Projekthinweise und verfahrenstechnische Erläuterungen für den Einsatz
Aus dem Bereich der Metallbearbeitung kennt man das klassische Sandstrahlen, welches zur Behandlung von Metalloberflächen eingesetzt wird:
Düsentechnik
Die Düsentechnik ist beim Strahlen ein wichtiges Thema das u.a. durch das sogenannte JOS- Strahlen oder Rotek-Strahlen, ein noch schonenderes Strahlbild ergibt. Zum Einsatz kommt hierbei eine Wirbelstrahltechnik. Bei dieser werden geringe Wasseranteile hinzugefügt und das Strahlgut in Rotation versetzt.
Da aber das klassische Sandstrahlen, wie schonend auch immer es sein kann, Rückstände in Form des Strahlmaterials hinterlässt, hat auch das Strahlen mit Trockeneis, seinen Platz bei der Oberflächenbehandlung gefunden. Im Rahmen einiger Arbeiten zur Lackentfernung von Holzteilen, wurden verschiedene Versuche durchgeführt. Geräte und Düsen wurden mit unterschiedlichen Voraussetzungen getestet und die Ergebnisse im direkten Vergleich mit Techniken wie Beizen oder thermischen Verfahren zusammengefasst und verglichen. Bekanntermaßen sind bei Holzteilen das Ablaugen, Abbeizen, Abschleifen oder das Ablösen mit Heißluft die gängigen Methoden, um alte Lackschichten zu entfernen. Die Frage, die wir uns vor der Untersuchung stellten war, ob man sich die oft unangenehme und zeitaufwendige Arbeit (Dämpfe oder Chemie) durch das Strahlen mit Granulaten sparen kann.
Der Lack muss ab
Um den erforderlichen Wärmeentzug in der Gefrierzone erreichen zu können muss der einzufrierende Rohrleitungsabschnitt vollkommen strömungslos sein. Zudem bestimmen die Größe der Rohrleitung und Lage der Gefrierstelle im System sowie die maximale Temperatur des Mediums die Machbarkeit. Neben der Wärmekapazität ist unbedingt die auftretende Konvektion des Mediums zu berücksichtigen. Das sind die bei der Abkühlung auftretenden Dichteunterschiede. Je kälter das Medium ist, umso einfacher lässt sich der Verschluss bilden. Durch das Strahlen werden oft nicht nur die abzutragende Schicht, sondern ebenfalls der Untergrund verformt, was als Rautiefe bezeichnet wird. Bei Holz können je nach Strahlintensität und Granulat irreversible Schäden entstehen, indem weiche Fasern abgetragen werden. Dieser Umstand ist von mehreren Faktoren abhängig. Die Aufprallenergie hängt von der Beschleunigung des Granulates im Druckluftstrom ab. Strahlverfahren mit Strahlmittel können somit, über die erzeugte kinetische Energie (EK) und deren Leistung beim Aufprall auf die Oberfläche, reguliert werden.
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.
EK = kinetische Energie des Körpers (Nm oder Joule)
m = Masse des Körpers (kg)
v = Geschwindigkeit des Körpers (m/s) dann gilt
Die Formel besagt, dass sich die Geschwindigkeit quadratisch ändert (V2) und die Masse hierin eine lineare Auswirkung hat. Steigt aber die Masse (Menge des Strahlmittels oder das spezifische Gewicht) und bleibt die Geschwindigkeit gleich, so steigt die kinetische Energie linear an. Steigt die Geschwindigkeit (also Menge an Druckluft) und bleibt die Masse des Granulates gleich, dann erfährt die kinetische Energie einen quadratischen Anstieg. Somit hat auch die Korngröße eines Strahlgranulates einen wesentlichen Einfluss, da auch die Anzahl der Körner, die pro Zeit auftreffen, die Oberflächenstruktur beeinflussen.
Strahlmittel erhält man bei Kuhmichel
Ist die Körnung größer, so ist auch die Rautiefe größer. Der Abtrag auf Holz wird damit viel stärker und in den meisten Fällen sind zu grobe Strahlmittel gar nicht anwendbar, da zu viel Holz zerstört werden würde. Hier ist zu erkennen, dass bei doppelter Korngröße das Korngewicht und die kinetische Energie um ein Vielfaches zunehmen, die Verteilung der Körner auf die Strahlfläche (je nach Düse) dann aber um ein Vielfaches abnimmt. Für Holz bedeutet das zunächst, dass ein einzelnes großes Korn größere Krater schlägt als viele kleine, die Gefahr von Beschädigungen somit zunimmt.
