Trockeneisstrahlen oder Laser: Welche Rückstände passen zu welchem Verfahren?

Trockeneisstrahlen kann bei Fett, Ruß, Staub und bestimmten Produktionsrückständen sehr interessant sein. Laserbasierter Abtrag spielt seine Stärken insbesondere dann aus, wenn fest gebundene Oberflächenschichten wie Oxide oder Beschichtungen gezielt bearbeitet werden sollen.

Für eine sinnvolle Auswahl sollte deshalb zuerst der Rückstand analysiert werden – und erst danach die Maschine.

Warum „trocken“ noch keine Verfahrensentscheidung ist

Sowohl CO₂-basierte Verfahren als auch Laserprozesse werden häufig unter dem Begriff trockene Reinigung zusammengefasst.

Das beschreibt lediglich, dass kein klassischer wässriger Reinigungsprozess eingesetzt wird.

Über den eigentlichen Wirkmechanismus sagt es wenig aus.

Fraunhofer IPA nennt im Bereich industrieller Bauteilreinigung mehrere etablierte Technologien nebeneinander: wässrige und lösemittelbasierte Reinigung, Trockeneis, CO₂-Schnee, Plasma und Laser.

Das zeigt bereits:

Die Technologien sind keine verschiedenen Produktnamen für denselben Prozess.

Sie bilden unterschiedliche Aufgaben ab.

Deshalb sollte die Verfahrenswahl nicht mit der Frage beginnen:

„Wollen wir trocken reinigen?“

Sondern:

„Welche Art von Rückstand befindet sich auf welcher Oberfläche?“

Welche Aufgaben Trockeneisstrahlen gut abbildet

Beim Trockeneisstrahlen werden feste CO₂-Partikel beziehungsweise Pellets mit einem Gasstrom auf die zu bearbeitende Oberfläche gebracht.

Fraunhofer IPA beschreibt das Verfahren beispielsweise für Verschmutzungen wie Fett, Ruß und Staub.

Das CO₂ geht anschließend vom festen in den gasförmigen Zustand über.

Dadurch entsteht kein verbleibendes Trockeneis-Strahlmittel, das anschließend eingesammelt werden müsste.

Das ist ein wichtiger Unterschied zu klassischen abrasiven Strahlmedien.

Trockeneisstrahlen kann besonders dann interessant sein, wenn Verschmutzungen von einer Oberfläche gelöst werden sollen, das eingesetzte Medium selbst aber keine festen Rückstände hinterlassen soll.

Typische Fragestellungen sind:

• Fett auf Produktionsmitteln
• Ruß
• Staub
• bestimmte Trennmittel
• organische Produktionsrückstände

Welche Verunreinigung tatsächlich entfernt werden kann, hängt wiederum vom konkreten Material und Zustand ab.

Wo laserbasierter Abtrag anders arbeitet

Der laserbasierte Prozess wird besonders interessant, wenn die zu entfernende Schicht fest mit dem Substrat verbunden ist.

Dazu können beispielsweise gehören:

• Oxide
• Rost
• Lackschichten
• Zunder
• definierte Funktionsschichten

Die physikalischen Grundlagen sind im Artikel Wie funktioniert Laserablation beim Reinigen von Metall? behandelt.

Für diesen Vergleich genügt die praktische Unterscheidung:

Trockeneis wird als Medium auf die Oberfläche gestrahlt und löst die vorhandene Verunreinigung durch die dabei entstehenden mechanischen und thermischen Effekte.

Beim Laser wird Energie optisch und lokal in die relevante Oberflächenschicht eingebracht.

Das sind unterschiedliche Werkzeuge.

Der Versuch, beide Technologien ausschließlich nach Quadratmetern pro Stunde zu vergleichen, ist deshalb wenig sinnvoll, solange die Art der Verschmutzung nicht definiert wurde.

Lose Verschmutzung oder fest gebundene Schicht?

