Automotive: Innovative Filtrationsanwendungen in der Automobilindustrie

In der Automobilindustrie werden häufig Filtrations- und Trennverfahren eingesetzt. Anthony Bennett bespricht einige dieser Prozesse, die bei der Motorenherstellung, Fahrzeugproduktion und Automobilmontage zum Einsatz kommen.

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Dieser Artikel konzentriert sich auf eine Reihe innovativer Filtrations- und Trenntechnologien, die in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Es konzentriert sich auf die Motorenherstellung und gibt einen kurzen Überblick über Technologietrends im Motorbetrieb und deren Auswirkungen auf die Filtrationsanforderungen. Anschließend werden Fortschritte in der Filtrations- und Trenntechnologie beschrieben, die bei der Motorenherstellung eingesetzt werden. Der Schwerpunkt liegt auf der Beseitigung von Ölnebel, der Magnetfiltration von Kühlflüssigkeiten und dem Waschen von Motorteilen . Im Automobilbau gibt es Probleme mit der Filtration bei der Herstellung von Gussformen für die Herstellung von Karosserieteilen und der Trennung von Feststoffen aus Karosseriebehandlungslösungen, Beschichtungen und Lacken. Abschließend wird eine innovative Technologie untersucht, die sowohl bei der Fahrzeugmontage als auch bei der Fahrzeugwartung zum Einsatz kommt.

Innerhalb des Verbrennungsmotors werden bei der Filtration jetzt sowohl in Flüssigkeits- als auch in Luftfiltern Materialien mit höherer Effizienz eingesetzt. Dazu zählen verschiedene Innovationen, darunter beispielsweise die Einführung von Nanomaterialien bei den Filtern von Porvair Filtration. Sie nutzen die patentierte Nanobeschichtungstechnologie von P2i Limited, bei der ein gepulstes ionisiertes Gas (Plasma) in einer Vakuumkammer erzeugt wird, um eine nanometerdünne Polymerschicht über die gesamte Oberfläche des Filterprodukts molekular zu binden.

Richard Canepa, Berater für Geschäftsentwicklung bei RTC Consulting, berichtet, dass sich in Bezug auf das Design von Filtergehäusen ein Trend zu kompakten Filtersystemen wie Z-Faltenfiltern entwickelt. Richard Canepa sagte: „Es gibt auch einen Trend hin zu umweltfreundlicheren Filtergehäusen, um den Materialverbrauch beim Recycling zu minimieren, wie zum Beispiel bei Ölfilterpatronen, bei denen das Gehäuse Teil des Motors wird.“

Richard Canepa fügte hinzu: „Da sich das Automobil durch den Ausstieg aus Verbrennungsmotoren hin zu elektronischen Motoren weiterentwickelt, wird die Notwendigkeit einer kombinierten Luft- und Gasfiltration erforderlich sein, insbesondere bei der Verwendung von Brennstoffzellen. Es wird auch viel an neueren Technologien gearbeitet.“ B. HCCI-Motoren (homogeneous charge kompressionszündung), und auch die Direkteinspritzung wird immer häufiger eingesetzt. Aufgrund der Verwendung der Abgasrückführung wird es einen zusätzlichen Bedarf an Hochtemperatursystemen zur Filterung der Abgasrückführungsgase bei Direkteinspritzungsmotoren geben.

Wir konzentrieren uns auf Filtrationsprozesse, die bei der Herstellung von Automobilmotoren und nicht auf den Betrieb von Motoren zum Einsatz kommen, und konzentrieren uns nun auf drei innovative Technologien zur Ölnebelbeseitigung, Magnetfiltration von Kühlflüssigkeiten und Waschen von Motorteilen.

Die offensichtlichen Verbesserungen in der Motorentechnologie und den Fertigungstechniken haben zu einer Verschärfung der Toleranzen bei bearbeiteten Teilen geführt. Dies hat den Bedarf an Filter- und Trenntechnologien zur Entfernung von Partikeln und Ablagerungen aus Kühl-, Schmier- und Schneidflüssigkeiten erhöht. Kurze Werkzeugstandzeiten können durch den Einsatz einer wirksamen Filterung vermieden werden, um Fehler und Nacharbeiten an bearbeiteten Teilen zu reduzieren.