Vergleichen wir die Wirkung der Granulate „Sand“ (Unterschiede behandeln wir später) mit Trockeneis, so muss hier die Masse, Beschleunigung und vor allem die Härte bzw. die Scharfkantigkeit für den Anwendungsfall bewertet werden. Trockeneis ist im Gegensatz zu festen Granulaten wie Sand, Korund, Glasperlen und sogar im Vergleich zu Soda recht weich, so dass Trockeneis im Bereich der Härteskala (Mohs) recht weit unten angesiedelt ist, ähnlich wie Gips.
Betrachtet man z.B. ein Granulat mit einem spezifischen Gewicht von 7,5 KG/dm3 dann hat man 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
Bild: Auszug der Strahlmittel von Kuhmichel www.kuhmichel.com
Trockeneis hat einen entscheidenden Vorteil:
Trockeneis ist ein Strahlmittel, das sich in Luft auflöst und nur die abgetragenen Partikel als Rückstände verbleiben. Beim Trockeneis trägt die Kälte (-79oC) zum Abtrag der Rückstände bei. Hier muss erwähnt werden, dass Trockeneis selbst (Alterungszustand beachten) und die abzutragenden Rückstände, eine Versprödung zulassen müssen, damit sich eine wirtschaftliche Abtragsfunktion ergibt. Beim Strahlen mit Granulaten sind, wie bereits erwähnt, die Strahldüsen wichtig und daher immer wieder zu betrachten.
Die Unterschiede bestehen nicht nur in der Standfestigkeit des Materials, sondern in der Strahlform (Kegel oder Flachstrahl). Die Form der Düse im Inneren, der eigentliche Düsenkanal (Laval-, Venturiprinzip) ist ebenfalls entscheidend für das Abtragsverhalten, immer natürlich unter Betrachtung der Düsengröße im Verhältnis zur Kompressor Leistung. Eine lange Strahldüse hat immer eine bessere Strahlleistung als eine kurze Düse. Da die kurze Düse eine flexiblere Handhabung ermöglicht, wird diese gerne für komplizierte und flexible Strahlaufgaben verwendet und die damit verbundene geringere Strahlleistung in Kauf genommen. Von Gustav de Laval wurde die Laval-Form, d.h. die theoretisch optimale Form einer Düse entwickelt, wodurch höhere Austrittsgeschwindigkeiten als die kritische Geschwindigkeit erzielt werden können, da im Auslaufbereich der Düse, durch den Konus, eine weitere Expansion erfolgt. Dieses Prinzip wird auch bei der „Venturi – Düsen – Technik“ genutzt.
Venturi Prinzip:
Der Luftkanal in der Düse wird in der Mitte enger und weitet sich dann konusförmig wieder zu einem größeren Durchmesser auf. Durch die Verengung in der Mitte entsteht ein Widerstand, welcher dennoch eine Zunahme der Geschwindigkeit bewirkt. Stellt sich an der engsten Stelle bei optimaler Abstimmung ein kritischer Wert ein, so nimmt danach die Geschwindigkeit weiter zu, wenn sich die Düse wieder öffnet und das Strahlmittel wird weiter beschleunigt. Die Austrittsgeschwindigkeiten liegen je nach Düse und Strahlgut zwischen 100 und 300 m/s.
