Warum gibt es Probleme im Sortiertopf mit Elektrostatik?

Einflussparameter die zu Störungen führen können

Die Luftfeuchtigkeit im Verarbeitungsbereich

Der Zeitpunkt der Konditionierung und Verarbeitung

Die Produktionsdauer und Summierung der Ladung

Erwärmung des Sortiertopfs und der Blasluft

Die elektrische Leitfähigkeit der zu sortierenden Teile

Die Beschaffenheit der Oberfläche im Sortiertopf

Sortiertöpfe werden auch Vibrations-Wendel-Fördereinheiten, Fördertopfe, Schwingfördertöpfe oder Zuführtöpfe genannt. Sie werden zur Vereinzelung kleiner Teile aus einer Menge heraus verwendet. Die Teile werden häufig als Schüttgut angeliefert. Handelt es sich bei diesen Teilen um kleine, leichte Teile aus isolierendem Material, meistens Kunststoff, kann Elektrostatik zu einem echten Störfaktor werden. Die Teile sollen einzeln, schnell genug einer Montagelinie zugeführt werden. Aus der Menge heraus werden die Teile durch eine schwingende, vibrierende Bewegung eine Wendel herauf über einen Ausrichtebereich, in eine lineare Zuführstrecke gefördert. Hier kann das lagerichtig ausgerichtete Einzelteil von einem Greifer übernommen und einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden.




Verursacht durch die Vibrationen mit der die Teile gefördert werden, reiben diese aneinander und an der Fläche der Fördereinheit. Durch dieses kontinuierliche Reiben baut sich nach und nach elektrostatische Ladung auf. Die Teile beginnen aneinander zu kleben. Oft bleiben sie auch an den Flächen der Fördereinheit kleben, es kommt zum Stau. Auch können sie über den Rand des Sortiertopfes hinaus laufen. Außerhalb fallen sie dann irgendwann mal neben dem Topf herunter. Die zur störungsfreien Produktion notwendige Fördermenge wird nicht mehr erreicht.




Wann es zu diesen Störungen kommen kann, hängt wie es nun mal bei der Elektrostatik so ist an zahlreichen Parametern. In erster Linie wirken sich im Sortiertopf die Parameter Isolationsfähigkeit bei der Materialbeschaffenheit, die Form und das Gewicht, die Luftfeuchtigkeit, die Dauer und Stärke der  Vibrationen aus. Lassen Sie uns diese kritischen Einflussparameter mal genauer betrachten.




Pauschal gesagt: Ist die Luftfeuchtigkeit hoch, geht die Elektrostatik in die Knie. Dies lässt sich so erklären. Die Oberflächen der einzelnen zu sortierenden Teile können sich innerhalb eines Bereiches mit hoher Luftfeuchtigkeit wesentlich besser konditionieren. Aus dieser Luftfeuchtigkeit kann in mikrofeinen Mengen etwas Feuchte aufgenommen werden. Dies geschieht selbst auf Kunststoffoberflächen die man eigentlich als wasserdicht, nicht saugfähig bezeichnen könnte. Diese sehr minimale Feuchtigkeitsaufnahme der Oberfläche kann dafür sorgen, dass die während der Vibrationen entstehende Ladung zwar minimal aber trotzdem sukzessive abfließen kann. Ein kontinuierliches Aufbauen der Ladung findet nicht oder nicht störungsverursachend statt.




Zum Einflussparameter Luftfeuchtigkeit muss auch noch der Faktor Zeit berücksichtigt werden. Beispielsweise Kunststoffteile die soeben erst aus der Spritzgiessmaschine entformt wurden sind noch sehr warm. Würde man diese sehr frischen Teile im noch leicht warmen Zustand in einem Sortiertopf ihrer weiteren Verarbeitung zuführen, würde man feststellen, dass es trotz hoher Luftfeuchtigkeit zur Aufladung und zu Störungen kommen kann. Die Gründe hierfür liegen ganz einfach zum einen in der Zeit. Die Oberflächen der Teile hatten nicht genug Zeit sich ausreichend mit mikrofeiner Feuchtigkeit zu konditionieren Zum Anderen kommt nun auch noch die höhere Temperatur der Teile hinzu. Diese sorgt dafür, dass die wenige aufgenommene Feuchtigkeit sofort wieder abtrocknet. Gibt man den frischen Kunststoffteilen etwas Zeit, also durchaus mehrere Stunden um sich abzukühlen und ihre Oberflächen sich aus der Luftfeuchte zu konditionieren so stellt man fest, dass sie sich nun im Sortiertopf wesentlich unproblematischer verhalten.

