DBU-Abschlussbericht-AZ-29514

Transcrição

MAGNA Naturstein GmbH
Im Mittelfeld 1
39326 Loitsche
Vorhaben:
„Oberflächenmodifikation von Naturstein- und FeinsteinzeugBodenplatten für minimalen Einsatz von Reinigungsmitteln“
Abschlussbericht über ein FuE-Projekt,
gefördert unter dem Aktenzeichen AZ 29514 von der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt
vorgelegt von:
Jochen Thumm
Herbert Fahrenkrog
Ulf Mielke
Kai Nebel
Martin Tubach
Xuan-Quang Vu
Loitsche, den 18.02.2013
06/02
Projektkennblatt
der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt
Az
29514
Antragstitel
Referat
21/2
Fördersumme
125.000 €
Stichworte
„Oberflächenmodifikation
von
Natursteinund
FeinsteinzeugBodenplatten für minimalen Einsatz von Reinigungsmitteln“
Oberflächenmodifikation, Natursteinbodenplatten, Reinigungsmittel
Laufzeit
12 Monate
Projektbeginn
06.07.2011
Zwischenberichte
alle 6 Monate Kurzberichte
Bewilligungsempfänger MAGNA Naturstein GmbH
Im Mittelfeld 1
39326 Loitsche
Projektende
30.11.2012
Projektphase(n)
1 (2)
Tel: 039208/271-0
Fax 039208/23407
Projektleitung
Herr Jochen Thumm
Bearbeiter
Herr Jochen Thumm
Kooperationspartner
Reutlingen Research Institute (RRI), Hochschule Reutlingen
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Bodenbeläge aus Feinsteinzeug und Naturstein werden poliert und dann durch Laserbehandlung mit mikroskopischen Vertiefungen versehen, die eine ausreichende Rutschfestigkeit im Innenbereich nach BGR
181 gewährleisten (Bewertungsgruppe der Rutschsicherheit R9 und R10). Diese Oberflächenbehandlung
und die Reinigung sollen optimiert werden hinsichtlich minimalem Aufwand und minimalem Einsatz von
Reinigungsmittel für Unterhaltsreinigung und der dazugehörigen Grundreinigungsfrequenz. Ziel ist eine
Reduktion um bis zum Faktor 2. Dazu sollen Abstand und Größe der Vertiefungen optimiert und kontrolliert
werden. Die Dosierungen der Reinigungsmittel sollen, ausgehend von der derzeitigen Herstellervorgabe,
eher reduziert werden, die Abstände zwischen den Grundreinigungen, die mit einer starken Umweltbelastung verbunden sind, sollen vergrößert werden. Begleitend soll eine Methode für die Vorhersage und Messung der Verschmutzung entwickelt werden. Diese wird in der Entwicklung benutzt und soll nach dem Projekt für die Optimierungen an anderen Materialien, z. B. PVC oder Polyolefinböden nutzbar sein und auch
als Vorarbeit für eine Zertifizierung der Böden nach LEED dienen. Bislang gibt es zwar Hinweise für die
Vorteile bzgl. Reinigung, die aber weder optimiert noch belegbar sind. Deshalb hat sich dieses Verfahren
noch nicht durchgesetzt. Der Marktanteil liegt bei Naturstein unter 10%, im Bereich Feinsteinzeug weit
niedriger.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
AP 1
AP 2
AP 3
AP 4
AP 5
AP 6
AP 7
Vorversuche
Feldversuche mit Praxisvergleich
Ökobilanz und Optimierung
Stempelentwicklung zur Standardisierung der Bestimmung der Verschmutzung
Stempeltests
Methodenentwicklung zur Bestimmung und Reduktion der Verschmutzungsanfälligkeit
Entwicklung Laserungen zur Behandlung der Oberflächen verschiedener Bodenbeläge
Deutsche Bundesstiftung Umwelt } An der Bornau 2 } 49090 Osnabrück } Tel 0541/9633-0 } Fax 0541/9633-190 } http://www.dbu.de
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Ergebnisse und Diskussion
Von den unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen, die die Bewertungsgruppe der Rutschsicherheit
"R9" erfüllen schneidet die Laserbehandlung hinsichtlich der Reinigungsfähigkeit der Fliesen bei der Unterhaltsreinigung am besten ab. Daraus resultiert, dass eine Minimierung der Umweltbelastung durch
Reinigungschemikalien der Unterhaltsreinigung und der Vorgabe "R9" am ehesten durch eine gelaserte
Oberfläche erzielt werden kann. Eine Quantifizierung wird im Nachfolgeprojekt entworfen werden.
Die Grundreinigungsfrequenz, die abhängig ist von der subjektiven Schmutzwahrnehmung und dem
Schmutzrückhaltevermögen der Oberflächen, ist bei der gelaserten Oberfläche (bei Anforderung "R9")
ebenfalls am geringsten.
Durch die vielen Einflussparameter (Materialschwankungen, Reproduzierbarkeit etc.) sind gesicherte
Aussagen bezüglich der objektiven Reingungsfähigkeit einzelner Grundmaterialien erst nach längeren
Versuchszyklen und nach einer hohen Anzahl an Wiederholungen möglich.
Eine Systemoptimierung, d. h. eine Abstimmung Oberfläche (Laserung) mit Reinigungsmethode und
Medium, birgt zukünftige Entwicklungspotenziale und ist aus Sicht der beteiligten Industrie (Steinhersteller – Chemieindustrie - Reinigungsindustrie) von großem Interesse.
Die Reproduzierbarkeit der Messungen innerhalb des Feldversuches ist gut.
Der Feldversuch bestätigte die Vorteile gegenüber bisherigen Oberflächen
Generell sind die einzelnen Laserparameter noch schwer zu diskriminieren
Der zeitliche Verlauf (=Abnutzung der Fliesenoberfläche) muss noch näher untersucht bzw. über einen
längeren Zeitraum getestet werden.
Vorversuche: Schmutzzusammensetzung („Straßenschmutz“) und Auftragsverfahren sind entwickelt.
Ökobilanz und Optimierung: Potenzielle ökologische Vorteile wurden quantifiziert, Optimierung ist erfolgt,
begrenzt durch die Messmethode des Reinigungsvermögens.
Stempelentwicklung: Gerät zur Fliesenreinigung (Stempel) ist als Prototyp fertig.
Methodenentwicklung: Die im Rahmen des Projekts entwickelte Methode ist nun sehr aussagekräftig.
Die Vorteile der laserbehandelten Oberflächen sind deutlich geworden, müssen jedoch über längere
Zeiträume (Fortführung Feldversuche) verifiziert werden.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Die Zwischenergebnisse wurden bei einem Treffen der Projektpartner mit Dr. Schwake von der DBU am
25.06.2012 präsentiert.
Der Feldversuch in der Betriebshalle der Hochschule Reutlingen diente der Öffentlichkeitsarbeit, da hier
ein reger Publikumsverkehr herrschte. Informationstafeln und Poster informierten über das Vorhaben.
Auf den Homepages des RRI und der Spitzmüller AG wurde je eine Kurzinformation präsentiert.
Das Projekt erweckte bereits großes Interesse bei der „Reinigungsindustrie“ – so wurde die Thematik bei
verschiedenen Firmen präsentiert:
- Fa. Vermop, Gilching (Reinigungssysteme, textile Wischbezüge)
- Fa. Werner & Merz, Mainz (Chemikalien zur Bodenpflege)
Die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Bodenoberflächen, Verschmutzung so-wie Reinigungsmedien soll in zukünftigen Kooperationen mit den Firmen weiter untersucht werden.
Der SWR war im Februar beim RRI und es wird einen Radiobeitrag über das Projekt bis Ende März geben, eventuell auch einen Fernsehbeitrag.
Auf der 46th International Detergency Conference (9.-11.4.2013, Düsseldorf) wird Herr Nebel das Projekt
im Rahmen eines Vortrags präsentieren: „Practice Orientated Correlation between Cleaning Behavior
and Antislip Surface Modification by Laser Technology”
Magna (Herr Fahrenkrog) wird am Arbeitskreis des FRT / WfK (Forschungsinstitut für Reinigungstechnik, Krefeld) zur Reinigung von mineralischen Bodenbelägen teilnehmen. Hier wurde bereits
ein standardisiertes Merkblatt erstellt, was den anerkannten Stand der Technik im Reinigungsbereich
darstellt [FRT12]. Hierbei wurde bestätigt, dass der Ansatz (Mittel und mechanisches Verfahren), dem
aktuellen Stand der Technik absolut entspricht.
Präsentationen im Bundesinnungsverband und den Landesverbänden der Steinmetze und der Gebäudereiniger durch Magna sind geplant.
Fazit
Die Ergebnisse sind so vielversprechend, dass am 31.08.2012 ein Antrag für Phase 2 des Projektes gestellt wurde. Der Antrag wurde genehmigt und Phase 2 wurde im Dezember 2012 begonnen.
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3
Inhaltsverzeichnis:
Projektkennblatt............................................................................................ 2
I. Verzeichnis von Bildern und Tabellen .................................................. 5
II. Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen und Definitionen ............... 7
1 Zusammenfassung ................................................................................. 9
2 Einleitung: Zielsetzung und Anlass des Vorhabens ......................... 10
2.1
2.2
2.3
2.4
3
Ausgangssituation ...............................................................................................10
Zielsetzung ..........................................................................................................11
Umweltrelevanz/ -entlastung ...............................................................................11
Inhaltliche Änderung/ Laufzeitverlängerung ........................................................12
Hauptteil ................................................................................................ 13
3.1
Darstellung der Arbeitsschritte ............................................................................13
3.2
Ergebnisse und Diskussion .................................................................................15
3.2.1
Vorversuche (AP1) .......................................................................................15
3.2.2
Feldversuch (AP2)........................................................................................24
3.2.3
Ökobilanz und Optimierung (AP3)................................................................30
3.2.4
Stempelentwicklung (AP4) ...........................................................................33
3.2.5
Stempeltests (AP5) ......................................................................................37
3.2.6
Methodenentwicklung (AP6).........................................................................38
3.2.7
Testverfahren ...............................................................................................43
3.2.8
Entwicklung Laserung (AP7) ........................................................................46
4
5
6
7
8
Ökologische, technologische und ökonomische Bewertung........... 47
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation............................................... 48
Fazit........................................................................................................ 50
Literaturverzeichnis.............................................................................. 50
Anhänge ................................................................................................ 51
4
I.
Verzeichnis von Bildern und Tabellen
Abbildungen
Abbildung 1: Farbdifferenz (Verschmutzungsgrad) von Fliesen mit unterschiedlicher
Oberflächenbehandlung nach einer simulierten Reinigung................................................11
Abbildung 2: Ansetzen der Schmutzlösung
Abbildung 3: Malerschale..........................13
Abbildung 4: Benetzung des Wischbezugs........................................................................13
Abbildung 5: Farbdifferenz Impala Fliesen.........................................................................15
Abbildung 6: Farbdifferenz Padang Dunkel .......................................................................15
Abbildung 7: Vergleich der Farbdifferenz aller polierten Fliesen........................................16
Abbildung 8: Vergleich der Farbdifferenz aller geschliffenen Fliesen (K120).....................16
Abbildung 9: Vergleich der Farbdifferenz aller poliert - und gelaserten Fliesen .................17
Abbildung 10: Farbdifferenzen bei Impala, Padang und G603 bei Teststaub ....................18
Abbildung 11: Vergleich der Farbdifferenz polierten Fliesen bei Teststaub .......................18
Abbildung 12: Vergleich der Farbdifferenz geschliffenen Fliesen bei Teststaub................19
Abbildung 13: Vergleich der Farbdifferenz poliert - und gelaserten Fliesen bei Teststaub 19
Abbildung 14: Vergleich der Farbdifferenz Impala Fliesen.................................................19
Abbildung 15: Vergleich der Farbdifferenz Padang Dunkel Fliesen...................................20
Abbildung 16 Vergleich der Farbdifferenz G603 Fliesen ...................................................20
Abbildung 17: Farbdifferenzen polierter (oben), geschliffener (Mitte), und poliert/gelaserter Fliesen (unten) .................................................................................................21
Abbildung 18: Farbdifferenz Feinsteinzeug nach 20 Anschmutzungen .............................22
Abbildung 19: Farbdifferenz Impala nach 20 Anschmutzungen.........................................22
Abbildung 20: Farbdifferenz Padang Dunkel nach 20 Anschmutzungen ...........................23
Abbildung 21: Farbdifferenz G603 nach 20 Anschmutzungen...........................................23
Abbildung 22: Messergebnisse Röwe über die Anzahl der Reinigungszyklen...................23
Abbildung 23: Feldversuch im Gebäude 1 des RRI ...........................................................25
Abbildung 24: Farbdifferenzen Padang Dunkel verschiedener Laserungen ......................27
Abbildung 25: Farbdifferenzen Villeroy & Boch FSZ verschiedener Laserungen...............27
Abbildung 26: Farbdifferenzen Padang Dunkel Oberflächenmodifikationen ......................28
Abbildung 27: Farbdifferenzen Villeroy & Boch FSZ Oberflächenmodifikationen ..............28
Abbildung 28: Reproduzierbarkeit der Farbdifferenz Feldversuch PD geschliffen (K120) .29
Abbildung 29: Treibhauspotential für neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen
Lösung (rechts)..................................................................................................................30
Abbildung 30: Eutrophierungspotential für neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen
Lösung (rechts)..................................................................................................................31
Abbildung 31: Versauerungspotential konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links)
im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts)......................................................................31
Abbildung 32: Photochemisches Oxidantien-Bildungspotential konservativ abgeschätzt für
die neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts). ...............................32
Abbildung 33: Primärenergieverbrauch konservativ abgeschätzt für die neue Lösung
(links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts). ..........................................................32
Abbildung 34: Trinkwasserverbrauch (in Liter) konservativ abgeschätzt für die neue
Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts)...............................................33
Abbildung 35: Das Werkzeug und dessen schematischen Aufbau....................................34
Abbildung 36 ISEL Steuereinheit IMC-P ............................................................................34
Abbildung 37: Schematischer Aufbau der Portaleinheit .....................................................34
Abbildung 38: Skizze des Politurvorgangs.........................................................................35
Abbildung 39: Gesamtaufbau der Restschmutzbestimmungsvorrichtung..........................35
Abbildung 40: Schematischer Ablauf in X / Y - Richtung ..................................................36
Abbildung 41: Farbmessung mit Hunterlab........................................................................36
Abbildung 42: BYK Gardner Glanzmessgerät....................................................................37
Abbildung 43: Glanzmessung in Abhängigkeit des Messwinkels.......................................37
5
Abbildung 44 Naturstein Fliesen 1: G603, 2: Impala, 3: Padang Dunkel ...........................38
Abbildung 45: Mikroskopaufnahmen Feinsteinzeug Fliesen verschiedener
Oberflächenbehandlung.....................................................................................................38
Abbildung 46: gelaserte Fliesen Typ Impala ......................................................................39
Abbildung 47: Laserloch bei unterschiedlichen Vergrößerungen.......................................39
Abbildung 48: Vermessung und 3D Darstellungen des Tiefenprofils des Laserlochs ........40
Abbildung 49: Tastschnittverfahren zur Bestimmung des Oberflächenprofils ....................40
Abbildung 50: Vergleich der Oberflächenprofile.................................................................41
Abbildung 51: Drei unterschiedliche Anschmutzverhalten .................................................42
Abbildung 52: Wischbezug in einem mit Reinigungsmittel gefüllte Wanne ........................42
Abbildung 53: Arizona Staub (links) Teststaub (rechts) .....................................................43
Abbildung 54: fluoreszierender Teststaub Grün.................................................................44
Abbildung 55: fluoreszierender Teststaub Orange.............................................................44
Abbildung 56: Schmutzauftrag mit Rollwalze (L), mit Kunststoffspachtel (R)....................45
Abbildung 57: Die angeschmutzte Fliesenoberfläche ........................................................45
Abbildung 58: Fliesenreinigungsvorgang ...........................................................................46
Tabellen
Tabelle 1: Abschätzung der Umwelteffekte........................................................................12
Tabelle 2: Balkenplan ........................................................................................................13
Tabelle 3: Verlegeplan des Feldversuchs ..........................................................................26
6
II.
