Trockeneisstrahlen oder Sandstrahlen

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Strahlen von Holz mit feinen Granulaten oder Trockeneis

In der Metallbearbeitung kennt man das klassische Sandstrahlen,  welches zur Behandlung von Oberflächen eingesetzt wird z.B:Sandstrahlen

  • Oberflächenreinigung (z. B. Entfernung von Verschmutzungen, Lack oder Rost)
  • Herstellung definierter Oberflächen (Mattieren, Satinieren; Aufrauen)
  • Hervorrufen bestimmter Oberflächeneigenschaften (Verdichten, Eigenspannungen)

Auch bei der Fassadensanierung ist der Einsatz des „Sandstrahlens“ bekannt, wenn auch  mit modifizierter Technik, dem Rotek oder Jos-Verfahren mit Sand oder Soda. Inzwischen wurde das klassische Sandstrahlen aber nicht nur für die Fassadenreinigung  oder im Rahmen der Sanierung von historischen Bauwerken weiter entwickelt.  Denn die Notwendigkeit eines geringen Substanzverlustes der Oberflächen an Kalksandsteinen, Klinkersteinen oder auch an Natursteinen, veranlasste die Anlagenbauer Düsen und Dosiereinrichtungen so zu modifizieren, dass auch ein Feinstrahlen möglich wurde. So dauerte es nicht lange bis man auch alte Holzbalken von Dachstühlen reinigte, Holzkonstruktionen von Farbresten befreite oder inzwischen sogar hochwertige antike Möbel behandelt. Heute spricht man daher auch vom Feinst-Strahlen oder sogar vom Mikro-Strahlen, da zudem auch die Strahlmittelproduzenten sich auf den wachsenden Bedarf eingestellt haben und feine Strahlmittel anbieten.

Da aber das klassische  Sandstrahlen, wie schonend auch immer es sein kann, Rückstände in Form des Strahlmaterials hinterlässt, hat das Strahlen mit Trockeneis, natürlich ebenfalls durch eine Weiterentwicklung der Strahlgeräte, seinen Platz bei der Oberflächenbehandlung gefunden. Leider kann man aber nicht das eine durch das andere austauschen und so die jeweiligen Vorteile nutzen. Es muss also immer je nach Anwendung ein Kompromiss gefunden werden.

Im Rahmen einiger Auftragsarbeiten zur Lackentfernung von Holzteilen haben wir verschiedene Versuche durchgeführt, Geräte und Düsen unter unterschiedlichen Voraussetzungen getestet, deren Ergebnisse wir dann im Vergleich mit den anderen Verfahren betrachtet haben. Bekanntermaßen sind bei Holzteilen das Ablaugen, abbeizen, abschleifen oder das Ablösen mit Heißluft  die gängigen Methoden, um alte Lackschichten zu entfernen. Die Frage also, die wir uns vor der Untersuchung stellten war, ob man sich diese oft unangenehme und zeitaufwendige  Arbeit (Dämpfe oder Chemie) durch das Strahlen mit Granulaten sparen kann.

Strahlen physikalisch betrachtet

Strahlen ist das Reinigen von Oberflächen bei dem ein beschleunigtes Granulat auf eine Oberfläche gestrahlt wird, um diese von Farbresten und  sonstigen Verunreinigungen zu befreien. Durch das Strahlen wird oft nicht nur die abzutragende Schicht, sondern auch der Untergrund verändert, was auch dann bei Stahl als Rautiefe bezeichnet wird.

Das Strahlen erfolgt über die kinetische Energie, die dem Granulat zugeführt wird. Die hierdurch hervorgerufene Aufprallenergie ist also von der Beschleunigung des Granulates im Druckluftstrom abhängig.

Strahlen ist Arbeit

Physikalisch nennt man die Beschleunigung eines Körpers auf eine hohe Geschwindigkeit Arbeit, die  dann in Form von kinetischer Energie in dem beschleunigten Granulat steckt.  (m = Masse des Körpers in kg)
v = Geschwindigkeit des Körpers (m/s)

Bei Berechnung der Kinetischen >Energie berücksichtigt man die Geschwindigkeit quadratisch (V2) und die Masse nimmt  eine  lineare Wirkung. Steigt aber die Masse (Menge des Strahlmittels oder das spezifische Gewicht) und bleibt die Geschwindigkeit gleich, so steigt die kinetische Energie damit linear an. Steigt aber die Geschwindigkeit (also Menge an Druckluft) und bleibt die Masse des Granulates gleich, dann erfährt die kinetische Energie einen quadratischen Anstieg. Zudem  hat die Korngröße eines Strahlgranulates einen wesentlichen Einfluss, da auch die Anzahl der Körner, die pro Zeit auftreffen, die Oberflächenstruktur beeinflussen.