Eine der wichtigsten Fragen lautet:

Wie stark ist der Rückstand mit dem Grundmaterial verbunden?

Bei einer lockeren beziehungsweise aufliegenden Verschmutzung kann ein Strahlreinigungsverfahren sehr effizient sein.

Bei einer fest haftenden Oxid- oder Lackschicht kann ein gezielter Abtragsprozess sinnvoller sein.

Zwischen beiden Extremen gibt es zahlreiche Zwischenstufen.

Beispielsweise können Formen und Werkzeuge einen komplexen Aufbau aus:

• Trennmittel
• polymeren Rückständen
• eingebrannten Resten
• Oxiden

aufweisen.

Dann ist nicht zwangsläufig eine einzige Technologie für sämtliche Schichten ideal.

Für neue Aufgaben sollte deshalb eine Probebearbeitung vorgenommen werden.

Das ist besonders wichtig, wenn die Oberfläche wertvoll oder maßkritisch ist.

Was nach der Bearbeitung zurückbleibt

Beim Trockeneisstrahlen sublimiert das eingesetzte CO₂.

Das bedeutet jedoch nicht, dass nach der Reinigung überhaupt kein Rückstand vorhanden ist.

Die ursprüngliche Verschmutzung wird schließlich von der Oberfläche gelöst.

Fett, Ruß oder andere Stoffe verschwinden nicht physikalisch aus dem Raum, nur weil das Strahlmedium in die Gasphase übergeht.

Je nach Prozess müssen gelöste beziehungsweise verteilte Verschmutzungen deshalb weiterhin berücksichtigt werden.

Beim Laser gilt dasselbe Grundprinzip.

Die bearbeitete Schicht wird abgetragen und sollte mit einer geeigneten Prozessabsaugung möglichst nahe am Entstehungsort erfasst werden.

Ein fachlich sauberer Vergleich lautet daher:

Trockeneis hinterlässt kein zusätzliches festes CO₂-Strahlmedium.

Nicht:

Trockeneis erzeugt keinerlei Rückstände.

Materialeinfluss und Zieloberfläche

Die Verfahrenswahl hängt nicht nur davon ab, was entfernt werden soll.

Ebenso wichtig ist, wie die Oberfläche anschließend aussehen muss.

Soll lediglich eine Verschmutzung entfernt werden?

Oder soll eine metallische Schicht gezielt freigelegt werden?

Muss die Topografie unverändert bleiben?

Ist eine Oberflächenaktivierung für einen nachfolgenden Fügeschritt notwendig?

Fraunhofer IPA nennt Trockeneisstrahlen beispielsweise als Verfahren zur Reinigung im Umfeld von Fügeprozessen.

Laserbasierte Verfahren werden von Fraunhofer ILT und IFAM ebenfalls für die Oberflächenvorbereitung vor Kleben, Schweißen oder Beschichten untersucht.

Damit können beide Technologien Teil einer industriellen Vorbehandlung sein.

Sie erzeugen jedoch nicht zwangsläufig denselben Oberflächenzustand.

Die Entscheidung sollte daher nicht nur über die optische Sauberkeit erfolgen.

Medienversorgung und Infrastruktur

Trockeneisstrahlen benötigt eine Versorgung mit CO₂ beziehungsweise Trockeneis und typischerweise Druckluft beziehungsweise entsprechende Strahltechnik.

Das Medium muss beschafft, gelagert und zum Einsatzort gebracht werden.

Da Trockeneis kontinuierlich sublimiert, besitzt die Logistik besondere Eigenschaften.

Ein Laser benötigt dagegen elektrische Energie und abhängig vom System weitere Infrastruktur wie Kühlung und Absaugtechnik.

Für mobile Anwendungen kann deshalb die Frage relevant sein:

Welche Versorgung ist am Einsatzort einfacher verfügbar?

In einer Produktionshalle mit bestehender Druckluftversorgung kann Trockeneisstrahlen gut integrierbar sein.

