DE102013201797A1

DE102013201797A1 - Vorrichtung mit einer Hochdruckpumpe zum Fördern eines Fluids

Info

Publication number: DE102013201797A1
Application number: DE201310201797
Authority: DE
Inventors: Dietmar Zeh; Jens-Peter Nagel; Thomas Pauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2014-08-07

Abstract

Bei einer Vorrichtung mit einer Hochdruckpumpe zum Fördern eines Fluids durch mindestens eine Düse zur Erzeugung mindestens eines Fluidstrahls, der zur erosiven Bearbeitung eines Werkstoffs geeignet ist, weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen von durch die Düse austretenden Fluidimpulsen auf und die Fluidimpulse sind jeweils dazu ausgebildet, eine vorgegebene Menge von Partikeln vom Werkstoff abzutragen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Hochdruckpumpe zum Fördern eines Fluids durch mindestens eine Düse zur Erzeugung mindestens eines Fluidstrahls, der zur erosiven Bearbeitung eines Werkstoffs geeignet ist.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Wasserstrahlschneiden von Werkstoffen, wie z. B. Stahl, Stein, Glas, Fliesen, Keramik, Lebensmitteln und Kunststoffen, bekannt. Ein von diesen Vorrichtungen zum Schneiden eingesetzter Wasserstrahl erreicht einen Druck von bis zu 6.000 bar und eine Austrittsgeschwindigkeit aus einer zugeordneten Düse von bis zu 1.000 m/s. Ein derartiger Hochdruckwasserstrahl kann mit einstufigen oder mehrstufigen, bevorzugt elektrisch angetriebenen Hochdruckpumpen erzeugt werden, die Antriebsleistungen von bis zu 150 kW aufweisen können. Um mit einem derartigen Hochdruckwasserstrahl eine vergleichsweise hohe Schnittpräzision von bis zu ±0,01 mm zu erreichen, kann eine entsprechend feine Strahlgeometrie Anwendung finden und reibungserhöhende Zusätze (s. g. ”Abrasive”) können verwendet werden. Als reibungserhöhende Stoffe kommen z. B. Korund, Quarz oder dergleichen in Betracht.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass die Erzeugung eines derartigen Hochdruckwasserstrahls einen Einsatz von leistungsstarken und demzufolge voluminösen und schweren Hochdruckpumpen erfordert. Darüber hinaus wird der Wasserstrahl bei bekannten Vorrichtungen stets außenseitig am zu bearbeitenden Werkstück vorbeigeführt, d. h. wiederholt entlang einer Außen- bzw. der Schnittkante des Werkstoffes geführt, so dass die Schaffung von dreidimensionalen Strukturen innerhalb der Werkstoffoberfläche nicht möglich ist.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neue Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden von Werkstoffen anzugeben, die eine vergleichsweise kleine Antriebsleistung erfordert, die mobil und/oder stationär verwendbar ist und die darüber hinaus die Schaffung von komplexen dreidimensionalen Strukturen innerhalb der Werkstoffe gestattet.
Dieses Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung mit einer Hochdruckpumpe zum Fördern eines Fluids durch mindestens eine Düse zur Erzeugung mindestens eines Fluidstrahls, der zur erosiven Bearbeitung eines Werkstoffs geeignet ist. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung zum Erzeugen von durch die Düse austretenden Fluidimpulsen auf und die Fluidimpulse sind jeweils dazu ausgebildet, eine vorgegebene Menge von Partikeln vom Werkstoff abzutragen.
Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung einer Vorrichtung, bei der durch einen diskontinuierlichen, d. h. insbesondere periodisch unterbrochenen Fluidstrahl, eine hohe Abtragwirkung bei einem vergleichsweise niedrigen Förderdruck einer zugeordneten Hochdruckpumpe und einer zugleich hohen Maßhaltigkeit erreichbar ist. Durch entsprechende, aus einem Werkstoff heraus gesprengte Partikel kommt es in Verbindung mit den gezielt frequentierten Pulsstößen bzw. Fluidimpulsen des Fluidstrahls zu einem sich selbstverstärkenden Effekt. Die Vorrichtung erlaubt mit einem reduzierten Fluiddruck von vorzugsweise weniger als 3.000 bar eine Herstellung von Formteilen mit einer dreidimensionalen Geometrie und mit einer hohen Genauigkeit aus unterschiedlichen Werkstoffen. Aufgrund der gepulsten Fluidstrahlen kann bei gleicher Abtragleistung oftmals auf einen Zusatz von reibungserhöhenden Mitteln verzichtet werden, wodurch sich ein geringerer Verschleiß der zugeordneten Düse und eine höhere Standzeit derselben ergibt, was insgesamt zu einem verringerten Kosteneinsatz führt. Die gepulsten Fluidstrahlen führen darüber hinaus zu einem verringerten Fluidverbrauch, was zu einer deutlich reduzierten Staubfreisetzung bzw. Kontamination des Werkstoffes im Vergleich zu wassergekühlten Trenn- oder Sägevorrichtungen führt. Als Fluid kann z. B. gereinigtes Wasser zum Einsatz kommen.
Bevorzugt weist die Einrichtung zum Erzeugen der durch die Düse austretenden Fluidimpulse mindestens ein Ventil auf, insbesondere ein nach Art eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine ausgebildetes Ventil.
Hierdurch kann vorteilhafterweise auf die bekannte Technologie gebräuchlicher Einspritzventile von Diesel- oder Benzinmotoren zur Realisierung des Ventils der Vorrichtung zurückgegriffen werden.
Bevorzugt weist das mindestens eine Ventil mindestens einen Magnet- und/oder Piezoaktor auf.
Somit können bewährte, robuste und zuverlässige Aktoren bei der Realisierung des Ventils Anwendung finden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Fluidimpulse dazu ausgebildet, ein Schneiden und/oder Einbringen einer dreidimensionalen Geometrie in den Werkstoff zu ermöglichen.
Hierdurch lassen sich Werkstücke mit einer komplexen, dreidimensionalen Gestaltung vergleichsweise schnell und kostengünstig fertigen.
Bevorzugt ist die mindestens eine Düse um einen zugeordneten Schwenkpunkt verschwenkbar.
Hierdurch lassen sich z. B. hinterschnittene, trapezförmige Nuten fertigen.
Bevorzugt ist die mindestens eine Düse in einem vorgegebenen Winkel zu einer Werkstoffoberfläche des Werkstoffs ausrichtbar.
Hierdurch lassen sich komplexe dreidimensionale Strukturen, wie z. B. Sacklöcher oder hinterschnittene Nuten, in einen Werkstoff einbringen, wobei eine Tiefe der Strukturen insbesondere durch eine Veränderung der Anzahl der Fluidimpulse und/oder deren zeitliche Länge beeinflussbar ist. Grundsätzlich kann die Vorrichtung als portables Handgerät und/oder als eine stationäre Vorrichtung ausgebildet sein, wobei im Fall einer stationären Vorrichtung die mindestens eine Düse z. B. mittels eines geeignet ausgebildeten Portals parallel zur Werkstoffoberfläche verfahrbar ist. Alternativ kann der Werkstoff auch in Relation zu einer feststehenden Düse verfahren werden. Das Verfahren bzw. das Positionieren der Düse in Bezug zum Werkstoff kann manuell und/oder automatisiert erfolgen. Im automatischen Betrieb wird die Düse durch geeignete Aktoren – die vorzugsweise von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung angesteuert werden und deren Bewegung mit Hilfe von Sensoren gleichfalls von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung überwacht wird – mit hoher Präzision auf vorprogrammierten Bewegungsbahnen entlang eines zu bearbeitenden Werkstoffs geführt.
Vorzugsweise ist ein Abstand zwischen der mindestens einen Düse und der Werkstoffoberfläche variierbar.
Hierdurch kann die Geometrie einer herzustellenden Struktur über einen weiteren Parameter beeinflusst werden. Bevorzugt ist der Abstand manuell auf einen dann konstanten Wert einstellbar. Alternativ kann eine vertikale Verstellbarkeit unter Kontrolle der Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen sein.