Die Ölnebelfiltration rückt für viele Automobilhersteller zunehmend in den Fokus. Bei Werkzeugmaschinen, die mit hohen Geschwindigkeiten und höheren Kühlmittelzufuhrdrücken laufen, können herkömmliche elektrostatische und zentrifugale Ölnebelabscheidersysteme dafür sorgen, dass der Kühlmittelnebel zusammen mit anderen Verunreinigungen wie feinen Spänen und Bakterien in die Werkstattatmosphäre entweicht. Dies hat zu Gesundheits- und Sicherheitsuntersuchungen über den möglichen Zusammenhang zwischen Ölnebel und schwerwiegenden Atemwegserkrankungen wie berufsbedingtem Asthma und extrinsischer allergischer Alveolitis geführt.

Die Vokes Air Group hat einen neuen Ansatz zur Ölnebelbeseitigung entwickelt. Die ScandMist-Technologie des Unternehmens basiert auf einem dreistufigen Filterverfahren. Die ersten beiden Stufen entfernen das Öl aus der Luft und der Endfilter reinigt die Luft, sodass sie in die örtliche Umgebung zurückgeführt werden kann.

Ein Hochleistungsventilator saugt die verunreinigte Luft durch die Filterreihe. Die Ölentfernungsfilter sammeln Öl oder Kühlmittel und lassen es zur Basis der ScandMist-Einheit ablaufen (siehe Abbildung 2). Verunreinigte Luft strömt durch das Filtermedium und die Ölpartikel werden von den oleophoben Fasern angezogen. Öltröpfchen kollidieren weiterhin mit der Faser und das Öltröpfchen nimmt an Masse zu. Wenn der Öltropfen größer wird, wird er schwer genug, um gegen den Luftstrom zum Boden der ScandMist-Einheit zu fallen, wo er gesammelt oder direkt zurück in den Werkzeugmaschinensumpf abgelassen werden kann.

Die gereinigte Luft wird dann durch einen hocheffizienten Koaleszer geleitet, wo der Koalesziervorgang wiederholt wird. Nach dieser zweiten Filterstufe ist die Luft laut Vokes-Air Group im Durchschnitt zu 95–98 % frei von Ölnebel.

Die dritte Filterstufe ist darauf ausgelegt, die verbleibende Luft vollständig zu reinigen, und zwar auf einen weit höheren Standard als die umgebende Umgebungsluft. Mithilfe eines HEPA-Filters stellt diese letzte Stufe sicher, dass Partikel im Submikronbereich (z. B. Spuren von Öl, Rauch, Bakterien, Pollen und Sporen) zurückgehalten werden und nicht in die Werkstatt zurückkehren können. Die verwendeten HEPA-Filter haben einen Wirkungsgrad von 99,95 % und eine Nennfeinheit von 0,3 μm. Dies bedeutet, dass in einer Werkstattumgebung effektiv alle gefährlichen Partikel eingefangen werden und sichergestellt wird, dass nur klinisch saubere Luft in die Werkstatt zurückgeführt wird.

Viele Automobilhersteller haben in ihren Produktionsanlagen Ölnebelfiltersysteme installiert. Die Vokes-Air Group meldet trotz des Wirtschaftsabschwungs starke Aufträge für ihr ScandMist-System.

Der Micromag-Magnetfilter von Eclipse Magnetics wird mittlerweile häufig in Reib- und Bohrprozessen zur Entfernung von Partikeln und Ablagerungen eingesetzt und kann die Bearbeitungskosten senken und die Qualität, Genauigkeit und Oberflächengüte des bearbeiteten Produkts verbessern.