An einem anderen Standort kann die kontinuierliche Bereitstellung des Mediums einen größeren logistischen Anteil erzeugen.

Beim Laser können wiederum elektrische Anschlussleistung, Absaugung und Sicherheitsbereich entscheidend sein.

Die Betriebskosten sollten deshalb nicht nur als Energiepreis betrachtet werden.

Die gesamte Versorgungslogistik gehört in die Rechnung.

Automatisierung

Beide Verfahren können automatisiert werden.

Fraunhofer IPK beschreibt beispielsweise eine Reinigungszelle mit CO₂-Hochdruck-, Schneestrahl- und Trockeneisstrahltechnik, die sowohl robotergestützt als auch manuell eingesetzt werden kann.

Laserprozesse können ebenfalls über Roboter und Scanner geführt werden.

Damit ist „automatisierbar“ kein eindeutiges Auswahlkriterium.

Entscheidend ist vielmehr:

Wie komplex ist die Bauteilgeometrie?

Wie genau muss der Bearbeitungsbereich eingehalten werden?

Wie groß ist die benötigte Fläche?

Wie schnell kann das jeweilige System den Rückstand zuverlässig entfernen?

Bei Serienbauteilen sollte ein realer Taktzeitvergleich durchgeführt werden.

Formen und Produktionsmittel

Trockeneisstrahlen wird häufig mit der Reinigung von Formen und Produktionsmitteln in Verbindung gebracht.

Das ist nachvollziehbar.

Produktionsrückstände können gelöst werden, während kein festes CO₂-Strahlmedium auf der Form zurückbleibt.

Auch die DGUV nennt kryostatische Reinigung von Formen mit Trockeneispellets als industriellen Anwendungsfall.

Laserbasierte Verfahren können ebenfalls für Formen eingesetzt werden.

Der Vorteil kann dort in der präzisen lokalen Energieeinbringung liegen.

Welche Methode besser funktioniert, hängt deshalb stark von der Art des Rückstands ab.

Ein leicht lösbares Trennmittel stellt eine andere Aufgabe dar als eine fest gebundene Oberflächenschicht.

Für Formenbauer ist eine Testreihe besonders sinnvoll, weil auch Zykluszeit und gewünschter Zustand der Werkzeugoberfläche eine Rolle spielen.

Empfindliche Komponenten

Bei empfindlichen Bauteilen sollte weder Trockeneis noch Laser pauschal als „schonend“ angenommen werden.

Trockeneisstrahlen bringt ein Medium mit Geschwindigkeit auf die Oberfläche und erzeugt dabei einen thermischen Effekt.

Laserenergie wirkt ebenfalls auf das Material.

Beide Prozesse müssen deshalb auf Bauteil und Verschmutzung abgestimmt werden.

Fraunhofer-Forschung zu CO₂-Schnee beschäftigt sich beispielsweise ausdrücklich mit thermischen Auswirkungen auf empfindliche elektronische Komponenten.

Beim Laser entscheidet das Prozessfenster darüber, wie stark das Substrat beeinflusst wird.

Für hochwertige Bauteile ist die richtige Methode daher diejenige, die den geforderten Endzustand innerhalb einer sicheren Parametergrenze erreicht.

Nicht diejenige, die in einer allgemeinen Werbeaussage als „materialschonend“ bezeichnet wird.

Prozessgeschwindigkeit richtig vergleichen

Eine seriöse Geschwindigkeitsmessung muss dieselbe Aufgabe vergleichen.

Beide Verfahren erhalten:

• dasselbe Bauteil
• denselben Ausgangszustand
• dieselbe Zielqualität
• dieselbe relevante Fläche

Anschließend wird nicht nur die aktive Bearbeitungszeit gemessen.

Auch Medienbereitstellung, Rüstung, Nachreinigung und Kontrolle gehören dazu.

Bei Trockeneis kann beispielsweise das Nachfüllen beziehungsweise Bereitstellen des Mediums Teil des Betriebs sein.