Übrigens können auch feinste Niederschläge aus Staub, Russ, Fetten, Öl, Gummiabrieb und so weiter zu einer Konditionierung und minimalen Leitfähigkeit der Oberflächen führen. Verschmutzte Teile laden sich also weniger gut elektrostatisch auf als blitzsaubere Teile.




Ein elektrostatisches Ladungsniveau baut sich im Sortiertopf nach und nach auf. Mit zunehmender Zeit während die zu sortierenden Teile aneinander reiben summiert sich die Ladung. Dieses Ladungsniveau kann so stark ansteigen, dass es nicht nur zum gegenseitigen Verkleben und zum Teilestau kommt, sondern es können sogar Entladungsfunken auftreten. In dieser nicht ganz unproblematischen Situation können auch auf das Bedienpersonal Funkenüberschläge stattfinden, kommen sie in die Nähe der Teile im Sortiertopf. Wie stark sich dieses Ladungsniveau aufstaut hängt natürlich auch an allen anderen genannten Parametern.




Kommen wir nochmals auf das Thema Wärme zurück. Auch die Betriebsdauer der Anlage spielt eine Rolle. Oft konnte schon beobachtet werden, dass morgens die Anlage wunderbar läuft. Es treten keine Störungen durch Elektrostatik auf. Im Laufe des Vormittags kann ordentlich produziert werden. Aber irgendwann mal um die Mittagszeit herum geht das Theater los. Wie von Geisterhand gehindert bleiben nach und nach immer mehr Teile im Sortiertopf stehen und verklumpen miteinander. Die Produktion stockt. Was ist da los? Gute Frage. Die gesamte Anlage hat sich im Laufe des Vormittags ordentlich erwärmt. Zusätzlich ist auch die Blasluft mit der die Teile über einzelne Positionen hinweg gefördert werden sollen etwas wärmer als am Morgen. Insgesamt hat sich auch der Produktionsbereich um die Anlage herum erwärmt. Wurde nicht künstlich Luftfeuchtigkeit zugeführt, ging mit zunehmender Erwärmung der Luft die relative Luftfeuchtigkeit nach unten. Alle Oberflächen erwärmten sich. Dies zwar nur minimal aber immerhin ausreichend um eine mikrofeine Konditionierung mit Feuchtigkeit zunichte zu machen. Geringe Luftfeuchtigkeit bedeutet trockene Oberflächen bedeutet hohe Gefahr elektrostatischer Aufladung. Ganz einfach.




Der elektrische Oberflächenwiderstand sowie der elektrische Durchgangswiderstand eines Materials geben darüber Ausschlag ob elektrostatische Ladung entsteht oder nicht. Bei Kunststoffteilen aus elektrisch hochisolierendem Silikon beispielsweise, gehen Oberflächenwiderstand und Durchgangswiderstand (in Ω Ohm gemessen) praktisch ins Unendliche. Auch Polypropylen oder Polyethylen fallen durch ihre sehr hohen elektrischen Widerstände auf. Dies natürlich immer unter dem Aspekt, dass diesen Kunststoffen keinerlei elektrisch leitfähig machenden Additive zugesetzt wurden. Reine Kunststoffe ohne dem Antistatik Additiv können sich sehr stark elektrostatisch aufladen. Ergänzend sei erwähnt, dass sich eine ausreichende und damit wirksame Beimischung von auf der Oberfläche wirkenden Antistatik Additiven in vielen Bereichen verbietet. Denken Sie an Lebensmittelverpackungen oder Verpackungen sensibler Pharmazeutika. Diese Additive könnten das Produkt nachweisbar kontaminieren.