Honda wandte sich an Eclipse Magnetics, um die Micromag-Technologie in einer speziell angefertigten Reib- und Bohrmaschine in seinem Werk in Swindon im Vereinigten Königreich einzusetzen. Die von der Honda Engineering Division entwickelte und hergestellte Maschine wird zur Herstellung von Motorventilsitzen verwendet – einer Motorkomponente, bei der Genauigkeit und Qualität der Oberflächenbeschaffenheit von entscheidender Bedeutung sind.

Die Honda-Ingenieure stellten fest, dass im Kühlmittel der Maschine enthaltene Mikropartikel aus Metall die Oberflächenbeschaffenheit des bearbeiteten Ventilsitzes negativ beeinflussen könnten, was wiederum die Motoreffizienz beeinträchtigen könnte.

Der für diesen Prozess vor Ort verantwortliche Ingenieur Peter Jones glaubte, dass die Magnetfiltration die Lösung sein könnte. Peter Jones sagte: „Seitdem wir Micromag in unseren Prozess integriert haben, haben wir festgestellt, dass das Gerät nicht nur potenziell schädliche Metallpartikel effizient entfernt, sondern auch durch seine wartungsfreundlichen Eigenschaften dafür sorgt, dass wir jetzt nur minimale Maschinenausfallzeiten haben.“

Der Magnetkern im Micromag besteht aus Neodym-Eisen-Bor-Magneten, die ein Magnetfeld hoher Intensität erzeugen. Die Flüssigkeit gelangt in das Gehäuse und wird über radial konische Strömungskanäle gleichmäßig an der Unterseite eines Aluminiumdeckels verteilt. Die Flüssigkeit fließt an der Außenseite des Magnetkerns entlang, wo magnetische Partikel durch das hochintensive Magnetfeld angezogen werden.

Der zentral positionierte Magnetkern nutzt einen geometrischen Magnetkreis. Die Magnete sind um eine zentrale Magnetflussrückführungsabschirmung herum angeordnet, um sicherzustellen, dass die gesamte Leistung der Magnete genutzt wird und gleichzeitig ein unbeeinträchtigter Flüssigkeitsfluss gewährleistet ist, selbst wenn der Kern vollständig mit Verunreinigungen gesättigt ist.

Wässrige oder chemische Waschprozesse basieren auf einer Feinfiltration, um sicherzustellen, dass Motorteile frei von Partikeln sind. Zur Herstellung wässriger Lösungen ist hochreines Wasser erforderlich, wobei die Umkehrosmose-Membrantechnologie (RO) zur Erfüllung der erforderlichen Spezifikationen eingesetzt wird.

Die elektropositive RO-Vorbehandlung wird in großem Umfang eingesetzt, um die Membranlebensdauer in hochreinen Wassersystemen zu verlängern. Nahezu alle Hersteller von RO-Membranen geben eine Mindestqualität für das Speisewasser ihrer Systeme an, um die Systemintegrität und eine wirtschaftliche Kapitalrendite aufrechtzuerhalten. Typische Spezifikationen umfassen Speisewasser mit < 1,0 NTU (nephelometrische Trübungseinheiten) und einem Silt Density Index (SDI) von < 3,0.

Argonide hat seine elektropositive Faltenfilterpatrone NanoCeram® im Vergleich zu mehreren im Handel erhältlichen RO-Vorfiltern getestet. Argonide behauptet, dass seine NanoCeram-Filterkartusche im Vergleich zu diesen anderen im Handel erhältlichen Filterkartuschen einen erheblichen Vorteil bei der Entfernung von Partikeln im Submikronbereich aufweist. Unter extremer Belastung liefert NanoCeram NTU-Werte unterhalb der nachweisbaren Grenzen und SDI-Werte, die mit UF-Membranen vergleichbar sind – und bietet so einen lang anhaltenden Schutz von RO-Membranen, die anfällig für vorzeitiges Fouling sind.

NanoCeram-Filter wurden in einem RO-System in einer Toyota Motor Manufacturing-Anlage installiert, die eine kommunale Wasserquelle nutzt. Vor der Installation der elektropositiven Filter betrug der SDI des Speisewassers des Systems durchschnittlich 4,42. Nach dem Einbau von NanoCeram-Filterkerzen betrugen die SDI-Werte durchschnittlich 1,19.