Verzeichnis von Begriffen, Abkürzungen und Definitionen
Begriffe
H-C-L Farbraum:
ist ein Dreidimensionaler Raum, in der alle Farben durch eine farbgebende Methode dargestellt werden können. Wobei H für den Farbwinkel C die für Farbsättigung stehen. Die
Helligkeit wird durch L beschrieben. Jede Farbe wird H-C- L Werte im Farbraum bestimmt.
Farbdifferenz ∆ E:
Differenz der LCH- Wert - Summen der Originalfliese und der angeschmutzten und gewischten Fliese. Je höher die Farbdifferenz, desto mehr Schmutz befindet sich noch auf
der Fliese bzw. desto schwieriger ist die Fliese mittels Mikrofaserbezug zu reinigen.
Farbdifferenz Poliertuch:
Differenz der LCH- Wert - Summen des Originaltuches (weiße Baumwolle) und des angeschmutzten Poliertuches. Je höher die Farbdifferenz des Poliertuches, desto mehr
Schmutz wurde von der Fliese aufgenommen –desto größer war die oberflächenabhängige Schmutzanhaftung. Die Differenzen zwischen der 1. /2./3. Politur können einen Hinweis
auf die „Hartnäckigkeit“ der Schmutzanhaftung und die absolute Schmutzmenge geben.
Glanzmessung:
Glanz ist eine visuelle Wahrnehmung, die bei der Betrachtung von Oberflächen entsteht.
Die Glanzwahrnehmung ist umso ausgeprägter, je gerichteter das Licht reflektiert wird
Glanzeinheit:
sind Messergebnisse des Glanzmessers, welche sich auf einen schwarzen, polierten
Glasstandard mit definiertem Brechungsindex beziehen. Der Glasstandard hat einen
Messwert von 100 Glanzeinheiten (Kalibrierung).
Glanzdifferenz:
Differenz der Glanzeinheiten zwischen Originalfliese und gewischter bzw. polierter Fliese.
Je höher der Glanzdifferenzwert, desto höher der relative Glanzunterschied.
Positiver Wert: Glanz ist nach einer Behandlung niedriger als das Original.
Negativer Wert: Glanz ist nach einer Behandlung höher als das Original.
Adsorbertuch:
Ist ein rechteckiges Tuch, das aus reissfesten Bauwollen besteht und dunkel weiße Farbe
hat. Das Absorbertuch dient der Aufnahme des Restschmutzes.
7
Werkzeug:
wird auch als Stempel oder Restschmutz- Aufnehmer genannt und ist ein wichtiger Bauteil
für die Restschmutzbestimmung. Die Funktion des Werkzeugs besteht darin, einen konstanten Druck bei dem Restschmutzaufnahmevorgang zu gewährleisten sowie die Bildung
eines kreisförmigen Farbflecks auf dem Absorbertuch zu ermöglichen.
Gesandelt:
Oberfläche nach Bearbeitung mit Mikro-Stahlkugeln
Abkürzungen
FSZ = Feinsteinzeug
G613 =
K120: Geschliffen mittels Korundschleifkörpern
PD = Padang Dunkel, Naturstein (Granodiorit)
PL = poliert
PL R9 = poliert und gelasert R9
R9: = Bewertungsgruppe der Rutschsicherheit im Innenbereich nach BGR 181
VB = Villeroy –Boch (Hersteller von FSZ)
G 640 = Naturstein aus China (Granit)
G 603 = Naturstein aus China (Granit)
Definitionen
Magic Maxx = Reinigungsmittel der Fa. Ecolab
RÖWE = Kurzwort für Feinsteinzeug der Firma Röwe
8
1
Zusammenfassung
Verschiedene Bodenbeläge aus Feinsteinzeug und Naturstein wurden poliert und dann
durch Laserbehandlung mit mikroskopischen Vertiefungen versehen, um eine ausreichende Rutschfestigkeit im Innenbereich nach BGR 181 zu gewährleisten (Bewertungsgruppe
der Rutschsicherheit R9 und R10) und gleichzeitig den Reinigungsaufwand um bis zum
Faktor 2 zu reduzieren. Diese Oberflächenbehandlung und die Reinigung wurden optimiert
hinsichtlich minimalem Aufwand und minimalem Einsatz von Reinigungsmittel für Unterhaltsreinigung und der dazugehörigen Grundreinigungsfrequenz. Dazu wurden Abstand
und Größe der Vertiefungen optimiert und kontrolliert. Zur Entwicklung einer Methode zur
Vorhersage und Messung der Verschmutzung wurden Vorarbeiten geleistet.
Durchgeführte Untersuchungen
•
Reinigungsverhalten
•
Anschmutzverhalten
•
Oberflächenstruktur
•
Materialbeschaffenheit
•
Optische Prüfung der Oberfläche
•
Farbmetrische Messung des Schmutzes
•
Topologie der Lasereinschusslöcher
•
Art der Oberflächenmodifikation
•
Analyse und Modifikation des Schmutzes
Entwicklungen
•
Werkzeug zur Restschmutzbestimmung
•
Bau einer automatisierten Prüfvorrichtung
•
Festlegung der Prüfmethoden
•
Standardisierung der Prüfmethoden
•
Festlegung des Feldversuchs
Erzielte Ergebnisse:
Eine Reduktion der Verschmutzung bzw. Verringerung des Reinigungsaufwand wurde
durch Experimente für eine Reihe von Bodenplatten im Labor und im Feldversuch nachgewiesen.
Ein experimentelles Werkzeug zur Messung des Restschmutzes nach Reinigung wurde
entwickelt.
Eine Methode für Messung und Vorhersage der Verschmutzung wurde konzipiert.
Empfehlungen für das weitere Vorgehen
Die Ergebnisse sind so vielversprechend, dass am 31.08.2012 ein Antrag für Phase II des
Projektes gestellt wurde. Die Ergebnisse zur Einsparung an Reinigungsaufwand sollen
durch aussagekräftige Feldversuche an weiter optimierten Bodenbelägen abgesichert
werden. Die konzipierte Methode zur Messung und Vorhersage der Verschmutzung soll in
Phase II praxistauglich entwickelt und an Feldversuchen demonstriert werden.
Der Antrag wurde genehmigt und Phase II wurde im Dezember 2012 begonnen.
Kooperationspartner:
Hochschule Reutlingen, Reutlingen Research Institute.
Das Vorhaben wurde durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt gefördert unter dem Aktenzeichen AZ 29514.
9
2
Einleitung: Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
.
2.1
Ausgangssituation
Bislang werden Bodenplatten aus Feinsteinzeug und Naturstein in Innenbereichen nach
der Rohblockzerteilung mittels Gatter oder Multiblattsäge geschliffen und teilweise poliert.
In der Regel erfolgt zur Erlangung der jeweils notwendigen Rutschfestigkeit eine nachträgliche, partielle Aufrauung durch eine mechanische Bearbeitung, z.B. durch Sandstrahlen,
Beschuss mittels Impulslasern oder durch chemisches Ätzen mittels Flusssäure. Bei Feinsteinzeug kommt noch eine pressraue Oberfläche hinzu, die bei der Herstellung des Rohscherbens beim Pressvorgang des Ausgangspulvers entsteht. Die Aufrauung der Oberflächen ist mikroskopischer Natur.
Jede Bearbeitung oder Behandlung zur Rutschsicherheit zieht automatisch eine auf die
jeweilige Oberfläche bezogene Anschmutzungsproblematik mit sich, die innerhalb eines
endlichen Zeitraums zum Verlust der Rutschsicherheit durch die verbleibenden Rückstände führen kann, wenn keine Grundreinigungen fachgerecht durchgeführt werden. Keine
noch so gute Unterhaltsreinigung kann eine Grundreinigung grundsätzlich verhindern. Ursache ist einerseits die erhöhte Schmutzanhaftung durch die gewollte Erhöhung der Mikrorauhigkeit. Entscheidend dabei ist u. a. die geometrische Form der Mikroporen und daraus
resultierend die Möglichkeit, dass innerhalb des Porenraums reinigungsaktive Stoffe einen
ausreichenden Spülraum vorfinden. Des Weiteren neigen insbesondere die zu kleinen erzeugten Poren zu einer „Verstopfung“ und somit zum Verlust der Rutschsicherheit. Dies
gilt besonders bei Bodenplatten mit geätzten und geschliffenen Oberflächen. Die Zusammensetzung des Schmutzes hat Einfluss und ist geografisch unterschiedlich. Beispielsweise sind Partikel aus Ruß stärker anhaftend, die man eher in Großstädten findet, als in
ländlichen Gebieten. In der Rheinschiene sind die meisten Straßenschmutze mit scharfkantigen, quarzhaltigen Stäuben versehen, die sich bei bestimmten Korngrößen und Formen besonders in die kleinen Zwischenräume „quetschen“ und bei einer Unterhaltsreinigung nur schlecht zu entfernen sind.
Somit steigt, in Abhängigkeit von der Bearbeitung, im Laufe der Jahre die notwendige
Grundreinigungsfrequenz teilweise dramatisch an, einhergehend mit einer höheren Dosierung der Unterhaltsreinigungsmittel. Die bei der Grundreinigung verwendeten Verfahren
und Chemikalien sind wesentlich stärker Umwelt belastend, da ihre Anteile an Alkalienbildner und Tensiden wesentlich höher sind als bei Unterhaltsreinigungen. Eine Verminderung der Anfälligkeit gegenüber Schmutzen und somit geringerem Einsatz von Reinigungsmitteln wäre wünschenswert.
Seit 11Jahren gibt es von Magna polierte Naturstein- und Feinsteinzeugplatten, die durch
Laserbehandlung mit Nd_Yag die Bewertungsgruppen der Rutschsicherheit R9 und R10
aufweisen. Die Optimierung erfolgte bislang einzig in Richtung Rutschfestigkeit und minimiertem Lasereinsatz zur Erfüllung der Anforderungen der BGR 181, basierend auf den
Normen DIN 52230, 51131 und 51097 (nass belastete Barfußbereiche).
In einer Voruntersuchung mit dem RRI wurde in einem einfachen Test für einige Materialien bei Verschmutzung mit Standardstaub Arizona-rot z.T. eine höhere Reinigungsfähigkeit der Laser-Grip Platten festgestellt, siehe Abbildung 1. Die Ergebnisse sind für Verschmutzungen mit organischem Material oder Sonderschmutz (z.B. Ruß), wie sie für deutsche Verhältnisse eher typisch sind, nicht ohne weiteres übertragbar:
Die laserbehandelten Oberflächen weisen, nach einem definierten Anschmutzungs- und
Reinigungsprozess, eine erheblich geringere Restverschmutzung als die gesandeten auf.
Für andere Platten war das Ergebnis von Platte zu Platte heterogen durch die natürliche
Inhomogenität der Natursteine. Für andere Plattenmaterialien war die Behandlung auch
ohne Vorteil, da deren Mikrorauhigkeit bearbeitet und unbearbeitet zu einem schlechten
10
Ergebnis führte. Dies lag an der schlechten Reinigungsfähigkeit des unbearbeiteten Materials. Sowohl die Charakterisierung des Ausgangsmaterials als auch die Messmethode
waren absolut unzureichend für belastbare Aussagen. Dass die Reinigung leichter ist,
konnte nicht in jedem Fall belegt werden, doch der Trend wurde erkannt.
