DE10113475A1 - Flüssigkeitsstrahlausbildung in reibungsarmer Umgebung - Google Patents

Abstract

Zum Schneiden von Werkstücken werden vielfach Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen eingesetzt. Hierbei ist es oft von großem Vorteil, wenn der Strahl nach dem Düsenaustritt möglichst über eine lange Strecke kohärent ist, d. h. in etwa einen gleichen Durchmesser hat. DOLLAR A Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren und eine Vorrichtung, die das Ziel hat, die Kohärenzlänge eines Flüssigkeitsstrahles zu vergrößern. Dies geschieht erfindungsgemäß, indem der Schneidvorgang in einem vollständig oder teilweise evakuierten Behälter geschieht oder aber der Flüssigkeitsstrahl mit einem Spülgas umgeben wird, dessen Dichte und/oder Zähigkeit geringer als die der Umgebungsluft ist. Zu diesem Zweck wird der ganze Arbeitsbereich oder auch nur der Strahlbereich mit einem einseitig offenen, topfförmigen Behälter umgeben.

Description

Wird eine Flüssigkeit unter hohem Druck durch eine sehr kleine Düse (weniger als 1 mm im Durchmesser) gepresst, entsteht außerhalb der Düse ein Strahl, dessen Flüssigkeitspartikel eine hohe Geschwindigkeit aufweisen. Diese Art von Flüssig­ keitsstrahlen werden seit den 70er Jahren zum Schneiden und Reinigen einer Viel­ zahl von Materialien eingesetzt.

Bei dem Strahl unterscheidet man üblicherweise drei Hauptzonen. In der ersten Zone ist der Strahl kohärent, d. h. er hat einen in etwa konstanten Durchmesser. Dieser Bereich ist insbesondere zum Schneiden geeignet. In der zweiten Zone hat sich der Strahl aufgeweitet, sodass er nicht mehr zum Schneiden, sondern haupt­ sächlich zum Reinigen eingesetzt werden kann. In der dritten Zone hat sich der Strahl weitgehend aufgelöst: er wird zum Sprühstrahl aus feinen Tröpfchen und eignet sich so für verschiedene verfahrenstechnische Prozesse.

Bei einem Flüssigkeitsstrahl zum Schneiden von Materialien ist es wünschenswert, dass der Bereich gleichen Strahldurchmessers (die Kohärenzlänge) möglichst lang ist. In dieser Zone ist die im Strahl vorhandene Energie auf einen kleinen (in etwa konstanten) Querschnitt konzentriert. Dies ermöglicht es Materialien mit einem vari­ ablen und größeren Abstand zwischen der Düse und dem zu schneidenden Objekt zu bearbeiten, was die Handhabung des Schneidwerkzeugs erleichtert, z. B. bei komplexen 3D-Geometrien.

Das Schneiden mit Flüssigkeitsstrahlen großer Kohärenzlänge ermöglicht auch bessere Schnitte (parallele und schmale Schneidfuge, größere Schnitttiefe). Außer­ dem bleibt das Schneidgut in diesem Strahlbereich trockener.

Die Kohärenzlänge des Flüssigkeitsstrahles hängt im wesentlichen von der Düsen­ ausführung, dem Fluid, dem Flüssigkeitsdruck vor der Düse, der Turbulenz im Flüs­ sigkeitsstrahl und dem ihn umgebenden Medium, ab.

Es ist viel geforscht worden, um Flüssigkeitsstrahlen mit einer größeren Kohärenz­ länge zu schaffen. Um die Turbulenz im Strahl zu vermindern und damit die Aufwei­ tung des Strahls zu verzögern, sind unterschiedliche Düsen und Schneidköpfe kon­ struiert worden (u. a. Patente US 5184434, US 3997111, US 4852800, US 5251817). Mit demselben Ziel wurden auch Untersuchungen mit verschiedenen Flüssigkeitsmischungen (z. B. Wasser, Alkohol, Öl oder kondensierten Gase) durchgeführt oder es wurden dem Wasser Zusätze zugegeben, wie z. B. beim Su­ per-Water® (Berkeley Chemical Research Inc., USA).

Dass es eine Wechselwirkung des Flüssigkeitsstrahles mit dem ihn umgebenden Medium, üblicherweise Umgebungsluft, gibt, kann als bekannt angesehen werden. Um diese Wechselwirkung zu verringern, wurden Schneidköpfe konstruiert, die den Strahl mit einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom umgeben (Patent US 4047580). Dieser Luftstrom soll die relative Geschwindigkeit zwischen Flüssigkeitsstrahl und Umgebung und damit die Widerstandskräfte an der Strahloberfläche als bedeuten­ den Instabilitäts-Faktor verringern.

Alle diese Methoden führten - abgesehen von verbesserten Düsenausführungen - bislang zu keinen nennenswerten Verbesserungen.

Es ist also die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und die erforderlichen Vorrich­ tungen zu beschreiben, mit der, ein von einem auch beispielsweise bereits im Hin­ blick auf eine lange Kohärenzzone optimierten System, gebildeter kohärenter Flüs­ sigkeitsstrahl nach seinem Austritt aus der Düse über eine möglichst lange Wegstrecke kohärent bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Fluidstrahl durch eine Umgebungsatmosphäre geleitet wird, welche keine oder nur eine sehr geringe Wechselwirkung mit dem Strahl hat.

Keine Wechselwirkung zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und der Strahlumgebung ergibt sich bei einer Strahlausbreitung im Vakuum. Leider ist es jedoch bei techni­ schen Anwendungen nicht immer möglich, ein Vakuum zu realisieren. Es erweist sich aber als bereits sehr wirksames Verfahren zur Verlängerung der Kohärenzzone des Flüssigkeitsstrahles, wenn man den Umgebungsdruck (möglichst weit) unter den Atmosphärendruck senken kann.