Vor der Installation von NanoCeram-Filtern reinigte Toyota seine RO-Membranen alle 1–2 Wochen und tauschte diese Membranen alle 2–3 Monate aus, da die Membranen vorzeitig und irreversibel verschmutzt waren. Nach der Installation der NanoCeram-Filterkerzen und einer anfänglichen Anlaufzeit von zwei Monaten waren die Membranen zwölf Monate lang ohne Reinigungsbedarf in Betrieb.

In diesem Abschnitt konzentrieren wir uns auf innovative Technologien, die bei der Herstellung von Automobilkarosserieteilen, deren Reinigung, Oberflächenvorbereitung und anschließender Mehrschichtlackierung zum Einsatz kommen. Wir befassen uns mit der Reinigung von Schwefeldioxid in der Formenherstellung, der Trennung von Feststoffen aus Vorphosphatlösungen und einer weiteren innovativen Anwendung von Magnetismus in der Farbküche, um die Lebensdauer bestehender Patronen- und Beutelfilteranlagen zu verlängern.

Die Herstellung von Karosserieteilen erfordert die Herstellung spezieller Sandformen. Bei Sandform-Härtungsprozessen ist eine Reinigung mit Schwefeldioxidgas erforderlich. Götaverken Miljö hat ein Schwefeldioxid-Reinigungssystem an die Gießerei der Volvo Powertrain Corporation in Skövde, Schweden, geliefert (siehe Abbildung 3). Der zur Reinigung benötigte Gasstrom enthält große Mengen Schwefeldioxid, etwa 70 g/Nm3. Die Notwendigkeit einer Gasaufbereitung entsteht, weil die Sandformen, die im Gießprozess verwendet werden, mit Schwefeldioxid ausgehärtet werden.

Das verunreinigte Schwefeldioxid wird mittels einer Gebläseabsauganlage aus der Form entnommen. Das Gebläse setzt das Gas in einem Reaktor unter Druck, wo es mit Kalk reagiert und Gips bildet. Eine kleine Menge Schwefeldioxid diffundiert aus der Form in das umgebende Gehäuse. Dieses Gas wird gesammelt und zu einem Wäscher geleitet, wo das Schwefeldioxid in Schwefelsäure umgewandelt wird. In einem zweiten Schritt wird die gebildete Schwefelsäure in Gips umgewandelt.

Bei diesem Verfahren werden keine Sulfate an das Wasser abgegeben und die Konzentration des an die Luft abgegebenen Schwefeldioxids ist sehr gering. Als einziges Restprodukt entsteht Gips, der beispielsweise in der Zementindustrie wiederverwendet werden kann.

Die Montage der Fahrzeugkarosserie erfordert mehrere Schritte, bei denen bei jedem Schritt Abfallpartikel entstehen können, die zu Verunreinigungen bei den nachfolgenden Lackiervorgängen führen können. Beim Verschweißen von Autoblechen und Seitenpfosten mit dem Fahrzeugrahmen entstehen Schweißspritzer, während beim Fertigschleifen zusätzliche Schleifpartikel und Schlacke entstehen. Auch Schmutz aus der Werkstattatmosphäre kann an den Platten haften. Diese Verunreinigungen müssen vor der ersten Oberflächenvorbereitung vom Fahrzeug entfernt werden, um eine glatte Oberfläche für den Lackiervorgang zu schaffen.

Patronen- und Beutelfiltrationssysteme werden in der Automobilherstellung und in vielen Prozessindustrien häufig zur Entfernung grober und feiner Partikel eingesetzt. In der Automobilindustrie werden sie vor allem zur Oberflächenvorbereitung und zur Filtration der verschiedenen Lacke und Beschichtungen in der Lackierküche eingesetzt.