Beim Laser können das Einrichten des Sicherheitsbereichs und die Filtertechnik eine Rolle spielen.

Erst die gesamte Prozesszeit ermöglicht eine B2B-Entscheidung.

Sicherheit bei CO₂ und Klasse-4-Lasern

Die Gefährdungen unterscheiden sich deutlich.

Die DGUV Information 213-115 behandelt Tätigkeiten mit Trockeneis und weist darauf hin, dass aus festem CO₂ kontinuierlich gasförmiges Kohlendioxid entsteht.

In schlecht belüfteten oder ungeeigneten Bereichen kann deshalb die CO₂-Konzentration sicherheitsrelevant werden.

Auch die sehr niedrige Temperatur des Mediums muss bei Handhabung und Lagerung berücksichtigt werden.

Beim offenen Einsatz leistungsstarker Laser stehen dagegen unter anderem direkte und reflektierte Laserstrahlung sowie Prozessemissionen im Mittelpunkt.

Die DGUV FBHM-139 behandelt entsprechende Schutzmaßnahmen für handgeführte Laser der Klasse 4.

Es wäre daher falsch, eines der beiden Verfahren pauschal als gefahrlos darzustellen.

Beide benötigen eine anwendungsspezifische Gefährdungsbeurteilung.

Entscheidung nach Rückstand

Eine einfache Orientierung lautet:

Bei aufliegenden beziehungsweise lösbaren Verschmutzungen wie Fett, Ruß oder bestimmten Produktionsrückständen sollte Trockeneisstrahlen als mögliche Technologie geprüft werden.

Bei fest haftenden Oxiden, Rost oder definierten Beschichtungen kann laserbasierter Abtrag besonders interessant sein.

Das ist keine universelle Zuordnung.

Die tatsächliche Eignung hängt von:

• Material
• Rückstand
• Geometrie
• Zieloberfläche
• Geschwindigkeit
• Prozessumgebung

ab.

Deshalb bietet sich bei Grenzfällen ein direkter Test an.

Fazit: Erst den Rückstand bestimmen, dann das Verfahren

Trockeneisstrahlen oder Laser: Welche Rückstände passen zu welchem Verfahren?

Beide Technologien arbeiten trocken, aber auf unterschiedliche Weise.

Trockeneisstrahlen besitzt Vorteile bei zahlreichen aufliegenden Verschmutzungen und hinterlässt kein zusätzliches festes CO₂-Strahlmedium.

Laserbasierter Abtrag kann seine Stärke bei fest verbundenen Oberflächenschichten und lokal definierten Bearbeitungszonen ausspielen.

Für Unternehmen sollte die Entscheidung deshalb in dieser Reihenfolge erfolgen:

1. Rückstand bestimmen.
2. Grundmaterial festlegen.
3. Zieloberfläche definieren.
4. Geometrie und Zugänglichkeit prüfen.
5. reale Prozesszeit messen.
6. Medien- beziehungsweise Energieversorgung berücksichtigen.
7. Sicherheitskonzept vergleichen.

Damit wird aus der allgemeinen Frage „Trockeneis oder Laser?“ eine konkrete technische Entscheidung.

Quellen

• Fraunhofer IPA – Pre- and post-processing of joining processes — Praxisbeispiel zur Reinigung mit Trockeneisstrahlen.
• Fraunhofer-Geschäftsbereich Reinigung – Cleaning Technologies — Überblick über industrielle Reinigungsverfahren einschließlich Trockeneis und Laser.
• Fraunhofer IPK – Clean Production for Clean Mobility — Automatisierte CO₂-, Schnee- und Trockeneisstrahlprozesse.
• DGUV Information 213-115 „Tätigkeiten mit Trockeneis“ — Gefährdungen und Schutzmaßnahmen beim Umgang mit festem CO₂.
• DGUV – FBHM-139 — Schutzmaßnahmen für handgeführte Klasse-4-Lasersysteme.

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