Ein anderes wirkungsvolles Verfahren ist, den Flüssigkeitsstrahl mit einem Medium (Spülgas) zu umgeben, dessen Dichte und/oder Zähigkeit kleiner ist als die von Luft ist, z. B. Wasserstoff, Helium, Methan. Auch dabei gilt: je geringer die Dichte und/oder Zähigkeit ist, desto besser ist es für die Länge der Kohärenzzone. Das Spülgas hat in diesem Fall die Aufgabe, die Luft aus der unmittelbaren Strahlumge­ bung zu verdrängen, sodass der Strahl durch das Spülmedium strömt.

Realisiert werden kann das erfindungsgemäße Verfahren, in dem der Arbeitsvor­ gang Flüssigkeitsstrahleschneiden entweder in einem evakuierten oder teilevaku­ ierten Raum stattfindet oder aber der Flüssigkeitsstrahl mit einem Spülgasstrom von einem Medium geringer Dichte und/oder Zähigkeit als Luft umgeben wird.

Beispielhaft sollen als mögliche, erfindungsgemäße Ausführungsformen die Fig. 1 bis 4 dienen.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung, bei der der Wasserstrahl (2) aus der Düse (1) kom­ mend in einem geschlossenen Behälter (3a) das Werkstück (4), das sich auf einer Auflage (5) befindet, bearbeitet (z. B. schneidet). Mitteis einer Vakuumpumpe (7) wird über eine Rohrleitung (6) aus dem Behälter (3a) die Luft abgesaugt, ebenfalls zumindest der verdunstete Anteil der Strahlflüssigkeit. Die Stärke der Absaugung entscheidet über die Größe des Unterdrucks im Behälter und damit über die er­ reichbare Kohärenzlänge des Flüssigkeitsstrahls.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung entsprechend Fig. 1 nur, dass der geschlossene Be­ hälter (3a) mit einem Spülgas, dessen Dichte und/oder Zähigkeit kleiner als Luft ist, gefüllt wird. Das Spülgas (10) strömt z. B. aus einer Gasflasche mit Ventil (8) über die Rohrleitung (9) vorzugsweise symmetrisch zum Flüssigkeitsstrahl in den Behäl­ ter (3a). Dies kann auch in Kombination mit einer Absaugung gemäß Fig. 1 erfol­ gen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung, bei der der aus einer Düse (1) austretende Wasser­ strahl (2) in einen topfförmigen, unten offenen Behälter (3b) strömt und dann auf das Werkstück (4), das sich auf einer Auflage (5) befindet, trifft. Der topfförmige Behälter (3b) umschließt in diesem Beispiel neben dem Flüssigkeitsstrahl auch das komplette Werkstück. In diesen Behälter (3b) strömt ein Spülgas (10) z. B. aus ei­ ner Gasflasche mit Ventil (8) über ein Rohrleitungssystem (9), dessen Austritte vor­ zugsweise symmetrisch um die Düse (1) im Behälter (3b) angeordnet sind, in die­ sen und umspült damit den Flüssigkeitsstrahl.

Fig. 4 entspricht in seiner Ausführung weitestgehend der Fig. 3, nur ist in diesem Fall der topfförmige Behälter (3c) im wesentlichen auf den Bereich "Flüssigkeits­ strahl mit Düse" oder auch nur den "Flüssigkeitsstrahl" (nicht dargestellt) be­ schränkt. Auch hier tritt der Spülgasstrom (10) aus einem Behälter mit Ventil (8) über ein Rohrleitungssystem (9) in den Behälter (3c).

Selbstverständlich muß die Strahlrichtung, nicht wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, nicht unbedingt senkrecht von oben sein. Jede andere Strahlrichtung ist ebenfalls möglich. Das betrifft auch die Zuführung des Spülgases, die nicht unbedingt strahl­ parallel erfolgen muß.

Claims (8)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Verlängerung des kohärenten Bereichs eines Flüssigkeits­ strahles zum Bearbeiten, zum Beispiel Schneiden, eines Werkstücks, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl zwischen Düse und Werkstück durch einen luftlee­ ren Raum oder einen Raum mit Unterdruck strömt oder aber mit einem Spülmedium um­ geben wird, dessen Dichte und/oder Zähigkeit kleiner als die der Umgebungsluftt ist und das die Luft aus der Strahlumgebung verdrängt.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich der Flüssigkeitsstrahl und das Werkstück mit Werkstückaufnahme in einem geschlossenen Behälter (3a) befinden, der vollständig oder teilweise evakuiert wird.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3a) bei der Teilevakuierung mit einem Spülgas beaufschlagt ist.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich der Flüssigkeitsstrahl und das Werkstück in einem einseitig offenen, topfförmigen Behälter (3b) befinden und dass dieser Behälter bevorzugt von der im wesentlichen der Öffnung gegenüberliegenden Seite mit einem Spülgas durchströmt wird.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass im we­ sentlichen nur der Düsen- und Flüssigkeitsstrahlbereich von einem einseitig geöffneten, topfförmigen Behälter (3c) umschlossen wird, der bevorzugt von der im wesentlichen der Öffnung gegenüberliegenden Seite mit einem Spülgas durchströmt wird.

6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Spülgasstrom symmetrisch zum Flüssigkeitsstrahl durch mehrere Öffnungen in den einseitig offenen, topfförmigen Behälter zugeführt wird.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Spülgasstrom aus einem Gas besteht, das im Verhältnis zu Luft eine möglichst gerin­ ge Dichte und/oder Zähigkeit aufweist.

8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Spülgasstrom den Flüssigkeitsstrom vollständig umspült und dabei die Luft mög­ lichst vollständig verdrängt.