Bevorzugt ist das Fluid mittels einer Förderpumpe aus einem Vorratsbehälter und/oder einem Zufluss in einen Zwischenspeicher förderbar und die Hochdruckpumpe fördert das Fluid aus dem Zwischenspeicher bis zur Einrichtung zum Erzeugen der durch die Düse austretenden Fluidimpulse.
Hierdurch ergibt sich eine Verstetigung des Förderstroms und damit des Förderdrucks auf der Hochdruckseite. Alternativ kann die Hochdruckpumpe auch direkt aus dem Vorratsbehälter und/oder dem Zufluss gespeist werden. Gegebenenfalls kann ein Rücklauf von der Hochdruckpumpe und/oder der Einrichtung zum Erzeugen der durch die Düse austretenden Fluidimpulse bis in den Vorratsbehälter zurückgeführt sein, um z. B. den Fluidverbrauch zu vermindern.
Gemäß einer Ausführungsform ist dem Fluid ein Additiv, insbesondere ein Abrasivmittel, zur Erhöhung einer zugeordneten Abtragsleistung zusetzbar.
Hierdurch kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit gesteigert werden. Zur Verschleißminderung wird das Abrasivmittel bevorzugt zwischen der Einrichtung zum Erzeugen der durch die Düse austretenden Fluidimpulse und der Düse zugeführt.
Bevorzugt weist die mindestens eine Düse mindestens eine Austrittsöffnung für die Fluidimpulse auf.
Durch die geometrische Gestaltung der Austrittsöffnungen und/oder deren Anordnung im Bereich der Düse kann die Gestalt der zu schaffenden Struktur beeinflusst werden. Darüber hinaus kann die Düse z. B. mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einer Austrittsöffnung aufweisen, wobei die mindestens zwei Gruppen unabhängig voneinander ansteuerbar sind und die Austrittsöffnungen jeweils gruppenweise über eine unterschiedliche Geometrie verfügen (s. g. ”Koaxial Vario Düse”). Durch eine weitere Reduzierung des Querschnitts der Austrittsöffnung ist eine Minimierung des Strahldurchmessers möglich. Dies ermöglicht einen geringeren Wasserdurchsatz, präziseres Arbeiten und ggfls. den Verzicht auf ein Auffangbecken zur Energiereduktion des Fluidstrahls. Eine Steigerung der Genauigkeit der Strahlgeometrie kann z. B. durch s. g. ”hydroerosives Runden” der Austrittsöffnungen bewirkt werden.
Vorzugsweise liegt ein Winkel zwischen einer Düsenlängsachse und einer Fluidimpulsachse zumindest annähernd zwischen 0° und 150°.
Hierdurch sind auch hinterschnittene Strukturen im Werkstoff mittels der Vorrichtung leicht und schnell herstellbar.
Bevorzugt ist die mindestens eine Düse lösbar in einem zugeordneten Düsenhalter fixiert.
Hierdurch ist das Auswechseln von Düsen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Austrittsöffnungen und/oder von Austrittsöffnungen mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien und/oder von Düsen mit verschieden angeordneten Austrittsöffnungen möglich.
Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Erzeugen der durch die Düse austretenden Fluidimpulse mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung ansteuerbar.
Hierdurch kann z. B. die Frequenz und/oder das Tastverhältnis der Fluidimpulse und damit im Ergebnis der resultierende (Gesamt-)Volumenstrom Q(t) des Fluidstrahls in weiten Grenzen beeinflusst werden, um unter anderem die Schneid- bzw. Abtragscharakteristik der Vorrichtung zur Schaffung komplexer geometrischer Strukturen im Werkstoff zu steuern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer in einem Düsenhalter angeordneten Düse zur Erzeugung eines Fluidstrahls,
2 einen beispielhaften Verlauf eines Volumenstroms Q(t), der sich durch eine Abfolge von unterschiedlich langen Fluidimpulsen über die Zeit t ergibt,
3 eine vereinfachte Ansicht einer handgeführten Vorrichtung, und
4 ein beispielhaftes hydraulisches Schaltbild der Vorrichtung von 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine in einem Düsenhalter 12 angeordnete Düse 10 zur Erzeugung eines Fluidstrahls, der zur erosiven Bearbeitung eines Werkstoffs 14 geeignet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest die Düse 10 dazu ausgebildet, in einer bevorzugt handgeführten Vorrichtung (90 in 3) zum Schneiden und/oder Ausbilden einer komplexen, räumlichen Geometrie in dem Werkstoff 14 Anwendung zu finden.