Abbildung 1: Farbdifferenz (Verschmutzungsgrad) von Fliesen mit unterschiedlicher Oberflächenbehandlung
nach einer simulierten Reinigung
2.2
Zielsetzung
Bodenbeläge aus Feinsteinzeug und Naturstein werden poliert und dann durch Laserbehandlung mit mikroskopischen Vertiefungen versehen, die eine ausreichende Rutschfestigkeit im Innenbereich nach BGR 181 gewährleisten (Bewertungsgruppe der Rutschsicherheit R9 und R10). Diese Oberflächenbehandlung und die Reinigung sollen optimiert
werden hinsichtlich minimalem Aufwand und minimalem Einsatz von Reinigungsmittel für
Unterhaltsreinigung und der dazugehörigen Grundreinigungsfrequenz. Ziel ist eine Reduktion um bis zum Faktor 2. Dazu sollen Abstand und Größe der Vertiefungen optimiert
und kontrolliert werden. Die Dosierungen der Reinigungsmittel sollen, ausgehend von der
derzeitigen Herstellervorgabe eher reduziert werden, die Abstände zwischen den Grundreinigungen, die mit einer starken Umweltbelastung verbunden sind, sollen vergrößert
werden. Begleitend soll eine Methode für die Vorhersage und Messung der Verschmutzung entwickelt werden. Diese wird in der Entwicklung benutzt und soll nach dem Projekt
für die Optimierungen an anderen Materialien, z. B. PVC- oder Polyolefin-Böden nutzbar
sein und auch als Vorarbeit für eine Zertifizierung der Böden nach LEED dienen. Bislang
gibt es zwar Hinweise für die Vorteile bzgl. Reinigung, die aber weder optimiert noch belegbar sind. Deshalb hat sich dieses Verfahren noch nicht durchgesetzt. Der Marktanteil
liegt bei Naturstein unter 10%, im Bereich Feinsteinzeug weit niedriger.
2.3
Umweltrelevanz/ -entlastung
Ausgehend von jährlichen Zubaumengen in Deutschland und derzeit verwendeten Reinigungsmengen und –konzentrationen wird pro Jahr ein theoretisches Einsparpotenzial von
2.500 m³ Reinigerkonzentrat und 9.800 m³ Grundreinigerkonzentrat abgeschätzt. Nach 15
Jahren hätte man bei unverändertem Reinigungseffekt und gleicher Zubaurate eine 15fache Einsparung. Dazu kommt die Einsparung an Trinkwasser, das für die Reinigung
verwendet wird: 350.000m³ im 1. Jahr, siehe Tabelle 1.
Derzeit werden nur ca. 5% der Natursteinplatten und des Feinsteinzeugs gelasert, da die
Kosten für das Polieren und das anschließende Lasern zu ca. 10% höheren Anschaffungskosten führen. Die erwarteten Einsparungen an Reinigungsaufwand und Reini11
gungsmitteln würden diese Kosten schon nach ca. 1 Jahr wieder amortisieren. Dies wäre
vor allem für Zweckbauten ein Argument, die umweltfreundliche Technologie einzuführen.
Ein kleinerer Teil des Marktes würde trotz höherer Life-Cycle Kosten und wegen der Optik
bei matten, ungelaserten Oberflächen bleiben.
Zubaupotenzial
Unterhaltsreinigung
Einsparung
bei max. Zubau 1 Jahr
max. Zubau 15 Jahre
Zwischenreinigung
zusätzlich
Einsparung
max. Zubau 15 Jahre
Grundreinigung
Einsparung
max. Zubau 15 Jahre
Gesamteinsparung
nach 1 Jahr
Gesamteinsparung
nach 15 Jahren
5.000.000
60.000.000
240
0,8%
0,08
19,2
19,2
1.248.000
9.984
20%
249.600
1.997
3.744.000
29.952
12
0,8%
0,08
0,08
62.400
499
100%
499
7.488
2
25%
0,9
2,4
312.000
29.250
33%
103.990
9.749
1.559.844
146.235
m² Naturstein p.a. neu in D
m² Feinsteinzeug p.a. neu in D
Zahl der Unterhaltsreinigungen p.a. Standard
Konzentration Magic Maxx im Unterhaltsreiniger
l Unterhaltsreinigerflotte /m² / Reinigung
l Unterhaltsreinigerflotte / m² p.a.
l Wasser / m² pro Reinigung p.a.
m³ p.a. Wasser für maximales Zubaupotenzial eines Jahres
m³ p.a. Unterhaltsreinigungschemie (Magic Maxx)
Einsparung durch Laserung (1x pro 5 Tage)
m³ p.a. Einsparung Trinkwasser, alle Neuverlegungen
Einsparung m³ p.a. Unterhaltsreinigungschemie (Magic Maxx)
Einsparung m³ p.a. (MagicMaxx)
Zahl der Zwischenreinigungen p.a. Standard
Chemie pro Grundreiniger (Vol. %) (insgesamt 1,6%)
l Zwischenreinigerflotte / m² (Wasser wie Unterhaltsreinigung)
l Wasser / m² pro Reinigung (gleich wie bei Unterhaltsreinigng)
m³ p.a. Wasser (gleich wie bei Unterhaltsreinigung)
m³ p.a. Zwischenreinigungschemie (Magic Maxx)
Einsparung durch Laserung
Einsparung m³ p.a. Zwischenreinigungschemie (Magic Maxx)
Einsparung m³ p.a. (MagicMaxx)
Zahl der Grundreinigungen p.a.
Grundreinigerchemie pro Grundreinigung (Vol.)
l Grundreiniger / m² (+1,5 l/m² Wasser zum Nachspülen)
l Wasser / m² pro Reinigung
m³ p.a. Wasser, alle Neuverlegungen
m³ p.a. Grundreinigungschemie (Bendulal Forte Konzentrat)
Einsparung durch Laserung (alle 9 statt alle 6 Monate)
Einsparung m³ p.a. Grundreinigungschemie (Konzentrat)
Einsparung m³ Bendural Forte p.a. nach 15 Jahren
353.590 m³ Wasser p.a. im 1. Jahr
12.245 m³ Reinigungsmittel (unverdünnt) p.a. im 1. Jahr
5.303.844 m³ Trinkwasser p.a. nach 15 Jahren Zubau
183.675 m³ Reinigungsmittel p.a. nach 15 Jahren Zubau
Tabelle 1: Abschätzung der Umwelteffekte
2.4
Inhaltliche Änderung/ Laufzeitverlängerung
Wegen Verzögerungen bei der Installation des Feldversuchs war eine Laufzeitverlängerung bis 30.11.2012 erforderlich.
12
3
Hauptteil
.
3.1
AP
1
2
3
4
5
6
7
Darstellung der Arbeitsschritte
Arbeitspakete
Vorversuche
Feldversuche
Stempelentwicklung
Stempeltest
Methodenentwicklung
Entwicklung Laserung
Q1
Q2
Q3
Q4
.
Tabelle 2: Balkenplan
Vorversuche
(RRI mit Zuarbeit Magna)
Bei den Vorversuchen ging es darum, eine geeignete Untersuchungsmethode für die von
Magna zur Verfügung gestellte Fliesenmuster zu finden und zu standardisieren. Dabei
wurde der Einfluss von verschiedenen Oberflächenveredelungen auf das Reinigungsverhalten analysiert. Die Festlegung der Vorgehensweise bei der Probenvorbereitung gehörte
ebenfalls zu der Vorversuchen.
Die zu prüfenden Probensets waren:
•
Feinsteinzeug RÖWE
•
Naturstein China G 640 (Granit)
•
Naturstein Padang Dunkel (Granodiorit)
•
Feinsteinzeug Villeroy & Boch
•
Naturstein China G 603 (Granit)
Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Vorbereitungsschritte für die Anschmutzung. Bei den
Vorversuchen wurde der Microfaserbezug (Fa. Ecolab) in einem Becherglas mit Reinigungsmittel (Magic Maxx der Fa. Ecolab) getränkt wie es in der Abbildung 4 zu sehen ist.
(Dieses Verfahren entspricht dem in der Gebäudereinigung genutztem System der vorgetränkten Bezüge und ist anerkannter Stand der Technik)
Abbildung 2: Ansetzen der Schmutzlösung Abbildung 3: Malerschale Abbildung 4: Benetzung des Wischbezugs
13
Feldversuch
Bei den Voruntersuchungen wurden 2 Arten Feinsteinzeug und eine Sorte Naturstein untersucht, wobei das Optimierungsergebnis für ein Feinsteinzeug in einen Feldversuch
ausgebracht wurde. Dabei wird die Fläche je zur Hälfte mit konventioneller Aufrauung (z.B.
gesandet) und mit optimierter Laserbehandlung belegt, für eine typische Anwendung mit
hohem Verschmutzungspotenzial. Die Reinigung wird vom Projektpartner RRI durchgeführt und mit Messungen des Schmutzeintrags und der Reinigungswirkung begleitet. Das
Reinigungsverfahren wird vor Ort nachgeregelt und optimiert
(RRI mit Unterstützung Magna)
Am Anfang des Projektes wurde die Erstellung einer Ökobilanz für Bodenbeläge mit konventioneller und innovativer Behandlung bei FhG IBP (Stuttgart) in Auftrag gegeben. Dem
etwas erhöhten Aufwand durch Lasern wurde der reduzierte Aufwand für die Reinigung,
die Herstellung der Reinigungsmittel und Frischwasserbereitstellung sowie Abwasseraufbereitung entgegengestellt. Dabei wurden die Ergebnisse zur tatsächlich gemessenen reduzierten Reinigung berücksichtigt.
Stempelentwicklung
(Steinbeis im Auftrag von Magna und begleitet von RRI)
Zur Verbesserung der Standardisierung der Versuche von RRI und zur Erreichung einer
nachhaltigen, auch von anderen und routinemäßig zu verwendenden Messmethode war
die Entwicklung eines Werkzeugs für die Restschmutzaufnahme („Stempel“) notwendig.
Stempeltests
(RRI)
Diese Tests wurden von RRI durchgeführt. Ergebnisse der Tests flossen in einer Nacharbeitsphase im letzten Quartal des ersten Projektjahres in eine Nacharbeit bzw. Verfeinerung der Stempelentwicklung ein.
Methodenentwicklung
Die Auswahl des Normschmutzbasismaterials sowie Entwicklung der Zusätze (Fluoreszenz für Messung Restschmutz, ggfs. Zusatzstoffe wie Ruß und Sand), der Art der
Schmutzeinbringung (Menge, Druck, Gleit- und Rollreibung, Häufigkeit), der Reinigung
(Konzentration, Wischmethode und Bürstmethode mit Verfahrens- und Apparateparametern) und Charakterisierung der Reinigung sowie die Bestimmung der Intervalle bis zur
nächsten Grundreinigung, die Bestimmung des Restschmutzes und der Abgleich mit den
Feldversuchen waren Inhalte dieser Arbeiten.
Entwicklung Laserung
(Magna mit Zuarbeit RRI)
Voraussetzung für die Variationen der Laserung sind systematische Untersuchungen und
apparative Änderungen an der Laser-Bestrahlungsanlage. So sind Nachrüstungen für höhere Leistung pro Puls, kürzere Abstände zwischen den Pulsen sowie bei kleineren Pulsen für die Kontrolle der eingetragenen Energie denkbar, ggf. in Phase II. Für die Abstände der Laserung wurden Versuchsreihen mit Messungen von Größe und Tiefe der Löcher
sowie der Rutschfestigkeit und der Lochform durchgeführt.
14
3.2
Ergebnisse und Diskussion
3.2.1 Vorversuche (AP1)
Es wurden mehrere Messreihen mit verschiedenen Schmutzmengen durchgeführt, um das
Anschmutzverhalten sowie die Reinigungserfolge der Fliesen unter unterschiedlichen
Testbedingungen zu untersuchen.
o
o
o
o
o
o
10g Arizona Staub
5g Arizona Staub
5g Teststaub
5g Arizona Staub x 20 Anschmutzungen
5g Teststaub x 20 Anschmutzungen
5g x 20 gemischte Stäube (50 % Arizona Staub: 50 % Teststaub)
Messreihe mit 10 g Arizona Staub: Die Farbmessung der Absorbertücher hat gezeigt,
dass die angesetzte Schmutzmenge übermäßig und der Wischvorgang besonders zeitintensiv war. Deshalb wurde diese Testvariante nicht weitergeführt.
Messreihe mit 5g Arizona Staub:
Normschmutz Arizona Staub
Mischungsverhältnis 1:3 ,
4 Proben pro Fliesensorte
1 x Anschmutzung, 3 x mit dem Wischtuch poliert
50,00
40,00
delta E Tuch 1
E30,00
?
delta E Tuch 2
20,00
delta E Tuch 3
10,00
0,00
Impala poliert
Impala K120
Abbildung 5: Farbdifferenz Impala Fliesen
impala PL R9
50,00
40,00
delta E Tuch 1
E30,00
?
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
20,00
10,00
0,00
Padang dunkel poliert
Padang dunkel K120
Padang dunkel PL R9
Abbildung 6: Farbdifferenz Padang Dunkel
15
Die Balken in der Abbildung 5 und 6 zeigen dass die Farbdifferenz ∆E bei den polierten
Fliesen schneller abnimmt als der geschliffenen (K120) und poliert – gelaserten Fliesen.
Die glatte Oberfläche der polierten Fliesen bietet dem Schmutz weniger Anhaftungsmöglichkeit und lässt sich besser reinigen. Bei geschliffenen Fliesen ist die angeraute Oberfläche für die starke Farbdifferenz sowie die schlechte Reinigung verantwortlich. Die Restschmutzmenge auf den poliert – und gelaserten Fliesen ist nach der Reinigung zwar geringer als polierten Fliesen, kann jedoch danach schwerer entfernt werden. Dieser Effekt
liegt in der Materialbeschaffenheit der Fliesen, sowie der Morphologie des Lasereinschussloches begründet. Bei den Fliesen der Sorten Impala und Padang Dunkel hat die
Laserung bessere Ergebnisse hinsichtlich der Reinigungsfähigkeit erzielt im Vergleich zu
den Geschliffenen.