Betrachtet man z.B. ein Granulat mit einem spezifischem Gewichtevon 7,5 KG/dm3   dann hat man etwa bei einem Korndurchmesser von 0,8 mm  etwa 350000 Körner, bei 0,6 mm etwa 950.000 Körner und bei 0.2 mm (als gängiges Strahlmittel für Holz) 28.500.000 Körner

Vergleich Trockeneis und Sandkörner
Beide Strahmittel füllten einen kleine Milchdose Man sieht deutlich wie sich die Anzahl der Körner unterscheiden

Ist die Körnung größer, so ist auch die Rautiefe größer, also der Abtrag auf Holz wird viel stärker und in den meisten Fällen sind zu grobe Strahlmittel gar nicht anwendbar, da viel Holz zerstört würde. Hier ist zu erkennen, dass bei doppelter Korngröße das Korngewicht und die kinetische Energie um ein vielfaches zunimmt, die Verteilung der Körner auf die Strahlfläche (je nach Düse) dann aber auch um ein  vielfaches abnimmt. Für Holz bedeutet das zunächst, dass ein einzelnes großes Korn größere Krater schlägt als viele kleine, also die Gefahr von Beschädigungen zunimmt.

Vergleichen wir hier schon einmal  die Wirkung der Granulate „Sand“  mit Trockeneis, so muss hier die Masse, Beschleunigung und vor allem die Härte bzw. die Scharfkantigkeit für den Anwendungsfall verglichen werden. Trockeneis ist im Gegensatz zu festen Granulaten wie Sand, Korund, Glasperlen und sogar zu Soda recht weich und leicht, so dass Trockeneis im Bereich der Härteskala (Mohs) recht weit unten angesiedelt ist, ähnlich wie Gips.  D.h. Wir müssen die Geschwindigkeit erhöhen, wenn man die gleiche kinetische Energie wie beim Sand erreichen möchte.

Trockeneis hat natürlich einen entscheidenden Vorteil:

Trockeneis ist ein Strahlmittel das sich in Luft auflöst und nur die abgetragenen Partikel als Rückstände verbleiben. Beim Trockeneis trägt auch die Kälte (-79oC) zum Abtrag der Rückstände bei. Hier muss jedoch erwähnt werden, dass das Trockeneis selbst (Alterungszustand beachten) und die abzutragenden Rückstände eine Versprödung zulassen müssen,  damit sich auch eine wirtschaftliche Abtragsfunktion ergibt.

Beim Strahlen mit Granulaten ist die Größe und Art der Strahldüsen wichtig und auf die Luftmenge und das Strahlmittel abzustimmen.

Die Unterschiede bestehen nicht nur im Material, also in der Standfestigkeit, sondern auch in der Strahlform (Kegel oder Flachstrahl).  Auch die Form der Düse im Inneren, also der eigentliche Düsenkanal  (Laval-, Venturiprinzip) ist entscheidend für das Abtragsverhalten.

 Strahlanlage ist nicht gleich Strahlanlage

Da sich Strahlanlagen in vielen Dingen unterscheiden gibt es auch einen prinzipiellen Unterschied bei der Strahlmittelzuführung. So unterscheidet man Einschlauchsysteme, sogenannte Druckstrahlanlagen und Anlagen mit  Unterdruck der in der in der Düse (Pistole) erzeugt wird und so das Granulat angesaugt wird. Damit wird das Granulat aber auch erst in der Düse beschleunigt. Letzteres ist zwar sanfter, also in der Austrittsgeschwindigkeit geringer, aber daher auch nicht so intensiv. Anders ausgedrückt, man benötigt länger um die Rückstände zu entfernen.

Holz durch Strahlen mit Trockeneis behandeln

Kommen wir nun zur eigentlichen  Behandlung von Holz mit Strahlverfahren und damit zu der Frage ob man Holz durch Strahlen mit Trockeneis behandeln oder sogar Entlacken kann.

Wie schon im Prinzipiellen beschrieben, ist die wirtschaftliche Anwendung der Strahltechnik eigentlich meist auf einen festen Untergrund angewiesen. Ist der Untergrund weich, wie es beim Holz in der Regel der Fall ist, bleibt einem nichts anderes übrig als mit dem Druck ziemlich weit runter zu fahren (< 3 bar).

Hinzu kommt ein Strahlmittel das im Bereich von ca.  0,080-0,120 liegen sollte. Scharfkantigkeit wie Glasbruch oder Korund ist dabei förderlich.

Bei Holz kann man also nicht von einem festen Untergrund reden, schon gar nicht wenn die Holzteile wie Türen oder Fenster altersbedingt angegriffen sind. Eine harte Eiche oder Buche lässt sich zwar besser behandeln als Fichte oder Tanne, bleibt aber dennoch relativ weich.

Bei einem so weichen Untergrund auf der eine  harte deckende Farbe (ggf. mehrschichtig) aufgetragen ist, kann man dann  sehr schnell die Grenzen der zum Einsatz kommenden Strahlverfahren erreichen. Viele Bilder im Internet, die das Strahlen von Holz beschreiben und eine braune Fläche als Ausgangszustand aufzeigen und eine helle Fläche als behandelt, sind oft nicht identisch mit der tatsächlichen Anwendung. Hier wurde z.B. keine Farbe mit Trockeneis entfernt, wie oft darunter beschrieben, sondern meist eine leichter zu entfernende Lasur oder mit Sand gestrahlt.

