbaugruppe mittels Zyklischer Nukleation und eines geeigneten wässrigen Tensidprodukts gereinigt (s. Bild 6). Gerade in jenen Bereichen, die durch Ultraschall nicht beaufschlagbar waren, konnten deutlich bessere Ergebnisse als mit den bekannten Alternativen erzielt werden.

Chancen und Grenzen

Das Verfahren hat bereits in vielen Anwendungsfällen der Halbleiterindustrie, der optischen Industrie und auch Medizintechnik seine Eignung erfolgreich unter Beweis gestellt. In vielen Bereichen der Feinstreinigung lassen sich durch die Zyklische Nukleation im Vergleich zu den klassischen Methoden deutlich bessere Ergebnisse erzielen. Zahlreiche Anwendungsbeispiele haben dies belegt. Auch die Vorversuche für die Eignung von Reinigungsaufgaben in der allgemeinen Industrie zeigen ein großes Potenzial auf. Bei stärkeren Verschmutzungen kann die Zyklische Nukleation ergänzend oder auch gleichzeitig mit den anderen waschmechanischen Verfahren die Reinigungsleistung deutlich verbessern. Gerade in den schwer erreichbaren Partien. Letztendlich erfordert jedoch jede Aufgabenstellung die Durchführung realitätsnaher Versuche zur Überprüfung der grundsätzlichen Prozesseignung.

FB 1 Austragfähigkeit

1. Die Effekte der Blasenbildung

FB 1 Kavitation

2. Blasenbildung und Kavitation

FB 2 CNp

3. Die Zyklische Nukleation entfaltet ihre Wirkung teilweise auch unter der Verschmutzung und in verdeckten Partien des Bauteils unmittelbar auf der Bauteiloberfläche

FB 1PDA nadel vorher nachher

4. Innenreinigung von PDA-Nadeln (vorher/nachher)

FB 1Realblutversuch kapillar

5. Beseitigung von Realblutproben zwischen zwei Flächen (vorher/nachher)

FB 1Ventilgruppe vorher nachher

6. LKW-Ventilgruppe vor der Überholung (vorher/ nachher)

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