In den Abbildungen 7 - 9 sind die Messergebnisse der Fliesen, die auf die selbe Weise
modifiziert worden sind, dargestellt. Es wurden keine großen Unterschiede zwischen den
Fliesen nach der Restschmutzentfernung festgestellt. Die polierten Fliesen lassen sich am
schnellsten reinigen. Bei G603 K120 ist keine nennenwerte Verringerung der Schmutzmenge nach der zweiten Politur zu erkennen. Dies deutet eine schlechte Reinigungsfähigkeit hin. Auch bei den poliert – und gelaserten Fliesen hat die Sorte G603 PL R9 leicht
erhöhte Farbdifferenz nach dem Wischen. Die Schwankungen könnten durch das Anschmutzverhalten verursacht werden. Dennoch haben die modifizierten G603 Fliesen
durchschnittlich schlechtere Ergebnisse i. Vgl. zu Impala und Padang Dunkel.
45,00
40,00
35,00
Impala poliert
30,00
E25,00
?
20,00
G603 poliert
15,00
10,00
5,00
0,00
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
Abbildung 7: Vergleich der Farbdifferenz aller polierten Fliesen
50,00
Impala K120
40,00
Padang dunkel K120
G603 K120
E30,00
?
20,00
10,00
0,00
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
Abbildung 8: Vergleich der Farbdifferenz aller geschliffenen Fliesen (K120)
16
60,00
impala PL R9
50,00
Padang dunkel PL R9
G603 PL R9
40,00
E
?
30,00
20,00
10,00
0,00
delta E Tuch 1
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
Abbildung 9: Vergleich der Farbdifferenz aller poliert - und gelaserten Fliesen
Messreihe mit 5g Teststaub:
Normschmutz, Mischungsverhältnis 1:3
4 Proben pro Fliesensorte,
1 0 ,0 0
d e lta E Tu ch 1
8 ,0 0
d e lta E Tu ch 2
E ?
d e lta E Tu ch 3
6 ,0 0
4 ,0 0
2 ,0 0
0 ,0 0
Im p a la p o liert
Im p a la K 1 2 0
im p a la P L R9
2 0 ,0 0
d elta E Tu ch 1
1 5 ,0 0
d elta E Tu ch 2
E
?
d elta E Tu ch 3
1 0 ,0 0
5 ,0 0
0 ,0 0
Pa d a n g d u n ke l p o lie rt Pa d a n g d u n kel K 120 Pa d a n g d u n ke l PL R 9
17
1 4 ,0 0
1 2 ,0 0
d e lta E Tu ch 1
1 0 ,0 0
E
?
d e lta E Tu ch 2
8 ,0 0
d e lta E Tu ch 3
6 ,0 0
4 ,0 0
2 ,0 0
0 ,0 0
G 6 0 3 p o lie r t
G 6 0 3 K 1 2 0
G 6 0 3 P L R 9
Abbildung 10: Farbdifferenzen bei Impala, Padang und G603 bei Teststaub
Die Versuche mit dem Teststaub haben ein differenziertes Ergebnis gebracht (Abb. 10).
Während es bei den poliert und gelaserten Impala und Padang Dunkel Fliesen eine
vergleichsweise hohe Farbdifferenz aufwiesen, zeigen die Werte von G603 Fliesen eine
andere Tendenz. Eine nähere Untersuchung hat sich herausgestellt dass der mögliche
Gründe für diese Ergebnisse an der natürlichen Farbe von Teststaub sowie deren
Zusammensetzung gelegen hat. Die hellgraune Teststaub unterscheidet sich nicht
wesentlich von Farbe des Poliertuches und hat dazugeführt dass der Messfleck keinen
optimalen Kontrast für Farbmessung bietet. Die Erkenntnisse wurden bei den folgenden
Versuche berücksichtigt.
Im Folgenden sind Messwerte von Fliesen mit gleicher Modifikation verglichen, siehe
Abbildungen 11 - 13.
Demnach lässt sich Impala besser reinigen als Padang.
Bei G603 sind die Ergebnisse uneinheitlich und unplausibel: gegenüber der geschliffenen
Fliese ist die polierte schlechter zu reinigen und die poliert und gelaserte Fliese wesentlich
besser. Ein Grund kann wird im inhomogenen Benetzungsverhalten vermutet.
1 4 ,0 0
1 2 ,0 0
1 0 ,0 0
E
?
d e l t a E T u c h 1
8 ,0 0
6 ,0 0
4 ,0 0
2 ,0 0
0 ,0 0
I m p a l a p o l i e r t
P a d a n g d u n k e l p o lie rt
G 6 0 3 p o l i e r t
Abbildung 11: Vergleich der Farbdifferenz polierten Fliesen bei Teststaub
18
1 6 ,0 0
1 4 ,0 0
1 2 ,0 0
d elta E Tu ch 1
1 0 ,0 0
E
?
d elta E Tu ch 2
8 ,0 0
d elta E Tu ch 3
6 ,0 0
4 ,0 0
2 ,0 0
0 ,0 0
Im p a la K 120
Pa d a n g d u n kel G 603 K 120
Abbildung 12: Vergleich der Farbdifferenz geschliffenen Fliesen bei Teststaub
20,00
15,00
delta E Tuch 1
E
?
delta E Tuch 2
delta E Tuch 3
10,00
5,00
0,00
impala PL R9
Padang dunkel PL R9
G603 PL R9
Abbildung 13: Vergleich der Farbdifferenz poliert - und gelaserten Fliesen bei Teststaub
Messreihe mit 5g Arizona Staub x 20 Anschmutzungen:
Um die Langzeit – Reinigungserfolge und die Auswirkung einer größeren
Schmutzansammlung auf der Oberfläche untersuchen zu können, wurden die Anschmutz
frequenzen auf 20 Mal erhöht. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sollen dazu dienen,
die Veränderung der Reinigungsfähigkeit der Fliesen zu prognostizieren.
Normschmutz Arizona:
Mischungsverhältnis 1:3
,
50,00
delta E Tuch 1
40,00
E
?
delta E Tuch 2
30,00
delta E Tuch 3
20,00
10,00
0,00
Im pala poliert
Im pala K120
Abbildung 14: Vergleich der Farbdifferenz Impala Fliesen
im pala PL R9
19
50,00
40,00
delta E Tuch 1
E30,00
?
delta E Tuch 2
20,00
delta E Tuch 3
10,00
0,00
Padang dunkel poliert Padang dunkel K120 Padang dunkel PL R9
Abbildung 15: Vergleich der Farbdifferenz Padang Dunkel Fliesen
4 5 ,0 0
4 0 ,0 0
3 5 ,0 0
d e lta E Tu c h 1
3 0 ,0 0
d e lta E Tu c h 2
E 2 5 ,0 0
?
d e lta E Tu c h 3
2 0 ,0 0
1 5 ,0 0
1 0 ,0 0
5 ,0 0
0 ,0 0
G 6 0 3 p o lie rt
G 6 0 3 K 1 2 0
Abbildung 16 Vergleich der Farbdifferenz G603 Fliesen
G 6 0 3 P L R 9
Die polierten Fliesen lassen aufgrund der glatten Oberfläche auch nach 20x
Anschmutzungen bessser und schneller reinigen als die geschliffenen, poliert – und
gelaserten (Abb. 14 - 16). Bei den polierten Fliesen wurde die Restschmutzmenge auf PD
wesentlich geringer als auf den Impala und G603 festgetellt. Dieses Ergebnis verdeutlicht
dass die Reinigungsfähigkeit der polierten Fliesen sich aufgrund der unterschiedlichen
Materialstruktur durchaus voneinander unterscheiden, auch wenn die Fliesen die selbe
Behandlung erfahren haben. Vermutlich wurden die Vertiefungen bzw. Poren auf der
Fliesenoberfläche durch die wiederholten Anschmutzungen vollständig mit
Schmutzpartikeln angereichert, was bei einer einmaligen Anschmutzung nur bedingt
erreicht werden konnte. Dadurch ermöglichen die Fliesen mit poröserer Materialstruktur
stärkere Anhäufung des Restschmutzes nach jedem Wischvorgang.
Bei den modifizierten Fliesen PD und Impala liegen die Messergebnisse nach 20
Anschmutzungen in dem selben Wertebereich. Als Grund könnte die Bildung einer
Restschmutzschicht auf der Fliesenoberfläche sein. Wenn der Restschmutz auf der
Fliesenoberfläche eine bestimmte Menge erreicht, kann es dazu führen, dass alle
Erhebungen und Vertiefungen auf der Oberfläche vollständig bedeckt werden. Bei der
Politur wird die gleiche Menge Restschmutz aus der Oberschicht abgetragen, sodass es
den beiden Fliesen ein ähnliches Ergebnis hervorbringt.
Die Messwerte in der Abb. 16 zeigen deutlich den Einfluss der Materialstruktur auf das
Anschmutzverhalten sowie auf die Reinigungsfähigkeit der Fliesen. Die natürliche
Porosität der Materialstruktur der G603 hat erheblich zur Verschlechterung der
Reinigungsfähigkeit beigetragen. Die Modifikation durch Schleifen und Lasern könnte
diesen Effekt noch verstärkt haben. In folgenden Grafiken sind Messwerte von Fliesen der
selber Modifikation miteinander verglichen.
20
40,00
Impala poliert
35,00
G603 poliert
30,00
E25,00
?
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
5 0 ,0 0
Im p a la K 1 2 0
4 0 ,0 0
Pa d a n g d u n ke l K 120
G 6 0 3 K 1 2 0
E
?
3 0 ,0 0
2 0 ,0 0
1 0 ,0 0
0 ,0 0
5 0 ,0 0
4 9 ,0 0
im pa la PL R9
4 8 ,0 0
Pa da n g du nkel PL R9
G603 PL R9
4 7 ,0 0
E
?
4 6 ,0 0
4 5 ,0 0
4 4 ,0 0
4 3 ,0 0
4 2 ,0 0
4 1 ,0 0
d elta E Tuch 1
d elta E Tuch 2
d elta E Tu ch 3
Abbildung 17: Farbdifferenzen polierter (oben), geschliffener (Mitte), und poliert-/gelaserter Fliesen (unten)
Ergebnisse in den Abbildung 17 weisen ein ähnliches Verhalten auf. Mit zunehmenden
Verschmutzungen wurden die Farbdifferenzen größer. Die polierten Fliesen lassen sich
besser reinigen und sind daher auch sauberer als die geschliffenen und als die poliert und
gelaserten Fliesen. Die poliert und gelaserten Fliesen zeigen hier auch geringere
Farbdifferenzen als die von geschliffenen. Offensichtlich begünstigt das Anrauen der
Oberfläche durch Schleifen die Schmutzanhaftung.
Messreihe mit 5g Teststaub x 20 Anschmutzungen:
Es war vorgesehen dass eine Messreihe mit Teststaub durchgeführt werden soll um
mögliche Auswirkung der grobkörnigen Staubpartikeln, welchen die Hauptbestanteil von
Teststaub bilden, auf die Fliesenoberflächen zu untersuchen.
Normschmutz Teststaub:
Mischungsverhältnis 1:3,
20 x Anschmutzung,
3 x mit dem Wischtuch poliert
Die Farbmessung brachte bei diesem Versuch aufgrund des geringen Farbkonstrasts
keine eindeutlige Ergebnisse. Der Versuch wurde daher nicht weiterverfolgt.
21
Messreihe mit 5g gemischte Stäube (Arizona – Teststaub) x 20 Anschmutzungen:
Normschmutz Teststaub:
Mischungsverhältnis 1:3,
20 x Anschmutzung
3 x mit dem Wischtuch poliert
60,00
Feinsteinzeug Villeroy Boch Poliert 20x TS + Arizona Hand poliert
50,00
40,00
Feinsteinzeug Villeroy Boch laserbehandelt 20x TS + Arizona Hand poliert
Feinsteinzeug Villeroy Boch gesandet 20x TS + Arizona _Hand poliert
E30,00
?
20,00
10,00
0,00
1
2
3
4
Tuch Nr.
Abbildung 18: Farbdifferenz Feinsteinzeug nach 20 Anschmutzungen
Auch bei diesem Versuch läßt sich der Einfluss der Modifikation deutlich erkennen. So ist
die Farbdifferenz bei polierten Fliesen aus Feinsteinzeug geringer als bei den gelaserten
und gesandeten, was eine bessere Reinigungsfähigkeit bedeutet (Abb. 18). Die
Oberfläche der gesandeten Feinsteinzeug Fliesen ist im Vergleich zu den gelaserten
wesentlich rauer und bieten dem Restschmutz größere Anhaftungsmöglichkeit. Die
Ergebnisse mit Versuch mit Feinsteinzeug bestärken die Annahme, dass die
Reinigungsfähigkeit sowohl von der Modifikation als auch von dem Fliesenmaterial
abhängt. Bei Naturstein Impala und G603 ist mit der Laserung kein Vorteil erkennbar, bei
Padang Dunkel aber schon (Abb. 19 - 21).
70,00
60,00
50,00
Impala Poliert 20xTS Arizona
Impala K120 20xTS Arizona
Impala Poliert und Gelasert 20xTS Arizona
40,00
E
?
30,00
20,00
10,00
0,00
1
2
3
4
Tuch Nr.
Abbildung 19: Farbdifferenz Impala nach 20 Anschmutzungen
22
25,00
20,00
Padang Dunkel Poliert 1 20xTS Arizona
E15,00
?
Padang Dunkel K120_1 20xTS Arizona Poliert und Gelasert_1 20xTS Arizona
10,00
5,00
0,00
1
2
3
Tuch Nr.
Abbildung 20: Farbdifferenz Padang Dunkel nach 20 Anschmutzungen
70,00
G603 Poliert 20xTS Arizona
60,00
50,00
G603 K120 20xTS Arizona
E40,00
?