Illustrativ ist die Düse 10 lösbar in dem Düsenhalter 12 aufgenommen. Zu diesem Zweck ist an einem vom Werkstoff 14 abgewandten Ende 16 der Düse 10 eine mechanische Verriegelung 18 zur mechanisch und hydraulisch festen Ankopplung zwischen der Düse 10 und dem Düsenhalter 12 vorgesehen, die im Bedarfsfall lösbar ist, um z. B. einen schnellen Düsenwechsel zu ermöglichen.
Die Düse 10 verfügt an ihrem anderen, dem Werkstoff 14 zugewandten – in 1 unteren – Ende 20 über mindestens eine und hier exemplarisch über zwei Austrittsöffnungen 22, 24, durch die jeweils erfindungsgemäß Fluidimpulse 26, 28 austreten. Alternativ kann auch nur eine vertikale Austrittsöffnung 22 für die Fluidimpulse 26 vorgesehen sein.
Um sehr feine Schnitte bzw. eine Mikrobearbeitung des Werkstoffs 14 zu ermöglichen, kann eine Öffnungsweite der Austrittsöffnung 22, 24 auf bis zu 60 μm herab gesetzt werden. Bevorzugt liegt die Öffnungsweite in einem Bereich zwischen 60 μm und 200 μm. Mittels einer Austrittsöffnung mit variabler Querschnittsgeometrie kann gegebenenfalls darüber hinaus eine anwendungsspezifische Strahlformung, d. h. insbesondere eine Veränderung der Querschnittsgeometrie der Fluidimpulse 26, 28 in einer Strahlzone unmittelbar vor dem Auftreffen auf den Werkstoff 14 erfolgen.
Das untere Ende 20 ist zur Schaffung einer komplexen, dreidimensionalen Geometrie 30 innerhalb einer Werkstoffoberfläche 32 des Werkstoffs 14 in einem Abstand 34 zu dieser positioniert. Um eine zu starke Auffächerung zu vermeiden, sollte der Abstand kleiner als 1 cm. Eine Fluidimpulsachse 36 der Austrittsöffnung 22 verläuft zum Generieren der vertikalen Fluidimpulse 26 unter einem Winkel α von ungefähr 0° zu einer Düsenlängsachse 38, wohingegen eine Fluidimpulsachse 40 der Austrittsöffnung 24 zum Erzeugen der horizontalen Fluidimpulse 28 unter einem Winkel β von etwa 90° zur Düsenlängsachse 38 verläuft. Die Fluidimpulse 26, 28 verkörpern im Ergebnis jeweils einen Teil eines gepulsten Fluidstrahls 42, 44. Alternativ können die Austrittsöffnungen 22, 24 der Düse 10 hiervon abweichende Werte für die Winkel α, β aufweisen und die Düse 10 kann über mehr als zwei Austrittsöffnungen 22, 24 verfügen.