Vergleich: Anzahl Körner Sandstrahlen vs. Trockeneis
Strahlanlage ist nicht gleich Strahlanlage
Der wesentliche Unterschied liegt bei der Strahlmittelzuführung. So unterscheidet man Einschlauchsysteme, sogenannte Druckstrahlanlagen und Anlagen mit Unterdruck der in der in der Düse (Pistole) erzeugt wird und dadurch das Granulat ansaugt. Dadurch wird das Granulat erst in der Düse beschleunigt. Letzteres ist zwar sanfter, in der Austrittsgeschwindigkeit geringer, daher jedoch nicht so intensiv. Anders ausgedrückt, man benötigt länger, um die Rückstände zu entfernen. Was man in jedem Fall benötigt, ist Druckluft. Diese ist auf keinen Fall zu unterschätzen. Nicht allein die Menge an Luft pro Minute bestimmt die Größe des Kompressors (hier reicht kein Baumarktkompressor) sondern auch die wirtschaftliche Betrachtung des Projektes ist relevant. Elektrische Kompressoren haben eine Leistungsklasse von 40 KW und kosten etwa € 10.000, –€ 15.000, – in der Anschaffung. Mobile Kompressoren in der gleichen Leistungsklasse mit entsprechender Luftaufbereitung liegen in der Anschaffung bei € 25.000, –
Da wir gerade bei den Preisen sind:
Ein gutes Sandstrahlgerät kostet zwischen 4000,- – € 8000,- und ein Trockeneisstrahlgerät zwischen € 8000,- und € 20.000, -. Zu berücksichtigen ist beim Sand- oder Sodastrahlen ebenfalls ein Kältetrockner, der zusätzlich mit etwa € 4000,- zu Buche schlägt. Also eine recht hohe Investition. Natürlich kann man nicht überall frei Sandstrahlen, also benötigt man eine Freistrahlkabine mit Filtertechnik und bestenfalls mit Strahlmittel Aufbereitung, folglich € 25.000, – bis € 100.000, -.
Holz durch Strahlen behandeln
Kommen wir nun zur eigentlichen Behandlung von Holz mit Strahlverfahren und damit zu der Frage, ob man Holz durch Strahlen behandeln oder sogar entlacken kann.
Wie schon prinzipiell beschrieben, ist die wirtschaftliche Anwendung der Strahltechnik grundsätzlich auf einen festen Untergrund angewiesen. Ist der Untergrund weich, wie es beim Holz in der Regel der Fall ist, bleibt nichts anderes übrig, als den Druck weit herunterzufahren (< 3 bar). Hinzu kommt ein Strahlmittel das im Bereich von ca. 0,080-0,120 liegen sollte. Scharfkantigkeit wie mit Glasbruch oder Korund ist förderlich. Nun kommen wieder die Düsen sowie das Handling der Düse ins Spiel. Beim Trockeneisstrahlen kann eine Rotation des Strahlmittels förderlich sein, nur benötigt das eine JOS oder Rotek–Düse oder sehr viel Erfahrung und Übung. Mit Rundstrahl oder Flachstrahldüsen ist die Intensität größer, genauer gesagt die Geschwindigkeit, so dass man viel genauer auf die Wirkung achten muss. Das Auswaschen von weicheren Fasern ist nie vermeidbar.
Bei Holz kann man nicht von einem festen Untergrund reden, schon gar nicht wenn Holzteile wie Türen oder Fenster altersbedingt angegriffen sind. Eine harte Eiche oder Buche lassen sich natürlich besser behandeln als eine Fichte oder Tanne.
Bei einem so weichen Untergrund auf der eine harte deckende Farbe (ggf. mehrschichtig) aufgetragen ist, kann man sehr schnell die Grenzen der zum Einsatz kommenden Strahlverfahren erreichen. Viele Bilder im Internet, die das Strahlen von Holz beschreiben und dabei eine braune Fläche als Ausgangszustand aufzeigen und dann im nächsten Schritt eine helle Fläche als behandelt, sind oft nicht identisch mit der Beschreibung. Hier wurde nicht, wie oft darunter beschrieben Farbe, sondern eine leicht zu entfernende Lasur entfernt.
Was passiert beim Strahlen?
Grundsätzlich muss man beim Strahlen von Holz das zu behandelnde Teil an sich betrachten. Es ist wichtig festzustellen um welche Lasur oder Farbe es sich handelt und wie hart das Holz ist. Alte Leinölfarben lassen sich schwieriger entfernen als dünn aufgetragene, wasserbasierende Normalfarben und auch die Lasuren unterscheiden sich vom Härtegrad erheblich. Eingesetzte Pfosten sind im Verbindungsbereich nur mit sehr viel Feingefühl zu Entlacken.
