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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Vorrichtungen sind als so genannte Strahlvorrichtungen aus der Praxis bekannt. Dabei wird als Strahlmittel Sand, Glasperlen, Trockeneis oder anderes Granulat verwendet und mit Hilfe eines Treibmediums bis zu einer Strahldüse gefördert und anschließend durch dieses Treibmedium aus der Strahldüse getrieben. Als Treibmedium wird dabei Druckluft verwendet, weil die dazu benutzte Umgebungsluft ein vergleichsweise reaktionsträges Gas darstellt, welches viele zu strahlende Materialoberflächen nicht in nachteiliger Weise angreift oder beeinflusst, und welches praktisch unbegrenzt und preisgünstig zur Verfügung steht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass diese einen besonders wirtschaftlichen Betrieb der Strahlvorrichtung sowie ein besonders gutes Strahlergebnis am Werkstück ermöglicht. Weiterhin liegt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, eine Strahldüse anzugeben, die in einer vorschlagsgemäßen Vorrichtung verwendbar ist. Schließlich legt der Erfindung auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches ebenfalls diese genannten Vorteile ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Strahldüse gemäß Anspruch 12 sowie ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst.
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Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, als Treibmedium nicht Druckluft zu verwenden, sondern vielmehr Dampf. Die Vorrichtung kann als Druck- oder als Sauganlage ausgestaltet sein, wie später noch näher erläutert wird. Zur Erzeugung der Druckluft als Treibmedium ist ein Kompressor erforderlich. Angesichts des Wirkungsgrades von Kompressoren sowie ihrer Betriebs- und Wartungskosten ist die Erzeugung der Druckluft, obwohl die Umgebungsluft kostenlos zur Verfügung steht, letztlich mit signifikanten Kosten verbunden. Hinzu kommt, dass der Druck an der Strahldüse in der Regel auf einstellige Bereiche begrenzt ist, wobei diese wie auch andere Druckangaben im Rahmen des vorliegenden Vorschlags in bar angegeben sind. Selbst wenn vergleichsweise aufwendige und somit teure Kompressoren verwendet werden, die am Kompressorausgang Drücke im knapp zweistelligen Bereich zu erzeugen vermögen, stehen aufgrund erheblicher Leitungsverluste an der Strahldüse häufig Drücke im Bereich von höchstens 10 bar zur Verfügung, mit denen das Strahlgut aus der Strahldüse getrieben wird.
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Demgegenüber ist die vorschlagsgemäße Verwendung von Dampf als Treibmedium in dreifacher Hinsicht vorteilhaft: Erstens ist die Erzeugung von Dampf mit konstruktiv vergleichsweise einfachen und wartungsarmen und dementsprechend wirtschaftlichen Vorrichtungen möglich. Zweitens sind die Druckverluste in den Leitungen bei Dampf geringer als bei Druckluft. Drittens kann Dampf problemlos mit Drücken in beliebigen zweistelligen und sogar in dreistelligen Bereichen erzeugt werden. Es besteht daher die Möglichkeit, die ohnehin geringen Druckverluste durch einen entsprechend hohen, im Dampferzeuger erzeugten Druck zu kompensieren oder sogar zu überkompensieren und somit an der Strahldüse höhere. Drücke als bislang üblich bereitzustellen, mit denen das Strahlgut aus der Strahldüse getrieben werden kann, so dass auf wirtschaftliche Weise ein intensiveres Strahlverhalten der Vorrichtung und damit auch bessere Strahlergebnisse am Werkstück erzielt werden können.
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Der Dampf weist vorschlagsgemäß eine Temperatur von mehr als 100°C auf, liegt also als überhitzter Wasserdampf vor, so dass Kondensationserscheinungen möglichst vermieden werden. Die dem Werkstück mit dem auftreffenden Dampf vermittelte Temperatur bewirkt ohnehin ein zügiges Abtrocknen der Werkstückoberfläche, so dass letztlich negative Auswirkungen auf das Werkstück durch den Dampf nicht zu befürchten sind und somit überraschenderweise auch korrosionsanfällige Oberflächen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gestrahlt werden können, selbst wenn in vorteilhafter Ausgestaltung der Vorrichtung Wasserdampf als Treibmedium verwendet wird, wobei dies die wirtschaftlich vorteilhafte Verwendung von Wasser als Ausgangsmedium zur Erzeugung von Dampf im Dampferzeuger ermöglicht.