G603 Poliert und Gelasert 20xTS Arizona
30,00
20,00
10,00
0,00
1
2
3
4
Tuch Nr.
Abbildung 21: Farbdifferenz G603 nach 20 Anschmutzungen
Farbabstand gesandet
9
Farbabstand gelasert
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59
Abbildung 22: Messergebnisse Röwe über die Anzahl der Reinigungszyklen
In Abbildung 22 wurde jeweils nach einem Wisch zur Restschmutzbestimmung gemessen.
Der Farbabstand (Restschmutz) steigt mit der Zahl der Reinigungszyklen, bleibt für gelaserte Proben aber immer weit unterhalb der Werte von gesandetem Material.
23
Zusammenfassung der Ergebnisse der Vorversuche:
Bei der Untersuchung der Methoden wurde folgende Problematik festgestellt:
Die zunächst getestete Anschmutzung und „Wischmethode“ ist ungeeignet, da alle Muster
bereits nach einem Wisch optisch „sauber“ sind. Die optische Inhomogenität der Fliesenmuster erschwert eine statistisch gesicherte Farbmetrik. Die Fliesenmuster zeigen sowohl
untereinander, als auch innerhalb einer Fliesenoberfläche inhomogenes Benetzungsverhalten. Die Anschmutzung bzw. die Quantität der Schmutzentfernung hängt von der naturgegebenen Porenradienverteilung der Oberfläche ab und ist rein optisch schwer zu erfassen. Die Probensets lassen sich untereinander nicht objektiv vergleichen. Das Probenset
Padang Dunkel ist von den untersuchten Proben optisch betrachtet das homogenste.
•
Die gelaserten Proben scheinen sich besser reinigen zu lassen (oder schwerer anschmutzen) als die gesandeten. Dies wird bei vergleichbaren Sets deutlicher.
•
Beim Probenset von Villeroy & Boch lassen sich die gelaserten Proben schwerer reinigen als die gesandeten, jedoch scheint eine schnellere Reinigung möglich zu sein
als bei den gelaserten. Die werkseitige Imprägnierung übt einen erheblichen Einfluss
aus, je nachdem ob es fett- oder wasserlösliche Schmutze sind.
•
Die Methode bestehend aus der Messung der Farbdifferenzen vom Original zur gewischten Fliese und der farbmetrischen Bestimmung des Restschmutzes über den
indirekten Weg der Politur ist reproduzierbar und stabil. Sie ist somit geeignet, das
Anschmutzverhalten von Naturstein- und Keramikoberflächen zu bestimmen.
•
Die Methode kann hinsichtlich des Schmutzauftrags und der Politur noch weiter optimiert werden.
•
Das physikalische Benetzungsverhalten (Kontaktwinkelmessung) war an diesem
Probenset nicht reproduzierbar zu bestimmen.
3.2.2 Feldversuch (AP2)
Der Feldversuch soll Erkenntnisse über das Reinigungsverhalten der Fliesen unter Praxisbedingungen bringen. Der Verlegeplan des Feldversuches sowie der Reinigungsplan wurden in Zusammenarbeit mit Magna ausgearbeitet und erstellt. Für die Verlegung der Fliesen wurde die Firma Wolfram Hörnig Steinmetzgeschäft beauftragt. Die Versuchsparameter des Feldversuchs sind:
• Fliesenmaterial
(Feinsteinzeug = FSZ, Villeroy & Boch = VB , Naturstein = Padang Dunkel = PD)
• Art der Laserbehandlung (K1 – K7)
• Oberflächenmodifikation/Rutschfestausrüstung (R9):
gelasert, pressrau, gesandet, poliert, geschliffen
• Zeitlicher Verlauf (Nutzung, Zahl der Reinigungen)
Als Standort für den Feldversuch wurde die Betriebshalle der Hochschule ausgewählt, da
dieser die Versuchskriterien bezüglich Begehbarkeit, Schutz vor Witterung und hoch frequentiertem Gehverkehr weitgehend erfüllt.
Der Feldversuch wurde im Zeitraum September 2012 - Dezember 2013 durchgeführt.
Ablauf: Die Versuchsfläche war unterschiedlich stark frequentiert, mit einer Begehung von
durchschnittlich ca. 200 – 300 Personen täglich.
24
Die Fliesen wurden dreimal pro Woche gereinigt. Die Reinigung wurden von RRI Mitarbeitern nach Wischanleitung von Ecolab fachgerecht durchgeführt. Um die Verschmutzung zu
beschleunigen, wurden nach der Reinigung gemischte Stäube über die Fliesen gleichmäßig gestreut. Die gemischten Stäube enthalten 90 % Teststaub (Straßenstaub) und 10%
Arizona Staub.
Nach einem Begehungszeitraum von 4 Wochen wurde die Reinigungsfähigkeit mittels
Farbmessung bestimmt – dazu wurden die Fliesen nach Standardvorgaben gereinigt und
nach dem Abtrocknen mittels Stempeltuchmethode dreimal vermessen.
Tab. 3 zeigt die Anordnung der Fliesen. PD = Padang dunkel, VB = Villeroy & Boch,
FSZ = Feinsteinzeug, Kx/y = Parameter für Laservariante und Reihe, pol = poliert.
Abbildung 23: Feldversuch im Gebäude 1 des RRI
.
25
FSZ VB pol K1/01
FSZ VB pol K2/01
FSZ VB pol K3/01
FSZ VB pol K4/01
FSZ VB pol K5/01
FSZ VB pol K6/01
FSZ VB pol K7/01
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 K120
PD G654 K120
PD G654 K120
PD G654 K120
PD pol K7/01
PD pol K6/01
PD pol K5/01
PD pol K4/01
PD pol K3/01
PD pol K2/01
PD pol K1/01
FSZ VB pol K1/02
FSZ VB pol K2/02
FSZ VB pol K3/02
FSZ VB pol K4/02
FSZ VB pol K5/02
FSZ VB pol K6/02
FSZ VB pol K7/02
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 K120
PD G654 K120
PD G654 K120
PD G654 K120
PD pol K7/02
PD pol K6/02
PD pol K5/02
PD pol K4/02
PD pol K3/02
PD pol K2/02
PD pol K1/02
FSZ VB pol K1/03
FSZ VB pol K2/03
FSZ VB pol K3/03
FSZ VB pol K4/03
FSZ VB pol K5/03
FSZ VB pol K6/03
FSZ VB pol K7/03
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 K120
PD G654 K120
PD G654 K120
PD G654 K120
PD pol K7/03
PD pol K6/03
PD pol K5/03
PD pol K4/03
PD pol K3/03
PD pol K2/03
PD pol K1/03
FSZ VB pol K1/04
FSZ VB pol K2/04
FSZ VB pol K3/04
FSZ VB pol K4/04
FSZ VB pol K5/04
FSZ VB pol K6/04
FSZ VB pol K7/04
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB pressrau
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB gesandet
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
FSZ VB Poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 poliert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 gelasert
PD G654 K120
PD G654 K120
PD G654 K120
PD G654 K120
PD pol K7/04
PD pol K6/04
PD pol K5/04
PD pol K4/04
PD pol K3/04
PD pol K2/04
PD pol K1/04
Tabelle 3: Verlegeplan des Feldversuchs
Ergebnisse:
Einfluss der Laserparameter auf die Reinigungsfähigkeit der Fliesen
Um die Trends im Verlauf der Versuche zu erkennen, wurden die Messergebnisse, die
nach 4, 8 und 12 Wochen gewonnen wurden, gemittelt (Abbildung 24 und 25):
26
25,00
20,00
K1_Mittelwert
K2_Mittelwert
K3_Mittelwert
15,00
ΔE
K4_Mittelwert
K5_Mittelwert
10,00
K6_Mittelwert
K7_Mittelwert
5,00
0,00
1
2
3
Tuch nr.
Abbildung 24: Farbdifferenzen Padang Dunkel verschiedener Laserungen
25,00
20,00
K1_Mittelwert
K2_Mittelwert
K3_Mittelwert
K4_Mittelwert
K5_Mittelwert
K6_Mittelwert
K7_Mittelwert
ΔE
15,00
10,00
5,00
0,00
1
2
3
Tuch nr.
Abbildung 25: Farbdifferenzen Villeroy & Boch FSZ verschiedener Laserungen
Die Mittelwerte bei Padang zeigen, dass die Behandlung K1 u. K4 am ehesten auf die
Reinigungsfähigkeit wirkt. Bei Feinsteinzeug von Villeroy & Boch liegen die
durchschnittlichen Ergebnisse dichter zusammen, so dass eine eindeutige Diskriminierung
nur schwer möglich ist. K1 zeigt auch hier gute Ergebnisse.
Fazit zur Optimierung der Laserung: Die unterschiedlichen Laserbehandlungen sind noch
nicht eindeutig quantitativ bei der Reinigungsfähigkeit zu unterscheiden. Im weiteren
Verlauf des Feldversuches werden kontinuierlich weitere Messwerte erfasst, um im
zeitlichen Verlauf eine schärfere Diskriminierung zu erreichen.
Reinigungsverhalten verschiedener Fliesenoberflächenbehandlungen
Die beiden Fliesenqualitäten werden hinsichtlich des Reinigungsverhaltens, in Abhängigkeit der Oberflächenbehandlung, untersucht. Zum Vergleich der Behandlungen wurden
jeweils die „beste“ und „schlechteste“ Laserbehandlung verwendet.
27
Mittelwert der Messungen 4, 8 und 12 Wochen nach Versuchsstart (Abb. 26 - 27):
Farbabstand [Δ E]
30,00
25,00
PD_poliert
PD_geschliffen
20,00
PD_gesandelt
15,00
PD_K4
PD_K3
10,00
5,00
0,00
Abbildung 26: Farbdifferenzen Padang Dunkel Oberflächenmodifikationen
Farbabstand [Δ E]
30,00
25,00
ViBo_poliert
ViBo_Pressrau
20,00
ViBo_gesandelt
15,00
ViBo_K1
ViBo_K5
10,00
5,00
0,00
1
2
3
Tuch nr.
Abbildung 27: Farbdifferenzen Villeroy & Boch FSZ Oberflächenmodifikationen
Die Mittelung der Ergebnisse über die 3 Messzeitpunkte zeigt das gleiche Reinigungsverhalten wie die Einzeltests. Gesandete und pressraue bzw. gesandete und geschliffene
Oberflächen sind schwerer zu reinigen als polierte bzw. gelaserte Oberflächen.
Vergleich des Reinigungsverhaltens in Abhängigkeit des Fliesenmaterials
Die Fliesenarten – Naturstein (PD) und Feinsteinzeug (VB) – werden anhand der einzelnen Oberflächenmodifikationen miteinander verglichen.
Bei den polierten und geschliffenen bzw. pressrauhen Oberflächen zeigt die Natursteinfliese die bessere Reinigungsfähigkeit, während bei den gesandeten Oberflächen das Feinsteinzeug etwas besser liegt. Bei den gelaserten Proben kann im Mittel mit einem ähnlichen Reinigungsverhalten bei Feinsteinzeug und Naturstein gerechnet werden.
28
Reproduzierbarkeit
Farbabstand [Δ E]
Um die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse zu überprüfen, wurden mehreren Proben
derselben Fliesensorte gemessen und anschließend miteinander verglichen. Diese Untersuchung wurde beispielweise bei den geschliffenen (K120) Padang Dunkel Fliesen durchgeführt. Es ist in der Abbildung 28 zu erkennen, dass die Kurven ähnlich verlaufen und die
Fliesen, trotz der unterschiedlichen Platzierung im Verlegeplan, eine gute Reproduzierbarkeit zeigen.
Probe 1
25,00
Probe 2
Probe 3
20,00
Probe 4
15,00
10,00
5,00
0,00
1
2
3
Tuch nr.
Abbildung 28: Reproduzierbarkeit der Farbdifferenz Feldversuch PD geschliffen (K120)
Fazit des Feldversuchs:
•
•
•
•
•
Bei Padang bringen die Laserbehandlungen K4 und K1 die besten Ergebnisse
Bei V&B zeigen K1, K2, K6 die besten Reinigungsergebnisse
Die Reproduzierbarkeit der Messungen innerhalb des Feldversuches ist gut
Der zeitliche Verlauf (=Abnutzung der Fliesenoberfläche) muss noch näher untersucht werden
• Von den unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen, die die Bewertungsgruppe
der Rutschsicherheit "R9" erfüllen schneidet die Laserbehandlung, bezüglich der
Reinigungsfähigkeit der Fliesen, am besten ab.
Die polierten Oberflächen, die für den öffentlichen Bereich nicht geeignet sind (keine "R9")
zeigen erwartungsgemäß das geringste Schmutzrückhaltevermögen.
• Daraus resultiert, dass eine Minimierung der Umweltbelastung durch Reinigungschemikalien der Unterhaltsreinigung und der Vorgabe "R9" am ehesten durch eine
gelaserte Oberfläche erzielt werden kann.
Die Grundreinigungsfrequenz, die abhängig ist von der subjektiven Schmutzwahrnehmung
und dem Schmutzrückhaltevermögen der Oberflächen ist bei der gelaserten Oberfläche
(bei Anforderung "R9") ebenfalls am geringsten. (siehe Ausarbeitung RRI in Verbindung
mit der Umweltbilanz).
Ausblick und weiteres Vorgehen:
Der laufende Feldversuch wird weiter fortgeführt und die einzelnen Oberflächenvarianten
noch intensiver untersucht. Untersuchungskriterien sind hierbei:
• Zeitlicher Verlauf (Abnutzung d. Oberflächen)
• Diskriminierung der unterschiedlichen Laserbehandlungen zur Optimierung der Parameter
• Analytik und Beurteilungskriterien der Oberflächen
• Quantifizierung des Reinigungsverhaltens
29
3.2.3 Ökobilanz und Optimierung (AP3)
Mit dem Reinigungsmittel und der Trinkwasseraufbereitung für die Bodenreinigung sind
Umweltbelastungen verbunden, die in einer Umweltbilanzierung durch FhG IBP ermittelt
wurden (Abb. 29ff). Grundlagen sind die konservativen Annahme der Einsparung einer
Unterhaltsreinigung pro Woche, einer Zwischenreinigung pro Jahr und einer Grundreinigung pro 1,5 Jahren sowie die weiteren Angaben der Tabelle 1 in Kap. 4.3.