Was passiert  beim Strahlen mit Sand oder Trockeneis

Grundsätzlich muss man beim Strahlen von Holz das zu behandelnde Teil genau betrachten. Also feststellen um welche Lasur oder um welche Farbe es sich handelt und wie hart oder weich das Holz ist.  Alte Leinölfarben lassen sich dabei schwieriger entfernen als z.B. dünn aufgetragene wasserbasierende Normalfarben und auch die  Lasuren unterscheiden sich vom Härtegrad erheblich.

Die Einflussfaktoren  wie kinetische Energie, Korngröße und alle  anderen Faktoren, die Einfluss nehmen auf das Strahlen, wurde ausgiebig erläutert. Die Partikel treffen also auf den Lack und dringen in ihn ein, bzw. reißen Stücke heraus. Beim Trockeneisstrahlen nutzt man noch die Kälte, die aber nur bedingt Einfluss nimmt. Bestenfalls möchte man  ja den Lack  abstrahlen und eine glatte Fläche vorfinden , wie eben mit einem Schleifpapier.

Das lässt sich tatsächlich mit Sandstrahlen oder dem Trockeneisstrahlen erreichen,  wie man es mit dem Abtragen von Tinte auf einem Blatt Papier beweisen kann. Hierbei wird der Druck unter 1 bar reduziert und nur eine ganz kleine Menge an Strahlgut oder sehr feines Trockeneis verwendet. Mit diesen so sehr fein eingestellten Parametern (die Strahlanlage muss so konzipiert sein) ist ein feines Strahlen möglich (sogenanntes Mikrostrahlen) jedoch wird  die Wirtschaftlichkeit aufgrund der geringen Flächenleistung und des damit sehr hohen Zeitaufkommens nicht mehr akzeptabel sein.  Verändert man die Parameter indem man den Druck erhöht, um ein vertretbares wirtschaftliches zeitliches Fenster zu erreichen, steigt auch wieder das Abrassivverhalten.

Die Kunst des Strahlens von Holz liegt in dem Anspruch den goldenen Mittelweg zu finden, denn einerseits verhindert das Strahlen den Einsatz von Chemie und die aufwendige Kratz-oder Schleifarbeit, anderseits muss ein Weg durch Anpassung der Parameter gefunden werden, um die Rauigkeit so gering wie möglich zu halten.

Bei unseren Untersuchungen stellten wir fest, dass man Leinölfarbe aber auch gewisse Lasuren nicht ausschließlich durch die Behandlung mit einem Strahlverfahren abtragen kann.

Anderseits wäre ohne das Strahlen eine extrem hohe Stundenzahl an Schleifarbeit entstanden.

Wenn wir dicke Lackschichten restlos abstrahlten konnte mit keinem Verfahren verhindert werden das das  Holz angegriffen und aufgeraut wurde,  ganz gleich welches Strahlmittel verwendet wurde. Auch das Strahlen mit Trockeneis brachte bei einigen Farben (besonders Leinölfarben) nicht den gewünschten Erfolg.

Die Notwendigkeit einer Vorbehandlung mit dem Speedheater, also dem Erwärmen der Farbe durch Infrarotstrahlen und das anschließende Abkratzen, war eine weitere Untersuchung wert um so die Tür doch noch durch das Strahlen behandeln zu können und somit einiges an Schleifarbeit zu sparen.

Ganz besonders deutlich war auch der Vorteil des Strahlens an filigranen Stellen, Schnitzereien, Zierkanten oder ähnlichem, wo man nur sehr schlecht mit einem Schleifgerät die Farbe abtragen kann. Wir reden hier aber wieder von Lasuren.

Durch die  Grundsätzliche thermische Vorbehandlung ist die dicke Farbschicht erst einmal entfernt  worden (Dieser Aufwand hielt sich auch in Grenzen)  Anschließend kann man mit  Strahlen die restlichen Farben entfernen. Je nachdem wie weit die Farbe ins Holz eingedrungen ist oder wie hart diese ist, kann das Holz mehr oder weniger gut für die weiteren Bearbeitungsschritte vorbereitet werden. Ein nachträgliches Schleifen war immer nötig.

Lasuren von  antiken Möbeln entfernen

Einfacher geht es mit wie schon gesagt mit Lasuren, die man auch von hochwertigen antiken Möbeln durch Einsatz des Strahlverfahrens grundsätzlich entfernen kann. Voraussetzung ist aber eine große Portion an Erfahrung, somit die richtigen Parameter einstellen und das richtige Strahlmittel anwenden. Besser ging diese Arbeit auch wieder mit dem Sandstrahlen

Mit der richtigen Kombination der einzelnen Verfahren kann man also eine „verunstaltete“ Tür wieder zu neuem historischen Glanz aufblühen lassen, den alten antiken Möbeln einen neues Erscheinungsbild geben und sich eben viel Zeit bei der aufwendigen Schleifarbeit sparen.  Eine solche Kombination aus Trockeneisstrahlen und dem Sandstrahlen gibt es ja inzwischen auch gerätetechnisch.

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