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Sandstrahlen ➥ Grundlagen und Einordnung

Informationen zu den Verfahren der Sandstrahltechnik und Strahlmitteln

Was ist Sandstrahlen?

Sandstrahlen ist ein Verfahren der Oberflächenbehandlung und dient der Reinigung von Metalloberflächen sowie dem Mattieren von Glas. Dabei erfüllt die Sandstrahlbearbeitung von Metallen eine Doppelfunktion, da die Oberflächen sowohl gereinigt als auch aufgeraut werden. Diese Strahlwirkung wird durch sogenannte Strahlmittel wie Korund oder Granatsand erreicht, welche mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche prallen und somit in einem Bearbeitungsprozess die Metalloberflächen reinigen und aufrauen. Dabei wird die Oberflächenstruktur von dem verwendeten Strahlmittel bestimmt und die Wahl des Reinigungsgrades richtet sich nach dem anschließend geforderten Oberflächenschutz.

Wann wurde die Sandstrahltechnik entwickelt und patentiert?

Sandstrahlen ist ein zeitloses Verfahren für die Bearbeitung von Oberflächen und wurde bereits im Jahre 1870 von Benjamin C. Tilghman patentiert. Dabei war das britische „UK Patent 2147“ das erste und gleichsam auch das wichtigste. Darin waren die wesentlichsten Grundlagen der Sandstrahltechnik in Bezug auf Anwendungen, Strahlmittel und Maschinen aufgeführt. Die ersten industriell eingesetzten Maschinen fanden Anwendung zum Schärfen von Feilen und Werkzeugen. Als Strahlmittel wurde ausschließlich Quarzsand verwendet. Doch waren für die Erschließung neuer Einsatzgebiete andere Strahlmittel und Maschinen mit einer höheren Strahlleistung notwendig. Gerade die zunehmende Bedeutung der Oberflächenbearbeitung hat die Weiterentwicklung der Sandstrahltechnik wesentlich beeinflusst, da der Markterfolg vieler Produkte von Qualität und Ästhetik der Oberflächen mitentscheidend ist. So kam vermehrt das Schleuderradstrahlen zum Einsatz, welches von den deutschen Erfindern Hans Weber und Karl Grocholl im Jahre 1931 mit dem Reichspatent 538349 patentiert und einige Jahre später von einem amerikanischen Gießereiausrüster für großtechnische Anwendungen optimiert wurde. Heute ist Sandstrahlen in Form des Kugelstrahlens zu einer unverzichtbaren Basistechnologie der Bauteilereinigung und Oberflächenverfestigung geworden, da die damit verbundene lebensdauersteigernde Wirkung metallischer Oberflächen deutlich gesteigert werden kann.

Wie Sandstrahlen funktioniert

Beim Strahlprozess wird ein starker Luftstrahl erzeugt, welcher mit einem Strahlmittel vermischt wird. Der benötigte Luftdruck wird durch spezielle Kompressoren erzeugt und das pulverartige Strahlmittel kann entweder trocken oder mit Wasser aus einem Sammelbehälter beigemischt werden. Dieses spezielle Sand- Luftgemisch wird anschließend mit hoher Geschwindigkeit über ein Schlauch- und Düsensystem auf die zu behandelnde Oberfläche gestrahlt. Dabei werden Oberflächenteilchen aufgrund der abrasiven Strahlwirkung herausgelöst und anschließend entfernt. So werden Oberflächen von Verunreinigungen, Rost, Lack oder Zunder gründlich gereinigt. Je nach Verfahren können dabei verschiedene Reinigungsgrade erzielt werden.

Die Reinigungsgrade
  • SA 1: Sandstrahlen mit bürstenähnlichem Reinigungseffekt
  • SA 2: Normale Oberflächenreinigung ohne Hochglanzeffekt
  • SA 2 1/2: Reinigung bis auf eine fast blanke Metalloberfläche
  • SA3: Reinigung bis auf eine völlig blanke Metalloberfläche

Welche Verfahren gibt es?

Je nach dem zu strahlenden Werkstoff und den gewünschten Anforderungen kommen beim Strahlen mit Sand unterschiedliche Verfahren zur Anwendung.