Bei der ersten Oberflächenvorbereitung kommen typischerweise Flüssigkeiten auf Phosphatbasis zum Einsatz. Im anschließenden Lackierprozess werden mehrere Schichten (in der Regel fünf Schichten) aufgetragen, um das endgültige Erscheinungsbild zu erzielen. Verunreinigungen auf der Metalloberfläche vor der ersten Phosphatschicht können nach der fünfschichtigen Beschichtung zu deutlichen Schönheitsfehlern am fertigen Fahrzeug führen. Während in der Branche Benchmarks festgelegt wurden, um eine bestimmte Anzahl von Fehlern pro Karosserieteil zu berücksichtigen, erfordern Zahlen, die über die akzeptablen Grenzen hinausgehen, eine manuelle Inspektion und manuelle Nachbearbeitung, was zu höheren Kosten und Ineffizienzen für die Automobilhersteller führt.

Ein großer Automobilhersteller mit Sitz in Detroit, USA, war aufgrund der unzureichenden Leistung seines vorhandenen Beutelfiltersystems mit inakzeptablen Lackfehlern und auffälligen Schönheitsfehlern an fertigen Fahrzeugen konfrontiert.

Während die verwendete Beutelfiltration bei der Entfernung von Faserfeinstoffen (im Bereich von 150–400 μm) wirksam war, war sie bei der Entfernung der anderen großen Verunreinigungen, die auf Fehler zurückzuführen sind, wie Schweißkugeln und Schleiffeinstoffe, unwirksam. Die Verwendung von Filterbeuteln mit höherer Filterleistung führte zu Wartungs- und Kostenproblemen, während die Filterbeutel mit höherer Filterleistung zu viele potenzielle Lackfehler verursachten. Offensichtlich waren die Beutelfilter bei der Beseitigung der Schweißkugeln und Mahlfeinstoffe unwirksam.

Da der Automobilhersteller die Notwendigkeit erkannte, alle Feststoffe zu entfernen, die in seinem Vorphosphat-Körperwaschbetrieb vorhanden waren, installierte er Lakos-Separatoren als Vorbehandlungssystem in der Waschwasser-Umwälzleitung vor den Beutelfiltern, um große Partikel effizient vorzufiltern wie Schweißkugeln, Mahlgut und Schlacke.

Durch die Verwendung der Separatoren zur Entfernung dieser schwereren Feststoffe können die Beutelfilter jetzt eine höhere Beladung mit kleineren Partikeln aufnehmen, Fasern und Dichtmittel entfernen, die Lebensdauer der Filterbeutel maximieren und die Effizienz von Beuteln mit größerer Mikrometergröße steigern. Lakos geht davon aus, dass Lackfehler in einigen Automobilwerken dadurch um bis zu 85 % reduziert wurden. Für diesen Fahrzeughersteller wurde das Verfahren mittlerweile weltweit übernommen.

Der magnetische Vorfilter von Amazon FerroStik ist eine weitere innovative Anwendung von Magnetismus, die ebenfalls zur Verlängerung der Lebensdauer von Beutelfiltern sowie Patronenfiltern bei Farb- und Beschichtungsfiltrationsanwendungen entwickelt wurde. Die Leistung dieser Filter kann erheblich gesteigert werden, indem sie vorgeschaltet mit magnetischer Vorfiltrationstechnologie geschützt werden. Das reinigbare FerroStik-System kann die Filterlebensdauer verlängern und die Filtratqualität verbessern.

Das System von Amazon besteht aus vier hochintensiven Magnetstäben, die in einem Standard-Taschengehäuse aufgehängt sind (siehe Abbildung 4). Der Magnetfilter entfernt sowohl große als auch kleine Eisenpartikel, die andernfalls den Endfilter verstopfen oder ihn passieren und in der Flüssigkeit verbleiben würden. Sobald die Magnete verschmutzt sind, können sie vor Ort gereinigt und wieder in Betrieb genommen werden.