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Vorteilhaft kann die Mischvorrichtung, in welcher das Strahlgut mit dem Treibmedium zusammengeführt wird, als Strahldüse ausgestaltet sein. Dementsprechend ist eine solche Strahldüse über eine Schlauchleitung an den Vorratsbehälter angeschlossen, der das Strahlgut enthält, und über einen zweiten Anschluss an den Dampferzeuger angeschlossen.
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Der Transport des Strahlguts zur Strahldüse kann vorteilhaft unabhängig vom Treibmedium erfolgen. Das Treibmedium dient also nur dazu, das Strahlgut mit hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck aus der Strahldüse und auf das Werkstück zu treiben. Der Transport des Strahlguts vom Vorratsbehälter bis zur Strahldüse kann mit demgegenüber erheblich geringerer Geschwindigkeit erfolgen – und mit erheblich geringerer Geschwindigkeit als in gattungsgemäßen Strahlvorrichtungen, bei denen das Strahlgut zusammen mit der Druckluft als Treibmedium durch die Leitungen vom Vorratsbehälter bis zur Strahldüse gefördert wird.
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Entsprechend der beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung kann daher neben dem Treibmedium ein zweites Medium verwendet werden, welches als Fördermedium bezeichnet ist und zum Transport des Strahlguts vom Vorratsbehälter zur Strahldüse dient. Dieses Fördermedium kann in an sich bekannter Weise Druckluft sein, so dass vorhandene Strahlanlagen großteils unverändert weiter verwendet werden können: die Druckluft, die bislang das Treibmedium darstellte, kann nun mit deutlich geringerem Druck lediglich als Fördermedium verwendet werden. Somit kann bei bereits vorhandenen Strahlanlagen lediglich der Druck am Kompressorausgang niedriger reguliert werden, was den Betrieb des Kompressor deutlich wirtschaftlicher macht und dafür sorgt, dass das Strahlmedium mit vergleichsweise geringer Fließgeschwindigkeit und somit materialschonend vom Vorratsbehälter durch die entsprechenden Leitungen bis zur Strahldüse gefördert wird. Dabei ist der Raumanteil, den das Strahlguts in den Leitungen einnimmt, wesentlich höher als beim ursprünglichen Betrieb einer derartigen Strahlanlage, so dass dementsprechend trotz der verringerten Fließgeschwindigkeit des Strahlguts eine ausreichende Menge an Strahlgut an der Strahldüse ankommt.
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Bei den gattungsgemäßen Strahlanlagen mündet die Druckluft in den Vorratsbehälter und/oder in eine unterhalb des Vorratsbehälters vorgesehene Mischkammer, wobei diese Ausgestaltung der Strahlanlage unverändert beibehalten werden kann und durch Druckabsenkung der Druckluft diese Druckluft vorschlagsgemäß nicht mehr als Treibmedium, sondern lediglich als Fördermedium verwendet wird.
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Dementsprechend kann die Druckluft, die nun als Fördermedium genutzt wird, einen Druck von weniger als 5 bar und insbesondere vorteilhaft von lediglich etwa 2 bar aufweisen gegenüber üblicherweise 7 bis 8 bar bei gattungsgemäßen Strahlanlagen. Dieser geringe Druck ist zur Förderung des Strahlguts durchaus ausreichend und ermöglicht einen besonders wirtschaftlichen und langlebigen Betrieb des vorhandenen Kompressors, bzw. die Verwendung eines kleinen und preis- sowie verbrauchsgünstigen neuen Kompressors.