Für die Lifecycle-Analyse von FhG IBP wurde zusätzlich angenommen:
•
•
•
•
•
Die kalkulatorische Nutzungsdauer beträgt 15 Jahre
Reinigungsaufwand von geschliffenen und gelaserten Bodenbelägen
Es wird eine manuelle Reinigung angenommen (Doppelfahreimer, Mikrofaserbezüge)
Die Wasserbereitstellung sowie die Abwasserklärung wird ebenfalls betrachtet
Bei der gelaserten Fliese wird zusätzlich der Energiebedarf der Laseranlage betrachtet
(0,615 kWh/m², deutscher Strom-Mix).
Modelliert wurde mit der Software GaBi 5. Eine Auswertung erfolgte nach folgenden Umweltwirkungskategorien:
• Treibhauspotential GWP: Emissionen in Luft, die den Wärmehaushalt der Atmosphäre
beeinflussen (z.B. CO2, CH4, …)
• Versauerungspotential AP: Emissionen in Luft, die eine Regenwasserversauerung verursachen (z.B. NOx, SO2, HCl, HF, …)
• Eutrophierungspotential EP: Nährstoffeintrag Überdüngung von Gewässern und Böden
(z.B. P- und N-Verbindungen)
• Photochemisches Oxidantienbildungspotential POCP: Emissionen in Luft, die als
Ozonbildner in Bodennähe fungieren (z.B. Kohlenwasserstoffe)
• Energiebedarf
Im Ergebnis resultieren signifikante Umwelteffekte, siehe Tabelle 1 und folgende Abbildungen.
Treibhauspotential (globale Erwärmung)
Abbildung 29: Treibhauspotential für neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts)
30
Eutrophierungspotential (Bodendüngung)
Abbildung 30: Eutrophierungspotential für neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts)
Versauerungspotential (saurer Regen)
Abbildung 31: Versauerungspotential konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Vergleich zur
bisherigen Lösung (rechts)
31
Photochemisches Oxidantienbildungspotential (Ozonloch)
Abbildung 32: Photochemisches Oxidantien-Bildungspotential konservativ abgeschätzt für die neue Lösung
(links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts).
Primärenergieverbrauch
Abbildung 33: Primärenergieverbrauch konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Vergleich zur
bisherigen Lösung (rechts).
32
Trinkwasserverbrauch
Brauchwasserverbrauch bei
Stromerzeugung für Laserbehandlung
Abbildung 34: Trinkwasserverbrauch (in Liter) konservativ abgeschätzt für die neue Lösung (links) im Vergleich zur bisherigen Lösung (rechts).
3.2.4 Stempelentwicklung (AP4)
Restschmutzaufnehmer ( Stempel)
Der Restschmutzaufnehmer verfügt über ein stabiles Gehäuse aus Hartmetall mit mehreren Befestigungsbohrungen. In der Innenseite des Gehäuses befindet sich eine Metallfeder, über die die Druckkraft gesteuert wird. Der Stempelkopf und der Stempelhals sind
abnehmbar und können beliebig ausgetauscht werden. Die Kerbungen auf dem Stempelkopf dienen zur Befestigung des Absorbers (Baumwolltuch).
33
Abbildung 35: Das Werkzeug und dessen schematischen Aufbau
Die Steuereinheit
Die Steuereinheit besteht hauptsächlich aus einem Step-Controller (Schrittmotor Steuerung) IMC-P von ISEL, der eine frei programmierbare Kompaktsteuerung ist und über 4
Endstufen für 2-Phasen-Schrittmotoren verfügt. Der Step-Controller hat die Funktion, die
Portaleinheit in X/Y/Z Richtung anzusteuern. Zur Erstellung des Steuerungsprogramms
und Konfiguration der Achsen wird die Software ProNC von der Firma Isel verwendet.
Abbildung 36 ISEL Steuereinheit IMC-P
Portaleinheit
Die Portaleinheit (XYZ Kreuztisch genannt) ist ebenfalls von der Firma ISEL und verfügt
über 3 lineare Achsen, welche jeweils von einem Schrittmotor angetrieben werden.
Abbildung 37: Schematischer Aufbau der Portaleinheit
34
Durchführung
Vor jeder neuen Messung wird ein frisches Adsorbertuch, das in der Regel aus Baumwolle
besteht, an den Restschmutzaufnehmer (Stempel) angebracht. Der Stempel wird dann an
der Z - Achse der Portaleinheit befestigt. Nach dem Programmstart beginnt der Politurvorgang. Nach der vollständigen Abrasterung wird der textile Absorber vom Werkzeug abgenommen und kann anschließend farbmetrisch vermessen werden. Um eine hohe
Schmutzaufnahme zu ermitteln, werden die Parameter Druck, Versatz und Geschwindigkeit variiert. Diese Parameter werden zur Erreichung einer hohen Reproduzierbarkeit in
der Prüfbeschreibung abgelegt.
Die eingestellten Prozessparameter:
•
•
•
•
Druckkraft:
Steuerbar:
Versatz:
Geschwindigkeit:
8 kg pro cm2
Position der Z-Achse
10 mm
100 mm/s
Schema des Politurvorgangs:
Abbildung 38: Skizze des Politurvorgangs
In Abbildung 39 ist der Gesamtaufbau der Vorrichtung zur Restschmutzbestimmung zu
sehen. Auf der Grundplatte der Portaleinheit befindet sich ein weißer Holzrahmen, in dem
die Probefliese vor der Politur platziert wird. Der Holzrahmen dient der Stabilisierung der
Probefliese während der Politur.
Abbildung 39: Gesamtaufbau der Restschmutzbestimmungsvorrichtung
Entwicklung eines CNC Programms zur Steuerung des Politurvorgangs
Zur Entwicklung des CNC Programm wurde die Software ISEL ProNC auf einem Windows
Rechner installiert. Vor der CNC Programmerstellung wurden die Parameter wie Programmdaten (Satznummer), Geometriedaten (Achskoordinaten, Referenzpunkte) und
Technologiedaten (Bahnbewegung, Geschwindigkeit) definiert und festgelegt. Die Programmierung erfolgte nach DIN66025 (G-Codes) oder Isel-PAL.
Das CNC Steuerungsprogramm führt vor jedem Start eine Referenzfahrt durch. Die Abbildung 22 veranschaulicht den Ablauf des Restschmutzbestimmungsvorgangs.
35
Abbildung 40: Schematischer Ablauf in X / Y - Richtung
Der Programmablauf ist wie folgt:
•
•
•
•
Referenzfahrt ausführen (bei Systemstart)
Verfahrgeschwindigkeit und Verfahrbewegung zuweisen (100mm/s) (Gerade)
Startkoordinaten für X/Y/Z Achsen in absolute Maßen zuweisen
Absetzen des Stempels auf der Platte. Die Druckkraft wird durch Positionierung der Z
Achse auf der Platte eingestellt.
• n-mal Fahrzyklen in X-Richtung ausführen
• n-mal Fahrzyklen in Y-Richtung ausführen
• Parkposition anfahren
Jede Fliese (300 mmx300 mm) wird abwechselnd 30mal in X-Richtung und 30ml in YRichtung abgerastert. Dabei beträgt der Versatz (2) (4) (6) ( )… konstant 10mm. Nach
erfolgreicher Abrasterung wird die Parkposition bzw. Startposition angefahren.
Methoden zur Restschmutzbestimmung
Quantitative Restschmutzbestimmung wird mit folgenden Messgeräten durchgeführt.
• Farbmetrik, Hunterlab MiniScan EX Plus
• Portables Zweistrahl-Spektralphotometer
Bei der Farbmessung wird das für die industrielle Qualitätssicherung
gebräuchliche LCH Farbraummodell für die Messungen verwendet:
L = Helligkeit, C= Chroma / Buntheit (Farbsättigung), h = Buntton (Winkel)
E = Farbpunkt im LCH Farbraum
E = L² + C ² + H ²
Zur qualitativen Restschmutzbestimmung wird nach der Politur das Werkzeug (Stempel)
aus der Befestigung entfernt. Das Adsorbertuch aus reizfester Baumwolle bleibt auf dem
Stempel festgebunden. Zur Bestimmung der Farbdifferenz wird der Farbfleck direkt an die
Öffnung des Hunterlab Messgerät gehalten und die Messung kann gestartet werden. Mindestens drei Messungen sind für die Mittelwertbildung nötig. Das Hunterlab
Farbmessgerät zeigt die L-C-H Wert des Farbflecks an. Die Werte werden später zu
Ermittlung der ∆ E herangezogen.
Abbildung 41: Farbmessung mit Hunterlab
36
Bestimmung des Glanzwinkels
Eine weitere Messmethode wurde zur Überprüfung der Oberflächenstruktur sowie Verschmutzungsgrad angewendet. Hierbei handelt sich um die Bestimmung des Glanzwinkels
in Abhängigkeit von Messwinkeln mittels eines Glanzmessers (Abbildung 42). Die Glanzeinheiten bieten zusätzlich zu den LCH Farbwerte wichtige Information über die Oberflächenbeschaffenheit sowie Fliesenmaterial. Die Untersuchung hat gezeigt, dass Fliesen mit
geschliffenen Oberflächen niedrige Glanzeinheiten als polierten oder poliert und gelaserten aufwiesen. Ebenfalls bei angeschmutzten Fliesen zeigt die Glanzmessung geringe
Werte. Die Ergebnisse deuten darauf hin dass angeraute Oberfläche (matt) und Schmutzpartikeln auf Fliesen das Licht stark diffus reflektieren.
Abbildung 42: BYK Gardner Glanzmessgerät
Je nach Messwinkel ermittelt das Glanzmessgerät unterschiedliche Glanzeinheiten und
kann deshalb auf Oberflächen mit verschiedenen Rauhigkeiten angewendet werden.
Abbildung 43: Glanzmessung in Abhängigkeit des Messwinkels
3.2.5 Stempeltests (AP5)
Bei dem Stempeltest wurden die Grundfunktionen wie Einfachheit, Flexibilität, Elastizität
der Stempelkopfes, Druckfestigkeit sowie Robustheit des Werkzeugs überprüft. Dazu wurde der Stempel in Druckprüfvorrichtung eingespannt und die Druckkraft bei verschiedenen
Lasten gemessen. Die Kalibrierung des Stempeldrucks erfolgte in gleichen Schritten. Es
ist möglich, mit dem Werkzeug eine Druckkraft bis zu 80N erzeugen. Für die Restschmutzbestimmung wurde eine Druckkraft von 20N eingestellt.
Die wichtigen Anforderungen an dem Stempel wurden bei dem Praxistest erfüllt. Um die
optimale Form des Farbflecks zu erzielen, wurde ein rundes Kunststoffpad mit abgeflachten Rändern an Stempelkopf angebracht. Dieses führte dazu, dass sich die Schmutzpartikel während der Politur kreisförmig auf dem Adsorbertuch sammeln. Die Tests haben gezeigt, dass das Material, aus dem das Pad besteht, entscheidend für die Form des Farbflecks ist. Hier besteht es eine Optimierungsmöglichkeit.
37
3.2.6 Methodenentwicklung (AP6)
Für die Methodenentwicklung im Labor wurden folgende Fliesen verwendet
Padang Dunkel (PD) poliert, PD K120 (geschliffen), PD poliert und gelasert
G603 poliert
G603 K 120 (geschliffen)
G603 poliert und gelasert
Impala poliert, Impala K120 (geschliffen) , Impala poliert und gelasert
1
2
3
Abbildung 44 Naturstein Fliesen 1: G603, 2: Impala, 3: Padang Dunkel
poliert
gelasert
gesandet
werkseitig R9
Abbildung 45: Mikroskopaufnahmen Feinsteinzeug Fliesen verschiedener Oberflächenbehandlung
Charakterisierungsmethoden
Mikroskopische Untersuchung
Die Mikroskopische Untersuchung dient der Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit
der Fliesen. Die Veränderung der Oberflächen durch die Modifikation kann mit Hilfe des
Lichtmikroskops nachgewiesen werden. Erste Aussage über die Fliesenoberfläche kann
gemacht werden. Bei polierten Fliesen sind keine Erhebungen auf der Oberfläche sichtbar.
Detaillierte (genauere) Information über die Oberfläche ist aufgrund eingeschränkten Betrachtungswinkels nicht möglich. Bei näherer Betrachtung unter dem Digitalmikroskop ist
die Form der Lasereinschusslöcher deutlich erkennbar.
38
Impala gelasert
Lasereinschusslöcher im Detail
Abbildung 46: gelaserte Fliesen Typ Impala
Digitalmikroskopische Untersuchung
Die Morphologie bzw. Oberflächenbeschaffenheit der Fliesenoberfläche wird mit Hilfe eines Digitalmikroskops genauer untersucht.
Das Digitalmikroskop Model VHX 2000 KEYENCE ermöglicht durch die Tiefenschärfezusammensetzung die 3D Darstellung von der Fliesenoberfläche. So lässt sich die Oberflächenform der Fliesen betrachten bzw. charakterisieren. Die Höhenverteilung wird farblich
gekennzeichnet und verdeutlicht die Unebenheit der Fliesenoberfläche, welche durch die
Modifikation entstanden ist.
Auf den gelaserten Fliesen sind die Einschusslöcher auf dem 2D Bild (Abbildung 46) deutlich zu sehen. Ebenfalls gut zu erkennen sind die mikroskopischen kleinen Kratzspuren
rum um das Einschussloch und stellen eine zusätzliche Ablagerungsmöglichkeit für den
Schmutz dar. Die Ablagerungsmenge der Schmutzpartikeln hängt von der Tiefe und dem
Umfang dieser Löcher ab.