Amazon FerroStik-Systeme können fest installiert oder als tragbare Einheiten mit flexiblen Schläuchen verwendet werden. Die magnetischen Filtersysteme können im Single-Pass-Modus oder in einem Umwälzsystem für maximale Partikelentfernung eingesetzt werden. Zu den von Amazon identifizierten Hauptvorteilen gehören eine verbesserte Filtratqualität, ein verbesserter Schutz der nachgeschalteten Ausrüstung, eine längere Filterlebensdauer und geringere Betriebskosten.

Nach Abschluss der Grundkonstruktion werden zahlreiche Komponenten in Fahrzeuge eingebaut und bei deren Herstellung, Installation und Betrieb verschiedenste Filter- und Trennverfahren eingesetzt. Wir konzentrieren uns hier auf eine innovative Technologie, die eine einfache Gastrenntechnik nutzt und in der Werkstatt und in der örtlichen Garage eingesetzt werden kann.

Die von Parker Hannifin entwickelten TyreSaver-Systeme wurden speziell für das Aufpumpen von Reifen mit Stickstoff entwickelt. Die Technologie kann innerhalb von Produktionslinien oder in kleinerem Maßstab für den Einsatz durch Kfz-Servicepersonal bei Reifenmontage- und Wartungsprozessen installiert werden (siehe Abbildung 5). Parker weist darauf hin, dass trockener Stickstoff weniger schnell aus Reifen austritt (drei- bis viermal) als die normale Druckluft, die üblicherweise zum Aufpumpen von Reifen verwendet wird, was verschiedene Vorteile mit sich bringt, darunter eine längerfristige Stabilität des Reifendrucks, geringeren Widerstand, weniger Verschleiß (bis zu 25 %), weniger Kraftstoffverbrauch (bis zu 8 %), weniger Kohlendioxidemissionen, bessere Leistung und mehr Sicherheit.

Das System von Parker umfasst Membrantechnologie zur Gastrennung auf Basis von Hohlfasern. Das Funktionsprinzip besteht aus einem Bündel tausender Hohlfasern, die den Sauerstoff gezielt durchströmen lassen. Ein Membranmodul besteht aus einem Faserbündel, das an beiden Enden in einem Rohr befestigt ist. Die in dieses Membranmodul eintretende Druckluft enthält normale atmosphärische Anteile an Gasen, die hauptsächlich aus Sauerstoff und Stickstoff bestehen, mit geringfügigen Zusätzen anderer Gase wie Wasserdampf, Helium und Spurengasen. Neben Sauerstoff passieren selektiv Wasserdampf, Helium und Sauerstoff die Membranwand und hinterlassen hauptsächlich Stickstoff zum Aufpumpen des Reifens.

Wir haben gesehen, dass eine Reihe der eingesetzten Filtertechnologien nachgerüstet wurden, um den Betrieb bestehender, leistungsschwacher Anlagen zu verbessern. Dies hat den Automobilherstellern kosteneffiziente Lösungen geboten, die die Installation fortschrittlicher Vorbehandlungsgeräte mit Abscheidern, Magnetfiltern und elektropositiver RO-Vorbehandlung beinhalten. Dies hat zu Kosteneinsparungen sowie zu Umweltvorteilen geführt, die sich aus der geringeren Verwendung von Verbrauchsmaterialien für die Filterung ergeben.

Mit der Abkehr vom Verbrennungsmotor werden die Anforderungen an die Partikelentfernung bei der Produktion und dem Betrieb von Motoren immer strenger, was den Bedarf an einem umfassenden Einsatz von Vorbehandlungstechnologien in bestehenden Produktionslinien erhöht. Die prognostizierte Entwicklung elektronischer Systeme in Fahrzeugen, der Einsatz von Elektromotoren und Brennstoffzellen sowie die Einführung von HCCI-Motoren und Abgasrückführungstechniken sind Faktoren, die mittelfristig überlegene Filtrationsprodukte mit hohen Abscheidespezifikationen erfordern. Dies dürfte die Entwicklung der Nanobeschichtungstechnologie vorantreiben und den anhaltenden Trend zu kompakteren und integrierten Filtrationslösungen beschleunigen.