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Bei der vorschlagsgemäßen Vorrichtung kann zudem vorgesehen sein, dass ein Zusatzstoff auf das Werkstück aufgebracht wird, wobei dieser Zusatzstoff entweder dem Strahlgut oder dem Treibmedium zugesetzt werden kann, also gemeinsam mit dem Strahlgut oder dem Treibmedium in die Strahldüse gelangt, so dass noch vor dem Austritt des Materialgemisches aus der Strahldüse eine intensive Durchmischung und somit möglichst gleichmäßige Verhältnisse dieser aus Treibmedium, Strahlgut und Zusatzstoff bestehenden Materialmischung eingestellt werden können. Alternativ kann der Zusatzstoff in Strömungsrichtung hinter der Strahldüse zugeführt werden und z. B. in den aus der Strahldüse ausgetretenen Dampf-/Strahlgut-Strahl injiziert werden.
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Der erwähnte Zusatzstoff kann beispielsweise dazu dienen, Reibungsverluste in den das Strahlgut führenden Leitungen der Anlage zu reduzieren, oder die Durchmischung des Strahlguts mit dem Dampf, also dem Treibmedium, zu optimieren. Besonders vorteilhaft kann allerdings ein Zusatzstoff verwendet werden, der eine über das Strahlen hinausgehende Bearbeitung der Werkstückoberfläche ermöglicht bzw. das Strahlergebnis an der Werkstückoberfläche unterstützt. Dieser Zusatzstoff kann daher vorteilhaft eine Chemikalie enthaften, welche die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes verändert und dementsprechend auf die jeweilige Strahlaufgabe abgestimmt ist. Diese Abstimmung des zu verwendenden Zusatzwerkstoffs berücksichtigt beispielsweise das Material des Werkstücks und dessen Oberflächenbeschaffenheit, beispielsweise ob das Werkstück eine Lackierung aufweist, fettig bzw. ölig ist, oder dergleichen.
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Dabei kann vorgesehen sein, nicht nur Material entfernende Eigenschaften des Strahlvorgangs zu unterstützen: es kann beispielsweise in überraschender Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens gleichzeitig mit dem Strahlen die Erzeugung einer bestimmten Oberflächenschicht auf dem Werkstück bewirkt werden wie die Erzeugung einer Konversionsschicht, beispielsweise durch Verwendung entsprechender Chemikalien. Als Konversionsschicht wird eine nichtmetallische Schicht auf einer metallischen Werkstückoberfläche bezeichnet, wobei derartige sehr dünne Konversionsschichten üblicherweise anorganisch sind und durch Chemikalien erzeugt werden, die in einer wässrigen Lösung auf die Werkstückoberfläche aufgetragen werden und mit dem Werkstück reagieren. Die Erzeugung einer derartigen. Konversionsschicht oder einer anderen Schicht auf der Werkstückoberfläche durch eine Chemikalie, die gemeinsam mit dem Strahlgut auf die Werkstückoberfläche gelangt, ist zunächst überraschend, da üblicherweise das Strahlen von Werkstücken erfolgt, um die Werkstückoberfläche von Verunreinigungen zu befreien und Verunreinigungen, die sich auf der Werkstückoberfläche befinden, von der Werkstückoberfläche abzutragen. Überraschend hat sich jedoch herausgestellt, dass in geradezu gegenteiliger Wirkungsweise Partikel beim Strahlen auf die Werkstückoberfläche mittels des Strahlguts „aufgehämmert” werden können und somit besonders fest auf der Werkstückoberfläche verankert werden können.
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Insbesondere bei der Verwendung wässriger Lösungen ist die Aufbringung des Zusatzstoffs mit Hilfe des als Dampf, insbesondere Wasserdampf, ausgestalteten Treibmediums vorteilhaft, da der Heißdampf Verdunstungserscheinungen der wässrigen Lösung vermeidet, wie sie ansonsten nicht auszuschließen wären, wenn beispielsweise eine wässrige Lösung in Druckluft als Treibmittel injiziert würde. Auf dem Weg von der Strahldüse bis zum Werkstück könnte nämlich ein erheblicher Anteil dieser wässrigen Lösung verdunsten und die Wirksamkeit der in der wässrigen Lösung enthaltenen Chemikalien beeinträchtigen.