Logischerweise sollten die zu sortierenden Teile im Sortiertopf ungehindert laufen können. Idealerweise sollten dabei die Berührungspunkte zwischen den Teilen und der Oberfläche des Sortiertopfes so klein und gering wie möglich gehalten werden. Der Grund hierfür liegt in dem Umstand, dass die Ladung umso stärker entsteht und ansteigt je größer die Flächen sind die aneinander reiben. Man kann nun natürlich mit unterschiedlichsten Beschichtungen wie Filzmatten oder Förderbürsten dafür sorgen, dass es nur winzige Berührungspunkte zwischen den Teilen und der Gleitfläche im Sortiertopf gibt. Hierbei ist dann aber auch darauf zu achten, dass aus dem Filz oder den Bürsten kleine Fasern oder Borsten ausbrechen können, die an den zu sortierenden Teilen hängen bleiben und verschleppt werden können. In der Praxis tauchten auch schon weniger geeignete Ansätze auf, die Gleit- und Reibflächen so gering wie möglich zu halten. Diese Flächen einem Sandstrahlverfahren zu unterziehen wäre einer dieser Ansätze. Vergleichbar wäre dies mit dem Auskleiden der Flächen mit grobem Schleifpapier. Würde man die Bodenflächen eines Sortiertopfes mit Schleifpapier auskleiden, könnte man auch gleich Sand ins Getriebe schütten. Der Effekt wäre identisch. Nichts ginge mehr. Der mechanische Reibwiderstand den die Teile auf dem Schmirgelpapier, also auf den Spitzen der Sandkörnchen erfahren würden wäre einfach viel zu hoch. Besser geeignet zeigt sich eine Gleitfläche deren Kontaktflächen an ihren oberen Punkten aus kleinen Rundungen bestehen. An diesen feinen Rundungen, die sich fast samtig anfühlen, bleibt kaum ein Teil hängen. Es kann sich nichts verhaken. Zudem besteht keine Gefahr, dass eventuell sensible Teile verkratzt werden könnten.




Oft wird die Frage gestellt was denn als Gleitfläche im Sortiertopf besser sei, eine elektrisch leitfähige oder eine isolierende Oberfläche. Grundsätzlich sollte man hier der elektrisch leitfähigen Variante den Vorzug geben. Zwar sieht die elektrostatische Ladung, die auf den Teilen ruht, in der leitfähigen Oberfläche ein relativ hohes Gegenpotential, aber beachtete man den vorhergehend Tipp mit der reduzierten Oberfläche kann dieser Aspekt durchaus vernachlässigt werden. Würde man umgekehrt eine Beschichtung der Oberfläche wählen die aus elektrisch isolierendem Material bestehen würde, würde die Ladung der Teile auch hier, also durch die isolierende Beschichtung hindurch das darunter liegende Gegenpotential erkennen. Der Trend hier aufgrund des geringeren Spannungsgefälles haften zu bleiben ist trotzdem vorhanden. Dieser Trend ist hier zwar weniger stark, denn es befindet sich ja eine isolierende Schicht zwischen Potential und Gegenpotential. Allerdings handelt man sich mit einer isolierenden Beschichtung der Gleitflächen ein ganz anderes Problem ein. Nämlich, dass diese isolierende Schicht sich im Laufe der Zeit durch die vorbei vibrierenden Teile selbst elektrostatisch auflädt. Gehen dann durch dieses summierte Ladungsniveau Feldlinien in den Raum heraus, von denen wiederum Kräfte ausgehen können, können diese leichte Teile in ihrem Laufe irritieren und zusätzlich für Störungen sorgen.

In der Praxis muss in manchen Fällen aus diversen Gründen darauf verzichtet werden die Gleitflächen aus reinem Metall zu belassen. Hier kann man einen Mittelweg wählen. Hartcodierungen die eine samtige Oberfläche ohne feine Kanten und Zacken hinterlassen wären hier  beispielsweise das Mittel der Wahl.




Je stärker die Vibrationen, die Schwingung eingestellt sind, umso stärker und umso schneller kann sich die elektrostatische Ladung aufbauen. Die Vibrationsstärke sollte daher immer an der möglichen Untergrenze eingestellt werden an der gerade noch ein ausreichender Transport gewährleistet ist.