1. Niederdruckstrahlen

Das Strahlmittel wird in einem Strahlkessel unter Druck gesetzt. Unter der Einwirkung von Druck und Schwerkraft wird das Strahlmittel zur Luftdüse befördert und auf die zu bearbeitende Oberfläche gestrahlt. Der Druck im Kessel kann je nach Bedarf verändert werden. Neben dem trockenen Niederdruck-Sandstrahlen gibt es auch ein sogenanntes „feuchtes“ Verfahren, bei welchem dem Strahlgut Wasser hinzugefügt wird. Für das letztere Verfahren wurden besonders geformte Feuchtstrahlköpfe entwickelt. Beimengen von Wasser macht die Reinigung schonender und reduziert die Staubmenge. Gleichzeitig verringert sich aber auch die Flächenleistung.

2. Mikrosandstrahlen

Dieses Verfahren ist eine Unterart des Niederdruckstrahlens, bei welchem ein extra feinkörniges Strahlmittel wie z.B. Steinmehl oder Glasperlen, zum Einsatz kommt. Die speziellen Mikrostrahlanlagen strahlen das Strahlgut unter sehr hohem Druck auf die Oberfläche.

3. Injektions-Sandstrahlen

Durch einen Injektor wird das Strahlmittel aus dem Behältnis entnommen und auf die Oberfläche gestrahlt. Zu den Pluspunkten vom Injektions-Verfahren gehören der unkomplizierte Aufbau der Anlage und die einfache Anwendung. Die Flächenleistung ist dabei nicht sonderlich hoch. Der Druck und die Menge des Strahlguts können unterschiedlich eingestellt werden. Neben dem Trocken-Sandstrahlen gibt es auch die Feuchtstrahlaus-führungen der Injektions-Anlagen.

4. Vakuum-Verfahren

Der größte Unterschied zu den oben genannten Verfahren besteht darin, dass beim Vakuum-Sandstrahlen ein geschlossener Kreislauf des Strahlmittels gebildet wird. Das Strahlmittel wird direkt nach der Bearbeitung durch ein Vakuumsystem eingesaugt. Dabei geschieht die Trennung vom wieder verwendbaren Strahlgut und dem Abfallprodukt. Während der Staub entsorgt wird, gelangt das intakte Strahlmittel wiederholt in den Kreislauf und wird bei der Oberflächenbearbeitung eingesetzt. Der Vorgang wird solange wiederholt, bis das gesamte Strahlmittel verbraucht wurde. Der größte Vorteil der Vakuum-Strahltechnik ist neben dem staubarmen Arbeiten der sparsame Verbrauch des Strahlmittels. Als Nachteil gilt die vergleichsweise geringe Flächenleistung. Zu den optimalen Strahlmitteln beim Vakuum-Verfahren zählt in erster Linie der langlebige Korund.

Das klassische Strahlmittel, nämlich der Quarzsand, wird aktuell so gut wie nicht mehr eingesetzt. Der Grund dafür ist Silikose, eine gefährliche Lungenerkrankung, die durch das Einatmen des Quarzstaubs verursacht wird. Darüber hinaus werden Strahlmittel in Einweg- und Mehrwegstrahlmittel untergliedert. Während die ersteren nach der einmaligen Anwendung entsorgt werden, werden die anderen gesammelt und nach einer Wiederaufbereitung erneut verwendet. Wichtige Faktoren für die Verwendung eines Strahlmittels sind Einsatzbereich, Arbeitsumfang, die Art der Verschmutzung und Festigkeit des Untergrunds.

Häufig verwendete Strahlmittel

  • Korund: Scharfkantig, enthält keine Ferrite. Eignet sich hervorragend zur Reinigung und Entrostung. Das Ergebnis ist eine recht raue Oberfläche.
  • Schlacken: Scharfkantig, teilweise ferritfrei. Zuverlässige Reinigungswirkung.
  • Stahlguss: Kantig oder rund. Effektiv, wird u.a. zur Entfernung von Zunder ohne die Aufrauung der Oberflächen verwendet.
  • Glasperlen: Frei von Ferrit. Schwache Aufrauung der Oberflächen. Zuverlässige Wirkung, wird oft zur Veredelungszwecken eingesetzt.
  • Kunststoff: Ferritfrei, relativ wenig scharfe Kanten. Schonende Verarbeitung, Veredelung als das Haupteinsatzgebiet.
  • Trockenschnee oder Trockeneis: Optimal für sehr schonende Oberflächenbehandlung. Teures Herstellungsverfahren.

 

Wo findet Sandstrahlen Anwendung?