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Die Strahldüsen werden von den Arbeitern üblicherweise von Hand geführt und weisen dementsprechend eine Handhabe auf. Dabei kann entweder ein eigens vorgesehener Griff am Gehäuse der Strahldüse diese Handhabe bilden, oder das Gehäuse selbst bildet die Handhabe. Für die Verwendung in der vorschlagsgemäßen Vorrichtung ist die Strahldüse vorteilhaft mit einer thermisch isolierten Handhabe ausgestattet, so dass angesichts der Temperaturen des Treibmediums von mehr als 100°C und insbesondere im Bereich von 170 V Verletzungs- und Verbrennungsgefahren möglichst vermieden sind. Dabei kann insbesondere vorteilhaft sein, dass nicht nur die Handhabe selbst, sondern die gesamte äußere Oberfläche der Strahldüse thermisch isoliert ist, um bei versehentlichen Kontakten mit der Strahldüse die Verletzungs- bzw. Verbrennungsgefahren auszuschließen.
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Ein Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen Strahlanlage wird anhand der rein schematischen Darstellung nachfolgend näher beschrieben.
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Dabei ist mit 1 insgesamt eine Anlage bezeichnet, die zum Strahlen von Werkstücken dient. Die Anlage 1 weist einen Vorratsbehälter 2 auf, in dem ein Vorrat von granulatförmigem Strahlgut 3 vorhanden ist. Das Strahlgut 3 rutscht schwerkraftunterstützt nach unten und gelangt in einen unten an den Vorratsbehälter 2 anschließenden Mischbehälter 4.
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Weiterhin ist ein Kompressor 9 vorgesehen, der an eine Druckluftleitung 5 angeschlossen ist, die sich einerseits zum Vorratsbehälter 2 und andererseits zum Mischbehälter 4 verzweigt. Sie mündet oberhalb des Strahlguts 3 in den Vorratsbehälter 2, so dass die schwerkraftunterstützte Bewegungsrichtung, des Strahlguts 3 nach unten auch durch die Druckluft innerhalb des Vorratsbehälters 2 unterstützt wird. Der Mischbehälter 4 wird, da er außerhalb des Vorratsbehälters 2 angeordnet ist, als Teil der Druckluftleitung 5 bzw. einer sich an den Mischbehälter 4 anschließenden Förderleitung 6 angesehen, so dass in diesem Sinne die Druckluftleitung 5 auch in die Förderleitung 6 mündet. Im Mischbehälter 4 wird das Strahlgut mit der Druckluft vermischt und gemeinsam mit der Druckluft durch die Förderleitung 6 zu einer Strahldüse 7 gefördert. Die Förderleitung 6 kann üblicherweise eine Länge von 10 m bis 30 m oder 40 m aufweisen.
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Der bislang beschriebene Aufbau der Anlage 1 entspricht grundsätzlich einem aus der Praxis bekannten. Aufbau von Strahlgutanlagen, bei welchen im Kompressor 9 die als Treibmedium dienende Druckluft mit einem Druck von etwa 10 bar oder geringfügig mehr erzeugt wird und mit etwa 8 bis 9 bar in den Vorratsbehälter 2 und den Mischbehälter 4 gelangt. Vorschlagsgemäß jedoch wird bei dieser Anlage 1 die Druckluft nicht als Treibmedium für das Strahlgut 3 verwendet, sondern lediglich als Fördermedium. Sie strömt mit einem vergleichsweise niedrigen Druck von etwa 2 bar durch die Druckluftleitung 5 und in den Vorratsbehälter 2 sowie den Mischbehälter 4.
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In einer Abwandlung zu der dargestellten und beschriebenen so genannten Druckanlage kann die Anlage 1 als so genannte Sauganlage ausgestaltet sein, bei welcher die Förderleitung 6 auf eine Länge von weniger als 5 m beschränkt ist, beispielsweise 2 m bis 3 m. In diesem Fall würde der Kompressor 9 und die Druckluftleitung 5 samt ihren Verzweigungen entfallen.
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Bei einer Ausgestaltung der Anlage als Sauganlage kommt der Strahldüse 7 eine doppelte Funktion zu: erstens enthält sie die eigentliche Düse, nämlich die Austrittsöffnung für das Gemisch von Strahlgut 3 und Treibmedium, und zweitens enthält sie die Mischvorrichtung bzw. stellt diese dar. Als Strahldüse 7 wird nämlich das vom Anwender gehandhabte Bauteil bezeichnet, welches die Düsenöffnung aufweist, und welches ein Gehäuse aufweist, an das z. B. die Leitungen für das Strahlgut 3 und für das Treibmedium anschließen, so dass durch Injektorwirkung das Strahlgut 3 vom Treibmedium mitgerissen wird und die Vermischung des Strahlguts 3 mit dem Treibmedium in diesem Gehäuse, also in der so genannten Strahldüse 7 erfolgt.