Wie bereits erwähnt gehen von den Feldlinien der elektrostatischen Ladung Kräfte aus. Diese Kräfte sorgen im ungünstigen Zusammenspiel der Parameter für ein Stocken und Verklumpen der Teile. Diesen Effekt kann man hauptsächlich beobachten wenn es sich um kleine, sehr leichte Teile mit einer verhältnismäßig großen Oberfläche handelt. Im Bild rechts sehen Sie ein Beispiel für derartige Teile die hier auf einem roten Untergrund liegen. Diese flachen Teile liegen praktisch fast immer mit ihrer gesamten Fläche auf der Gleitfläche des Sortiertopfs. Mit ihrer gesamten Fläche reiben sie dann auch daran. Es kann sich aufgrund dieser relativ großen Reibungsfläche ein sehr hohes Ladungsniveau aufbauen das zu den bekannten Störungen führt. Betrachten wir Teile mit einer geringfügig anders geformten Oberfläche. Die Teile auf dem blauen Untergrund sind auf ihren beiden großen Berührungsflächen deutlich reduziert. Die inneren Flächen liegen etwas vertieft. Lediglich die ringförmig hervor stehenden Oberflächen berühren die Gleitfläche des Sortiertopfs. Nun könnte man meinen aufgrund der deutlich reduzierten Reibungsfläche könnte sich hier kaum elektrostatische Ladung aufbauen, aber man kann sich auch täuschen. Die Teile liegen im Sortiertopf wild durcheinander und übereinander. Es kommt hier trotzdem zu Reibung auch auf den vertieften Flächen. Diese liegen, ganz einfach, nicht tief genug, als dass sie nicht auch von anderen Teilen berührt und gerieben werden könnten. Auch auf diesen leicht vertieften Flächen würde Ladung entstehen die wiederum mit ihren Feldlinien zu Störungen führen kann. Um mit halbwegs präziser Sicherheit vorher sagen zu können welche Teile beim Sortieren Probleme machen und welche nicht, genügt oft ein Blick und die grobe Abschätzung des Verhältnisses zwischen Oberfläche, Gewicht und der Größe der sich berührenden Flächen. Wenn es sich so ergibt, dass wie bei den Teilen auf dem gelben Untergrund die sich berührenden Flächen nur aus dünnen Linien oder feinen Kreisen bestehen, findet man schonmal einen der kritischen Einflussparameter vermindert. Sofern gleichzeitig das Gewicht dieser Teile relativ hoch ist, kann man davon ausgehen, dass sie mit der Kraft ihres Gewichtes über die aus der Ladung resultierende Klebkraft einfach hinweg walzen. Mit diesen Teilen dürften es beim Sortieren also weniger Probleme mit Elektrostatik geben.




Antistatik Spray

Kommt es zu Stauungen im Sortiertopf führt einer der ersten Griffe zu einem Antistatik Spray. Man sprüht einen elektrisch leitfähigen Film auf die Oberfläche der Teile und der Fördereinheit. Die eingesprühten Oberflächen werden hierbei mit einem chemischen Mittel benetzt. Dies wiederum kann zu späteren unerwünschten Kontaminationen sensibler Produkte wie Lebensmittel, Pharmazeutika oder Spielzeug führen. Ebenso kann diese Chemikalienbenetzung in den folgenden Fertigungsprozessen zu Schmierfilmen und Schmutzanlagerungen führen. Nach einer gewissen Zeit nützt sich dieser leitfähige Film dann auch wieder ab oder geht ganz einfach mit den hinweg geförderten Teilen mit. Man muss also regelmäßig das Einsprühen wiederholen.


Feuchtigkeit

Man kann auch fein vernebeltes Wasser auf die Teile im Sortiertopf sprühen. Die elektrostatische Ladung fließt über diese Feuchtigkeit sehr schnell ab. Allerdings kann es auch hierbei zu Problemen mit der Sauberkeit und Hygiene kommen. Zusätzlich zu den Problemen die es mit den Antistatik Sprays geben kann, besteht die Gefahr, dass sich Rost im Sortiertopf und an der Fördereinheit bildet.


Talkum

Die feinen Pulverpartikel dienen als Distanzhalter zwischen den Oberflächen. Die Oberflächen die aneinander reiben und sich so gegenseitig aufladen könnten werden durch die Pulverpartikel auf Distanz gehalten, der Reibungsfaktor wird vermindert. Es wird weniger Ladung generiert.