Das Tiefenprofil des Lasereinschussloches ist in dem Diagramm unterhalb des 3D Bildes
dargestellt und verdeutlicht den Höhenunterschied der Fliesenoberfläche.
Die geschliffenen Fliesen (K120) weisen eine wellenartige Oberfläche auf. Es lässt sich
vermuten dass die Drehbewegung des Schleiftellers die Ursachen dieser Rillen sind. Diesen Rillen sind auch möglichen Quellen der Schmutzablagerung.
Abbildung 47: Laserloch bei unterschiedlichen Vergrößerungen
39
Abbildung 48: Vermessung und 3D Darstellungen des Tiefenprofils des Laserlochs
Rauhigkeitsprüfung
Die Rauhigkeit einer Fliesenoberfläche kann die Reinigungsfähigkeit sowie die Verschmutzung wesentlich beeinflussen. Es ist ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Rutschsicherheit und Optik.
Die zusätzliche Rauhigkeitsprüfung wurde geführt um das Profil der Fliesen zu bestimmen.
Mit Hilfe eines Rauheitsmessgerätes (Hommel Tester T2000) wurde die Oberfläche per
Tastschnittverfahren abgetastet. Nach der Abtastung werden die Messwerte berechnet
und Profiltiefe bzw. Rauhigkeit ermittelt.
Das folgende Bild zeigt das Schema des Tastschnittverfahrens
Abbildung 49: Tastschnittverfahren zur Bestimmung des Oberflächenprofils
Bei polierten Fliesen ist die Oberfläche relativ flach und hat einen geringen Mittenrauhwert.
Die poliert - und gelaserten Fliesen haben ebenfalls eine flache Oberfläche. Die durch den
Lasereinschuss entstandenen Vertiefungen sind eindeutig zu sehen (Abbildung 50).
Diese Vertiefungen sind mögliche Ursache für die Schmutzablagerungen auf der Oberfläche sowie die Verschlechterung der Reinigungsfähigkeit der Fliesen.
Das Rauheitsprofil des geschliffenen Fliesen (K120) unterscheidet erheblich von den anderen Fliesen. Die Oberfläche des K120 Fliesen hat einen größeren Mittenrauwert. Dadurch kann mehr Schmutz in den Rillen, welchen durch den Schleifprozess entstanden
sind, zurückbleiben. Diese ungleichmäßige Oberflächenstruktur kann die Reinigung wesentlich beeinträchtigen.
40
Abbildung 50: Vergleich der Oberflächenprofile
Benetzbarkeit Über die Benetzbarkeit der Fliesenoberfläche lässt sich die Reinigungsfähigkeit der Fliesen in vielen Fällen ableiten. Die Einwirkung des Reinigungsmittels kann durch z.B. die
Absorptionsfähigkeit des Fliesenmaterials und der Fliesenoberfläche erheblich beeinflusst
werden. Einerseits lassen Fliesenproben mit porösen Oberflächen wie G603 beispielweise
mit Wasser verdünnten Reinigungsmittels schneller durchsickern. Die Reinigungswirkung
kann dadurch verschlechtert werden. Andererseits verringert die Porosität der Oberfläche
die Ausbreitung des nassen Schmutzes. Es sind wichtige Anhaltpunkte für die Reinigungsmethode bzw. Reinigungszeit.
Mittels eines mobilen Kontaktwinkelmessgerätes der Fa. Krüss (DSA II ) werden an ausgewählten Proben jeweils 10 definierte Wassertropfen aufgebracht und deren Kontaktwinkel gegenüber der Fliesenoberfläche automatisch gemessen und gemittelt.
Die Untersuchungen haben jedoch keine eindeutigen Ergebnisse erbracht. Diese sind auf
das Material sowie Porosität der Fliesenoberfläche zurückzuführen. Die Messergebnisse
können jedoch zusätzliche Informationen über das Anschmutz – und Reinigungsverhalten
der Fliesen liefern. Anschmutzverhalten 41
geringe Benetzung
mittere Benetzung
gute Benetzung
Abbildung 51: Drei unterschiedliche Anschmutzverhalten
Das Anschmutzverhalten ist in der Abbildung 51 gut zu erkennen. Die gleichmäßigen
Streifenmuster auf den Oberflächen lassen auf gute Benetzung schließen.
Reinigungsverfahren Das Reinigungsverfahren soll möglich einheitlich sein und dem Standard Reinigungsvorgang einer Reinigungskraft in der Praxis entsprechen. Der Wischvorgang bzw. Reinigungsvorgang wird für die Testbedingung angepasst und erfolgt in mehreren Schritten.
Die zu verwendende Hilfsmittels sind:
Wischbezug:
Reinigungsmittels:
Ecolab rasant Micro Basis
Ecolab Magic Maxx
Zuerst wird eine 0,5% Reinigungsmittellösung vorbereitet. Dazu wird 1ml Magic Maxx in
200ml Wasser vermischt und anschließend in die Plexiglas Wanne gegeben. Der Wischbezug von Ecolab wird in einer Plexiglas Wanne getränkt.
Das folgende Bild zeigt der Benetzungsvorgang des Wischbezuges.
Abbildung 52: Wischbezug in einem mit Reinigungsmittel gefüllte Wanne
Bewertung der Charakterisierungsmethoden
Die lichtmikroskopische und digitalmikroskopische Untersuchen stellen erste wichtige Information über die Oberflächen der Fliesen dar.
Bei näherer Betrachtung der Oberflächen sind einige Details wie die Form des Lasereinschusslochs, Materialschaden, die bei Verarbeitung entstanden sind, sowie Homogenität
der Oberfläche sichtbar. So wurde bei der lichtmikroskopischen Untersuchung ein Verarbeitungsfehler des Probensets G603 poliert und gelasert festgestellt.
Der Restschmutz kann ebenfalls mit Hilfe von lichtmikroskopischer Prüfung grob bestimmt
werden.
42
3.2.7 Testverfahren
Schmutzarten Für Testzwecke wurden zwei verschiedene Schmutzarten ausgewählt, die ähnliche Zusammensetzung aufweisen:
•
Arizona Staub: Zusammensetzung und Partikelverteilung an der Vorgabe der SAE
J726 Rev. JUN9
Teststaub: Straßenschmutz nach DIN 40050-9. Ausgabe:1993-05, zusätzlich
mit Flammruß, Farbteig 27600, höchstlichtecht. Fa. Dr. Kremer, Farbmühle
•
Arizona Staub Teststaub Abbildung 53: Arizona Staub (links) Teststaub (rechts) Der Arizona Staub ist sehr feinkörnig und aufgrund der rötlichen Färbe leicht zu erkennen.
Straßenstaub enthält üblicherweise Rußpartikeln, welche aus Reifenabrieb und Abgase
entstanden und auf die Straßen gelangen sind. Aus diesem Grund wurde dem Teststaub
kleine Menge Flammrußpartikel beigemischt. Anschließend erfolgten der Auftrag des Ruß
enthaltenden Teststaubs auf die Fliesen und die Reinigung.
Die Untersuchungsergebnisse zeigten jedoch, dass der auf der Fliesenoberfläche zurückbleibende Ruß aufgrund der Partikelgröße und geringe Menge leider schwer qualitativ erfassen ließ.
•
Fluoreszierende Teststäube
CHT R. BEITLICH GmbH Colormatch FL 101 GELB, Partie: 1645402
CHT R. BEITLICH GmbH Colormatch FL 181 ORANGE, Partie: 13188902
Es wurde mehrere Versuche unternommen, den Teststaub mit fluoreszierenden Farbstoffen anzufärben, um die Restschmutzbestimmung zu verbessern. Wie es in den Abbildungen 54 und 55 deutlich zu erkennen sind, wurden die Teststaubkörner angefärbt. Auch der
Test unter UV Licht war erfolgreich. Für die quantitative Bestimmung des fluoreszierenden
Teststaub ist ein geeignetes Messinstrument - wie Fluoreszenz Mikroskop erforderlich,
welches eine eigene UV - Licht Quelle und eine Dunkelkammer besitzt.
43
Abbildung 54: fluoreszierender Teststaub Grün
Abbildung 55: fluoreszierender Teststaub Orange
Anschmutzmethoden
Ansetzen der Normschmutzlösung
Um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, ist es nötig, ein einheitliches, reproduzierbares
Anschmutzverfahren anzuwenden. Zwei unterschiedliche Normschmutzarten Teststaub
und Arizona Staub werden abgewogen, vermischt und suspendiert, wobei das sich Mengen des Normschutzes, Mischverhältnis sowie Auftragsmethoden je nach Testfällen variieren konnten. Die wiederholten Tests haben gezeigt, dass die Reduzierung des Normschutzes von 10g auf 5 g vergleichbare Resultate erzielt hat, jedoch mit erheblich weniger
Reinigungsaufwand.
Das Mischverhältnis 50:50 hat sich bei späteren Untersuchungen bewährt.
Aufbringen des Normschmutzes
Die Normschutzlösung wird anschließend ungleichmäßig auf die Fliesen aufgebracht. Dies
geschieht entweder mit Rollwalze oder Kunststoffspachtel.
Bei dem Aufbringen des Normschmutzes wird Jede Fliese vom linken Rand zum rechten
Rand, dann vom unteren zum oberen Rand eingewalzt, sodass sich eine homogene
Schicht von insgesamt 2 g Gewicht ergibt. Die Fliesen werden anschließend bei Raumtemperatur 30 Min. getrocknet.
Das Aufbringen des Normschmutzes mittels Kunststoffspachtel erfolgt in 2 Schritten. Zuerst wird der Normschmutz auf den Fliesen gegeben. Anschließend wird 1 – 2 ml Wasser
dazugegeben und suspendiert. Die Trocknungszeit dauert ca. mehrere Minuten per Heißluft.
Die folgenden Bilder zeigen die zwei Schmutzauftragvorgänge. Bei dem rechten Bild ist
der Schmutzauftrag mit dem Rollwalze zu sehen. Diese Auftragmethode kam am Anfang
des Projekts häufiger zum Einsatz und wurde später durch den Auftrag mit Kunststoffspachtel ersetzt, welcher auf dem linken Bild dargestellt wird.
44
Abbildung 56: Schmutzauftrag mit Rollwalze (L), mit Kunststoffspachtel (R) Der Schmutzauftrag mit Kunststoffspachtel wurde aufgrund des geringen bzw. kalkulierbaren Verlust an Schmutzpartikeln angewendet.
Die folgende Abbildung zeigt die angeschmutzte Oberfläche nach der Trocknung:
Abbildung 57: Die angeschmutzte Fliesenoberfläche
• Das Anschmutzverfahren mit der Rollwalze erwies in der Praxis als aufwändig und nicht
präziser genug, um eine vergleichbare Ergebnisse zu bekommen, weil die Menge der
aufgetragenen Schmutzpartikeln nur indirekt bestimmt werden kann. Dieses Verfahren
entspricht dem natürlichen Verschmutzungsvorgang und eignet sich für die Voruntersuchung.
• Das Anschmutzverfahren mit Kunststoffspachtel ist einfacher zu handhaben und hat
bessere Reproduzierbarkeit. Der Verlust an Schmutzpartikeln bei diesem Verfahren
während des Schmutzauftragsvorgangs ist wesentlich geringer als das mit der Rollwalze. Aufgrund dessen wurde dieses Verfahren für diese Untersuchung häufiger angewendet.
• Anschmutzversuche mit Teststaub + Flammruß haben keine eindeutige Ergebnisse erbracht. Der Nachweis von Rußrückständen ist aufgrund geringer Menge und Partikelgröße messtechnisch sehr aufwändig und erfordert darüber hinaus Messinstrumente
mit hoher Präzision.
Reinigung der Fliesen
Der nasse Wischmopp wird in einen Metallhalter, welcher ein Gewicht von 2,7 kg hat, gespannt. Der nasse Wischmopp wird ein Mal mit konstantem Druck von ca. 30 N und konstanter Geschwindigkeit 10 cm/s über die beschmutzte Fliese gezogen. Nach einer Trocknungszeit von ca. 15 Minuten wird die Probe mit dem Glanzmessgerät vermessen. Es folgt
anschließend die Bestimmung des Restschmutzes mit dem Stempel.
45
Abbildung 58: Fliesenreinigungsvorgang
Restschmutzbestimmung
Vorrichtung zur Restschmutzbestimmung
Ein wichtiges Projektziel ist die Verbesserung der Restschmutzbestimmung. Um dies zu
erreichen, soll der Vorgang weitgehend standardisiert bzw. automatisiert werden. Für diesen Zweck wurde eine Vorrichtung entwickelt.
Mit Hilfe dieser Vorrichtung sollen die Fliesen unter konstantem Druck und konstanter Geschwindigkeit in x- und y-Richtung so abgerastert werden, sodass der anhaftende
Schmutz auf den Fliesen möglichst quantitativ auf einen textilen Absorber übertragen wird.
Diese Vorrichtung besteht aus Restschmutzaufnehmer (Stempel), Steuereinheit und Portaleinheit.
3.2.8 Entwicklung Laserung (AP7)
Die bisherige Laserbearbeitung „Lasergrip“ zielt darauf ab, bei möglichst geringer optischer Beeinflussung eine Verbesserung der Rutschsicherheit herzustellen. Mit der Zusatzforderung „Verbesserung der Reinigungsfähigkeit“ bzw. „Reduzierung des Einsatzes von
Reinigungsmitteln“ entstand eine Zusatzforderung, die sowohl in der Fertigungstechnologie wie auch der Gütekontrolle umzusetzen war. Form, Größe und Verteilung der Laserporen spielen dabei eine Rolle. Die rutschhemmenden Eigenschaften der Laserpore mussten
erhalten werden. So wurden nur solche gelaserten Platten für die Feldversuche und Laborversuche produziert, die auch die erforderliche Rutschfestigkeit aufwiesen.