Die Einflüsse wie kinetische Energie, Korngröße und alle anderen Faktoren, die auf das Strahlen Einfluss nehmen, wurden ausgiebig erläutert. Die Partikel treffen auf den Lack und dringen in ihn ein, bzw. reißen Stücke heraus. Bestenfalls betrachtet, sollten diese den Lack abschleifen wie Schleifpapier. Das lässt sich erreichen, wie man mit dem Abtragen von Tinte auf einem Blatt Papier beweisen kann. Der Druck wird unter 1 bar reduziert und damit eine sehr geringe Menge Strahlgut verwendet. Strahlt man mit diesen Parametern eine Tür oder einen Fensterrahmen, bei denen die Schicht wesentlich dicker ist als Tinte und die Fläche viel größer, so ist daraus resultierend kein wirtschaftlicher Abtrag möglich. Natürlich ist mit diesen Parametern feines Strahlen möglich (sogenanntes Mikrostrahlen) jedoch wird die Wirtschaftlichkeit bedingt durch das hohe Zeitaufkommen nicht mehr akzeptabel sein. Erhöht man den Druck um ein aus wirtschaftlicher Sicht vertretbares, zeitliches Fenster zu erreichen, steigt damit das Abrassivverhalten. Die zeitliche und damit wirtschaftliche Grenze ergibt sich aus der Investition und den Abschreibungen der Investition in die Strahltechnik sowie des Strahlgutes.
Damit muss eine Strahlstunde mit einem VK von € 120,- netto angesetzt werden, ganz gleich welche Flächenleistung man erreicht. Steigert man beispielsweise den Druck, dann tragen die Körner den Lack zwar schneller ab, nachfolgende Körner treffen aber in die bereits „blank gelegten“ Stellen. Somit treffen sie auf das ungeschützte Holz und tragen ggf. weiche Fasern ab. Die Folge ist, dass sich das Holz in der Oberfläche farblich, bestenfalls bis zum Naturzustand verändert, jedoch in dem einen oder anderen Fall mehr oder weniger rau in der Oberflächenstruktur erscheint und ein Schleifen erneut notwendig wird.
Die Kunst des Strahlens von Holz liegt im Anspruch den goldenen Mittelweg zu finden, denn einerseits verhindert das Strahlen den Einsatz von Chemie und das aufwendige Kratzen, Schaben oder gar Schleifarbeiten, 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 sowie gewisse Lasuren nicht ausschließlich durch die Behandlung mit einem Strahlverfahren, unter Berücksichtigung sinnvoller wirtschaftlicher Vorgaben, abtragen kann.
Anderseits wäre ohne das Strahlen eine hohe Stundenzahl an Schleifarbeit entstanden. Zu sehr wurde das Holz angegriffen und aufgeraut, ganz gleich welches Strahlmittel verwendet wurde. Selbst das Strahlen mit Trockeneis brachte bei einigen Farben (besonders Leinölfarben) nicht den gewünschten Erfolg. Es steht noch ein Versuch mit Trockeneis aus. Mit einer Strahlanlage, die Pellets in unterschiedliche Größen zermahlt. Diese Anlage stand bisher noch nicht zur Verfügung.
Die Notwendigkeit einer Vorbehandlung mit dem Speedheater, also dem Erwärmen der Farbe durch Infrarotstrahlen und das anschließende Abkratzen, war eine weitere Voraussetzung die Tür doch noch mit einem Strahlverfahren behandeln zu können und somit einiges an Schleifarbeit zu sparen. Ganz besonders deutlich wird der Vorteil des Strahlens an filigranen Stellen, Schnitzereien, Zierkanten oder ähnlichem, wo man nur sehr schlecht mit einem Schleifgerät die Farbe abtragen kann. Durch die Vorbehandlung ist die dicke Farbschicht erst einmal entfernt. Jetzt kann man durch das Strahlen die restlichen Farben entfernen. Je nachdem wie weit die Farbe ins Holz eingedrungen ist oder wie hart diese ist, kann das Holz damit relativ gut für die weiteren Bearbeitungsschritte vorbereitet werden.
Lasuren von antiken Möbeln entfernen
Einfacher geht es mit Lasuren, die man auch von hochwertigen antiken Möbeln durch Einsatz des Strahlverfahrens entfernen kann. Voraussetzung ist eine große Portion Erfahrung, damit man die richtigen Parameter einstellen kann und das richtige Strahlmittel anwendet.
Mit der richtigen Kombination von Verfahren kann man somit eine „verunstaltete“ Tür wieder zu neuem historischen Glanz aufblühen lassen, den alten antiken Möbeln ein neues Erscheinungsbild geben und sich sehr viel Zeit bei der aufwendigen Schleifarbeit ersparen.