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Wenn die Anlage 1 abgewandelt und als Sauganlage ausgestaltet wäre, könnte in dem in der Zeichnung dargestellten Mischbehälter 4 eine Vermischung von Strahlgut 3 und Umgebungsluft erfolgen, wenn nämlich diese Umgebungsluft angesaugt wird aufgrund der erwähnten Injektorwirkung an der Strahldüse 7 und. der kurzen Leitungslänge der Förderleitung 6. Alternativ dazu könnte vorgesehen sein, dass keine Umgebungsluft zum Strahlgut 3 hinzu dosiert werden würde und der Behälter nicht als Mischbehälter 4, sondern als Dosierbehälter bezeichnet würde. In diesem Fall würde er ein Dosierorgan aufweisen, welches den Zustrom des Strahlguts aus dem Vorratsbehälter 2 zur Strahldüse 7 dosiert, wie einen Schieber, eine Dosierschnecke oder dergleichen.
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Unabhängig davon, ob die Anlage als Druck- oder als Sauganlage ausgestaltet ist, wird vorschlagsgemäß das Treibmedium durch einen Dampferzeuger 8 bereitgestellt. In dem Dampferzeuger 8 können zweistellige Drücke von deutlich mehr als 10 bar erzeugt werden. Über eine Dampfleitung 10 gelangt der Dampf zu der Strahldüse 7 und wirkt dort auf das Strahlgut 3 ein, wobei das Strahlgut mit hoher Energie aus der Strahldüse 7 getrieben werden kann, beispielsweise mit Drücken, die im obersten Bereich des mit Druckluft Erzielbaren liegen, beispielsweise mit Drücken im Bereich von 10 bis 12 bar, wobei jedoch problemlos auch höhere Drücke realisiert werden können, wenn dies dem zu bearbeitenden Werkstück zuträglich ist und wenn die konstruktive Auslegung des Dampferzeugers 8, der Dampfleitung 10 und der Strahldüse 7 dies gestattet.
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Die Strahldüse 7 ist thermisch nach außen hin isoliert, so dass ihre Oberflächentemperatur in einem unkritischen Bereich liegt, was Verletzungs- bzw. Verbrennungsgefahren angeht.
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Zusammen mit dem Treibmedium in Form von Dampf, dem Fördermedium in Form von Druckluft und dem Strahlgut 3 wird bei der dargestellten Anlage 1 wahlweise auch eine Chemikalie auf die Werkstückoberfläche aufgetragen. Hierzu ist ein Chemikalientank 11 vorgesehen, wobei mittels einer Pumpe die Chemikalie über eine Zusatzleitung 12, welche in die Dampfleitung 10 mündet, noch vor der Strahldüse 7 in das Treibmedium eingemischt wird.
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Dabei können zwei oder mehr Chemikalientanks 11 vorgesehen sein, so dass die Notwendigkeit entfällt, die Tanks jeweils reinigen und neu füllen zu müssen, wenn unterschiedliche Chemikalien verwendet werden sollen. Vielmehr kann durch entsprechende Umschaltventile bzw. einzelne den Chemikalientanks 11 zugeordnete Sperrventile die jeweils gewünschte Chemikalie zudosiert werden, die für die jeweilige Bearbeitung des Werkstückes gewünscht ist.
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Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann insbesondere auch vorgesehen sein, die Zusatzleitung 12 weiter entfernt von der Strahldüse 7 in die Dampfleitung 10 – oder ggf. auch in die Förderleitung 6 oder die Druckluftleitung 5 – münden zu lassen, so dass nahe der Strahldüse 7 möglichst wenige Leitungen vorgesehen sind und somit die Beweglichkeit und die Handhabbarkeit der Strahldüse 7 für den die Strahldüse 7 handhabenden Anwender verbessert wird.