Erdungskabel

Wird ein Erdungskabel in die Fördereinheit gehängt, kann im besten Fall nur dort etwas Ladung gegen das angeschlossen Erdpotential abfließen, wo das Kabel direkt mit den geladenen Teile in Kontakt kommt. Von allen anderen Stellen der geladenen Oberflächen kann die Ladung nicht in Richtung des Kabels fließen. Es handelt sich ja um elektrostatische, ruhende, nicht fließende Ladung auf nicht elektrisch leitfähigen Oberflächen.




Das kontinuierlich Entstehen der elektrostatischen Ladung während der Vibrationen im Sortiertopf kann nicht verhindert werden. Wie bereits beschrieben summiert sich diese Ladung nach und nach zu einem hohen Niveau auf dem es zu den gefürchteten Problemen kommen kann. Und genau diese Summierung der Ladung kann durch den Einsatz sogenannter Ionisationsbläser verhindert werden. Strömende Luft, angereichert mit den vom Ionisationsgerät generierten Gasionen, transportiert diese in den Sortiertopf auf die sich darunter hindurch bewegenden Teile. Dabei ist es unerheblich ob diese Luftströmung von einem Ventilator oder aus einer Drucklufterzeugung stammt. Ersteres dürfte auf Dauer kostengünstiger sein. Im Bild rechts sehen Sie  ein Beispiel für typische Ionisationsbläser, hier blau dargestellt. Die beste Wirkung erzielt man mit einem Ionisationssystem das mit strömender Luft die Gasionen über eine möglichst große Flächenausdehnung in den Sortiertopf streuen lässt. Diese Gasionen dienen der Neutralisierung der ständig neu entstehenden Ladung auf der Oberfläche der Teile. Ein gleichmäßiger Luftstrom sollte daher möglichst alle Teile einmal erreichen während sie unter dem Ionisationbläser hinweg laufen. Das höchste Ladungsniveau bildet sich in der Masse der Teile auf dem Boden des Sortiertopfes. Der Hauptluftstrom, angereichert mit den Gasionen, sollte daher auch in diese Richtung zielen. Allerdings nimmt auch jedes einzelne Teil seine elektrostatische Ladung mit auf seinem Weg hoch über die Wendel. Zusätzlich baut sich hier noch durch die Transportvibration nach oben weitere Ladung auf, bis letztendlich die Teile auf der Wendel kleben bleiben oder sogar über den Topfrand hinaus laufen. Um dies zu vermeiden sollte die ionisierte strömende Luft zusätzlich auf die Teile in der Wendel zielen.

Um die Wirkung der in der Blasluft strömenden Gasionen nicht zu stark einzuschränken sollte darauf geachtet werden, dass die Entfernung zwischen dem Ionisationsbläser und den geladenen Teilen maximal 15 cm bis 20 cm beträgt. Je höher die Ionisationsgeräte über dem Sortiertopf hängen, umso weniger Ionen kommen letztendlich unten auf den Teilen an. Die strömenden Ionen neutralisieren sich auf ihrem Weg von der Ionisationsnadelspitze zur geladenen Oberfläche. Verwenden Sie druckluftunterstützte Ionisationssysteme genügt üblicherweise eine Einstellung der Druckluft zwischen 0.5 und maximal 1.0 bar. Die Druckluft sollte natürlich frei von Öl, Staub und Wasser sein.

Egal ob man nun ein Ionisationssystem mit Druckluft oder mit einem Ventilator verwendet, die strömende ionisierte Luft sollte so stark sein, dass man noch am Boden des Sortiertopfes eine leichte Luftströmung bemerken kann.


Stand 15.05.19

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Oberfläche im Sortiertopf ist glatt
Oberfläche im Sortiertopf ist rau und gezackt
Oberfläche im Sortiertopf ist fein wellig abgerundete Kuppen

Elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche im Sortiertopf

Die Vibrationsstärke

Form und Gewicht der Teile

Leichte glatte Kunststoffteile können besser an Oberflächen haften
Beispielbild Kunststoffteile mit reduzierter Berührungsfläche
Beispielbild Kunststoffteile mit wenig Berührungsflächen

Welche einfachen Gegenmaßnahmen kann man ergreifen?

Verwendung eines Ionisationssystems

Ionisationsgeräte über einem Sortiertopf Wendelförderer

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