Für die Durchführung der Reinigungsversuche war es notwendig, absolut reproduzierbare
(Lasergrip-) Oberflächen herzustellen. Dies ist auch gelungen, siehe Abb. 28.
In Versuchsreihen wurde festgestellt, wie weit die Parameter der Laserbearbeitung variiert
werden können ohne die Rutschsicherheit zu beeinflussen und es wurden geeignete
Testmaterialien bestimmt, welche exemplarisch für eine breite Varianz von Naturstein und
Feinsteinzeug stehen sollen.
Um eine reproduzierbare Basis für die Reinigungsversuche zu erhalten, war eine „Einheits-Pore“ zu entwickeln. Das Verhalten dieser Einheits-Pore bezüglich Rutschsicherheit
war zu betrachten. Es wurden die Einflüsse der technischen Laser- Parameter Strom, Frequenz und Raster auf das optische Bild der Pore ermittelt.
46
Daraus wurden Methoden der Qualitätskontrolle entwickelt, welche unmittelbar an der Maschine realisierbar waren, um die für die Versuche notwendigen kleinen Chargen mit hoher Prozesssicherheit liefern zu können.
Das Verfahren wurde erschwert, weil die Lasermaschine aus drei Diodenlasern besteht
und es sich herausstellte, dass die einzelnen Laser sich nicht exakt gleich verhielten. Die
Diodenlaser wurden justiert und einige Versuche wiederholt.
Die Bewertung der Laserung aus Sicht des Projektziels einer Reduktion des Reinigungsaufwands und der damit verbundenen Umweltbelastung wurde im wesentlichen erreicht
(siehe AP1, AP2 und AP4) und soll in Phase II durch verbesserte Messungen und weitere
Feldversuche abgesichert werden.
4
Ökologische, technologische und ökonomische Bewertung
Ökologische Bewertung:
Die ökologischen Ergebnisse sind in Kapitel 3.2.3 dargestellt und bewertet. Zusammenfassend sei festgestellt, dass sich entsprechend der Einsparung an Reinigungsaufwand
Wasser und Reinigungsmittel und entsprechende Auswirkung auf Umwelt- und Ressourcen sehr signifikante Verbesserungen mit wirtschaftlichen Vorteilen erzielen lassen.
Technologische Bewertung:
Eine vorteilhafte Anwendung ist technisch vom Material der Bodenplatten abhängig, bei
verschiedenen häufig eingesetzten Feinsteinzeugen verheißungsvoll. Eine belastbare
Aussage zur Höhe der Einsparungen bei geeigneten Platten ist erst nach weiteren Praxisversuchen möglich.
Ökonomische Bewertung:
Auf Basis der Daten aus den Versuchen des RRI wurde eine Kostenanalyse erstellt, die
folgende externe Basisdaten benutzt:
1.) Mustergebäude
Für die Kostenanalyse wurde ein Beispielobjekt erstellt. Es ist ein Ladenlokal mit einer zu
reinigenden Fläche von 1.000 m². Die Reinigung erfolgt manuell mittels vorgetränkten Mikrofaserbezügen, was dem anerkannten Stand der Gebäudereinigungstechnik erfüllt.
2) Reinigungskosten
Die Ermittlung von durchschnittlichen Reinigungskosten für ein derartiges Gebäude wurden durch Angebotsabfrage bei verschiedenen Gebäudereinigungsunternehmen ermittelt.
Hierbei liegen folgende Daten zugrunde:
Unterhaltsreinigung:
Der Preis für ein einmaliges Wischen / m² beträgt:
0,04 € / m²
Zwischenreinigung:
Diese erfolgt im zweistufigen Wischen / m²:
0,09 € / m²
Grundreinigung:
Die Durchführung erfolgt mit einer Einscheibenmaschine
und zweifachem Nachwässern / Absaugen
0,90 € / m²
47
Die Kosten für die Reinigungsmittel sind in den Preisen enthalten.
3) Wasserbereitstellung und Abwasser:
Für die Wasserpreise wurden Daten des statistischen Landesamtes Baden Württemberg
genutzt. Quelle: http://www.statistik.baden-wuerttemberg.de/Pressemitt/2012334.asp
Wasserkosten:
Kosten Frischwasser:
1,97 € / m³
Kosten Abwasser:
1,77 € / m³
Wasserverbrauch (die Mengen sind analog der Versuchsanordnung):
Unterhaltsreinigung
200ml Wasserbereitstellung / m²
Zwischenreinigung:
800ml / m²
Grundreinigung :
2400 ml / m²
4) Inflationsrate
Die Inflationsrate wurde mit einem Wert von 2,5 % angenommen.
Beschaffungszusatzkosten:
Hierbei wurden für das Sandeln und Polieren 10 Euro / m² angesetzt und 12 Euro
für das Polieren und die LaserGrip - Bearbeitung angesetzt.
5) Gesamtkosten:
Daraus ergibt sich folgende Kostensituation nach 10 Jahren Nutzungsdauer:
Mustergebäude FSZ pressrau:
162.074,39 Euro
Mustergebäude FSZ gesandelt:
144.985,15 Euro
Mustergebäude FSZ LaserGrip:
113.013,79 Euro
Daraus ergibt sich, dass eine Amortisation, unabhängig von den Umweltvorteilen, bereits
nach zwei Jahren erreicht werden kann. Die LaserGrip - Technologie ist nicht nur Umwelt
und Ressourcen schonend, sondern auch sehr wirtschaftlich in gewerblichen Bereichen.
5
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Die Zwischenergebnisse wurden bei einem Treffen der Projektpartner mit Dr. Schwake
von der DBU am 25.06.2012 präsentiert.
Der Feldversuch in der Betriebshalle der Hochschule Reutlingen dient der Öffentlichkeitsarbeit, da hier ein sehr reger Publikumsverkehr herrscht. Informationstafeln und Poster
informieren über das Vorhaben.
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Auf den Homepages des RRI und der Spitzmüller AG wurde je eine Kurzinformation präsentiert.
Das Projekt erweckte bereits großes Interesse bei der „Reinigungsindustrie“ – so wurde
die Thematik bei verschiedenen Firmen präsentiert:
- Fa. Vermop, Gilching (Reinigungssysteme, textile Wischbezüge)
- Fa. Werner & Merz, Mainz (Chemikalien zur Bodenpflege)
Die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Bodenoberflächen, Verschmutzung sowie Reinigungsmedien soll in zukünftigen Kooperationen mit den Firmen weiter untersucht
werden.
Der SWR war im Februar beim RRI und es wird einen Radiobeitrag über das Projekt bis
Ende März geben, eventuell auch einen Fernsehbeitrag.
Auf der 46th International Detergency Conference (9.-11.4.2013, Düsseldorf) wird Herr Nebel das Projekt im Rahmen eines Vortrags präsentieren: „Practice Orientated Correlation
between Cleaning Behavior and Antislip Surface Modification by Laser Technology”
Magna (Herr Fahrenkrog) wird am Arbeitskreis des FRT / WfK (Forschungsinstitut für Reinigungstechnik, Krefeld) zur Reinigung von mineralischen Bodenbelägen teilnehmen. Hier
wurde bereits ein standardisiertes Merkblatt erstellt, was den anerkannten Stand der
Technik im Reinigungsbereich darstellt [FRT12]. Hierbei wurde bestätigt, dass der Ansatz
(Reinigungsmittel und mechanisches Verfahren), dem aktuellen Stand der Technik absolut
entspricht.
Präsentationen im Bundesinnungsverband und den Landesverbänden der Steinmetze und
der Gebäudereiniger durch Magna sind geplant.
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6
Fazit
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Die polierten Oberflächen, die für den öffentlichen Bereich nicht geeignet sind (keine
"R9"), zeigen erwartungsgemäß das geringste Schmutzrückhaltevermögen.
Von den unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen, die die Bewertungsgruppe der
Rutschsicherheit "R9" erfüllen schneidet die Laserbehandlung hinsichtlich der Reinigungsfähigkeit der Fliesen bei der Unterhaltsreinigung am besten ab.
Daraus resultiert, dass eine Minimierung der Umweltbelastung durch Reinigungschemikalien der Unterhaltsreinigung und der Vorgabe "R9" am ehesten durch eine
gelaserte Oberfläche erzielt werden kann. Eine Quantifizierung wird im Nachfolgeprojekt entworfen werden.
Die Grundreinigungsfrequenz, die abhängig ist von der subjektiven Schmutzwahrnehmung und dem Schmutzrückhaltevermögen der Oberflächen, ist bei der gelaserten Oberfläche (bei Anforderung "R9") ebenfalls am geringsten.
Durch die vielen Einflussparameter (Materialschwankungen, Reproduzierbarkeit etc.)
sind gesicherte Aussagen bezüglich der objektiven Reingungsfähigkeit einzelner
Grundmaterialien erst nach längeren Versuchszyklen und nach einer hohen Anzahl
an Wiederholungen möglich.
Eine Systemoptimierung, d. h. eine Abstimmung Oberfläche (Laserung) mit Reinigungsmethode und Medium, birgt zukünftige Entwicklungspotenziale und ist aus
Sicht der beteiligten Industrie (Steinhersteller – Chemieindustrie - Reinigungsindustrie) von großem Interesse.
Die Reproduzierbarkeit der Messungen innerhalb des Feldversuches ist gut.
Bei Padang bringen die Laserbehandlungen K4 und K1 die besten Ergebnisse.
Bei FSZ von Villeroy & Boch zeigen K1, K2, K6 die besten Reinigungsergebnisse
Der zeitliche Verlauf (=Abnutzung der Fliesenoberfläche) muss noch näher untersucht werden bzw. über einen längeren Zeitraum getestet werden
Die geschliffenen Fliesen weisen eine wellenartige Oberfläche auf. Diese führt dazu
dass die Schmutzpartikel in der Vertiefung ablagern und nur durch die richtige
Wischbewegung bzw. Richtung entfernen lassen
Die Wischtücher aus Mikrofasern erwiesen sich für Fliesen mit rauer Oberfläche als
ungeeignet, da diese während des Wischtest zunehmend gefusselt haben.
Der Straßenschmutz enthält üblicherweise einen kleinen Anteil von Rußpartikel. Aufgrund dessen wurde Flammruß in Teststaub beigemischt, um tatsächliche Bestandteile des Straßenschmutzes anzunähen. Nach dem Wischen lässt sich jedoch der
Teststaub beigemischte Rußanteil aufgrund extrem geringer Menge nur mit hohem
messtechnischen Aufwand nachweisen.
Die Menge des Arizona Staub, der nach dem Wischen in Poren, Lasereinschusslöcher und Oberfläche der Fliesen noch vorhanden sind, ist quantitativ zu erfassen.
Die Beimischung von Öl und Fett in den Testschmutz könnte eine Aussage über die
Oberflächenspannung geben. .
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7
Literaturverzeichnis
[Din01]
DINORT, G.: „Fachtechnologie mit Baustoffkunde für Fliesen-, Platten- und Mosaikleger“. Verlag Müller, Rudolf (2001)
[Fah1]
FAHRENKROG, H.: „Naturstein im Alltag, Band1“, Callwey-Verlag, München (2007)
[Fah2]
FAHRENKROG, H.: „Naturstein im Alltag, Band2“, Callwey-Verlag, München (2010)
[Fri11]
FRICK, F: Ausgerutscht. Bild der Wissenschaft 3/2011, Seite 106 (2011)
50
[FRT12]
EUROPÄISCHE FORSCHUNGSGEMEINSCHAFT REINIGUNGS- UND HYGIENETECHNOLOGIE E.V. (Herausgeber): „FRT-Leitfaden ’’mineralische Bodenbeläge““ (2012)
[Hol08]
HOLLÄNDER, B.: 17. Expertengespräch „Rutschhemmung im Fokus“. Naturstein
06/2008, Seiten 22 - 30 (2008)
[Lut10]
LUTZ, W.: „Fachbuch Gebäudereinigung“. Verlag Lutz, Martin und Andreas Lutz
Fachbücher, Herausgeber: Bundesinnungsverband d. Gebäudereiniger-Handwerks; Dettingen/Erms FIGR-Forschungs- u. Prüfinstitut f. Facility Management GmbH (2010)
[PAT03]
THUMM, J. und BAUER J.: „Verfahren zur Bearbeitung der Oberflächen transparenter Werkstoffe mittels Laserstrahl und nach diesem Verfahren hergestellte Produkte“.
Offenlegungsschrift DE10304371A1, Deutsches Patent- und Markenamt.
SIEVERS, T; WIEDEMANN, G. und STÜRMER, U.: „Rutschfester Fußbodenbelag
und Verfahren zu seiner Herstellung“. Europäische Patentschrift EP 082591781, Europäisches Patentamt (1998)
[PAT98]
8
Anhänge
Arizona-Staub: Chemische Zusammensetzung (nach SAE J726 Rev. JUN93)
Bezeichnung
SiO2
Al2O3
Fe2O3
Na2O
CaO
MgO
TiO2
V2O3
ZrO
BaO
Gewichts-%
65 - 76
11 - 17
2,5 - 5,0
2-4
3-6
0,5 - 1,0
0,1
0,1
0,1
0,1
Partikelverteilung nach Gewichts-%
Partikelgröße in µm
0–5
5 – 10
10 – 20
20 – 40
40 – 80
80 – 200
fein
39
18
16
18
9
grob
12
12
14
23
30
9
Prüfstaub nach DIN 40050 – 9 Ausgabe: 1993 – 05, Straßenfahrzeuge
Zusammensetzung: 50 % (Gewicht) mineralische Komponenten (CaCO3, SiO2)
50 % Gewichtsanteile Flugasche
Kornverteilung:
33 % Gewichtsanteile =< 32 µm
67% Gewichtsanteile > 32 µm, aber =< 250 µm
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DBU-Abschlussbericht-AZ-29514

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