Sandstrahlen wird zum einen bei der Oberflächenreinigung und bei der Veredelung von Oberflächen eingesetzt. So lassen sich unter Einwirkung eines Strahlmittels u.a. Rost, Zunder oder Farbreste zuverlässig entfernen. Darüber hinaus findet dieses Verfahren zur Betonsanierung, Fassaden- und Motorenreinigung oder unterschiedlichen Behältern Anwendung. Mit Sand oder anderen Strahlmitteln lassen sich somit diverse Materialien bearbeiten, angefangen von Metallen über Stein bis hin zu Glas. Die Oberflächenveredelung mit Sandstrahlen lässt eine angeraute, mattierte Teileoberfläche entstehen. Vorwiegend werden auf diese Weise Metalle und Glas bearbeitet.

Die Vorteile

Sandstrahlen ist ein strahltechnisches Verfahren und ermöglicht eine schonende Oberflächenbehandlung von Metall, Kunststoff, Glas oder Gestein. Durch die abrasive Strahlwirkung kann dieses strahltechnische Verfahren sowohl zum Reinigen als auch zum Abtragen von Material zum Einsatz kommen. So können auch stark verrostete Werkstücke wirtschaftlich und gründlich gereinigt werden. Dies steigert die Lebensdauer des anschließenden Oberflächenschutzes. Auch ist eine nachfolgende Weiterbehandlung des entsprechenden Materials ist wirkungsvoll gewährleistet.

Die Nachteile

Nachteilig wirken sich beim Sandstrahlen die Entsorgungskosten des kontaminierten Strahlmittels aus, welches normalerweise nicht aufbereitbar ist. Auch müssen die anfallenden Staubemissionen aufwendig über Absaugsysteme abgeführt werden. Ebenfalls nachteilig kann sich die stark abrasive Strahlwirkung auswirken, da es nicht selten zu einer nicht gewünschten schnellen Abnutzung des Werkstückes kommen kann.

Wie berechnen sich die Sandstrahl-Kosten?

Die Fertigungskosten beim Sandstrahlen durch einen Fachbetrieb sind von unterschiedlichen Faktoren abhängig. Diese lassen sich aber nicht pauschal im Vorfeld berechnen, da die Anforderungen für eine korrekte Kostenermittlung bei jeder Sandstrahlarbeit verschieden sind. So ist eine präzise Vorkalkulation abhängig von Geräte- und Materialaufwand. Auch gibt es für immer wieder nachgefragte Gegenstände wie z.B. Felgen häufig Pauschalpreise. Ebenfalls von Bedeutung für die Preisgestaltung ist, ob vor Ort direkt beim Kunden oder im Fachbetrieb gestrahlt werden soll.

Die wichtigsten Faktoren im Überblick:
  • Art der zu reinigenden Oberfläche
  • Qualität des Reinigungsgrades
  • Wahl und Einsatz des Strahlmittels
  • Höhe der erforderlichen Förderleistung

Neben diesen grundlegenden Faktoren sind die örtlich unterschiedlichen Sätze für eine genaue Preiskalkulation zum Sandstrahlen von Bedeutung. Dazu zählen:

  • Arbeitslohn
  • Strahlmittel
  • Lieferkosten
  • Aufwand für Maschinen und Anlagen

Arbeits- und Umweltschutzmaßnahmen

Beim Sandstrahlen können giftige Dämpfe entstehen, welche bei Anwendern gesundheitliche Schäden verursachen. Deshalb findet der Strahlprozess in geschlossenen Räumen mit eingebauten Filteranlagen statt. Dagegen sind bei offenen Strahl-Anwendungen ein Abzug und Staubfilter notwendig. Die beim Strahlprozess entstehenden Abfälle setzen sich aus dem Strahlmittel und der abgetragenen Verschmutzung zusammen. Gerade beim Strahlen mit Quarzsand können gefährliche Lungenkrankheiten wie Silikose ausgelöst werden. So kommen in der heutigen Zeit vermehrt quarzfreie Strahlmittel wie z.B. Elektrokorund, Carborundum, Schlakkesand oder auch metallisches Strahlgut zum Einsatz. Auch dürfen beim Sandstrahlen aus Gründen des Umweltschutzes kein Staub und keine Schadstoffe in die Umgebung gelangen. Diese müssen geeigneten Entstaubungsanlagen zugeführt und später fachgerecht entsorgt werden. Anwender sollten beim Strahlvorgang spezielle Frischlufthelme tragen und diese erst nach dem Verlassen der Unterdruckzone abnehmen. Auch ist ein zweckmäßiger Hautschutz unabdingbar, da der Abrieb der Oberflächenbeschichtungen gefährliche Stoffe wie Blei, Zinkchromat und polychloierte Biphenyle (PCB) enthalten kann.