Mittels der vertikalen Fluidimpulse 26 bzw. des vertikalen Fluidstrahls 42 wird exemplarisch eine senkrechte Nut 46 mit einer quadratischen Querschnittsgeometrie als ein Teil der komplexen dreidimensionalen Geometrie 30 innerhalb des Werkstoffs 14 hergestellt, wohingegen mit Hilfe der horizontalen Fluidimpulse 28 bzw. des horizontalen Fluidstrahls 44 eine waagerechte Nut 48 mit einer rechteckförmigen Querschnittsgeometrie als weiterer Teil der dreidimensionalen Geometrie 30 in den Werkstoff 14 eingebracht wird. Darüber hinaus kann die horizontale Nut 48 – wie mit einer gestrichelten Linie angedeutet – eine z. B. trapezförmige Hinterschneidung 50 aufweisen. Beim Herstellen der Geometrie 30 braucht dabei nicht von einer Außenkante 52 des Werkstoffs ausgegangen werden. Vielmehr erlauben die erfindungsgemäß pulsierenden Fluidstrahlen 42, 44, dass an einem beliebigen Punkt der Werkstoffoberfläche 32 mit der Herstellung der Geometrie 30 begonnen werden kann.
Die Austrittsöffnungen 22, 24 werden über zwei angedeutete Kanäle 54, 56 jeweils individuell mit dem unter Hochdruck stehenden Fluid versorgt, so dass Fluidimpulse 26, 28 bzw. Fluidstrahlen 42, 44 mit jeweils unterschiedlicher Pulsdauer, Amplitude und/oder Frequenz erzeugbar sind. In einer derartigen Konstellation kann die Düse 10 z. B. als eine ”Koaxial Vario Düse” ausgeführt sein. Alternativ kann auch lediglich die eine Austrittsöffnung 22 für die vertikalen Fluidimpulse 26 des Fluidstrahls 42 vorgesehen sein, wodurch sich der konstruktive Aufwand beträchtlich verringert.
Um die Flexibilität der räumlichen Positionierbarkeit der Düse 10 zur Schaffung noch aufwändigerer dreidimensionaler, räumlicher Strukturen weiter zu optimieren, kann diese um einen Schwenkpunkt 58 – wie mit einem Doppelpfeil 60 angedeutet – schwenkbar um einen Winkel γ in Bezug zur Werkstoffoberfläche 32 bzw. deren Orthogonalen ausgebildet sein, wobei der Winkel γ der Düse 10 in der in 1 gezeigten Stellung bei etwa 0° liegt. Hierdurch kann gegebenenfalls die horizontale Austrittsöffnung 22 innerhalb der Düse 10 entfallen, wodurch sich der konstruktive Aufbau vereinfacht.
Als Fluid kommt zur Erhöhung der Standzeit der Düse 10 bevorzugt gereinigtes Wasser zum Einsatz, das zur Erhöhung der Abtragwirkung lediglich in Ausnahmefällen mit einem reibungserhöhenden Additiv (”Abrasiv”) versetzt sein kann.
2 zeigt einen beispielhaften Verlauf eines Volumenstroms Q(t), der sich durch eine Abfolge von unterschiedlich langen Fluidimpulsen über die Zeit t ergibt und der hier exemplarisch zur Schaffung einer hinterschnittenen Sackbohrung als eine weitere komplexe räumliche Geometrie dient. Zu diesem Zweck werden mittels der entsprechend angesteuerten Düse 10 von 1 mehrere kurze Fluidimpulse 70 und ein langer Fluidimpuls 72 von der Düse 10 auf die Werkstoffoberfläche 32 des Werkstoffs 14 geschossen. Im Gegensatz zur Darstellung von 1 kommen hier lediglich vertikale Fluidimpulse zum Einsatz.
Die kurzen Fluidimpulse 70 führen zu kleinen Volumenstromimpulsen 74, wohingegen aus dem langen (stärkeren) Fluidimpuls 72 ein großer Volumenstromimpuls 76 im Volumenstrom Q(t) des Fluids resultiert. Der besseren zeichnerischen Übersicht halber trägt lediglich ein erster, kurzer Volumenstromimpuls 74 stellvertretend für die übrigen, kurzen Volumenstromimpulse eine Bezugsziffer. Die kleinen Volumenstromimpulse 74 weisen eine deutlich kleinere maximale Amplitude A₁ auf als eine maximale Amplitude A₂ des großen Volumenstromimpulses 76 auf. Entsprechend ist eine jeweilige Pulslänge T₁ der kleinen Volumenstromimpulse 74 jeweils deutlich kürzer als eine entsprechende Pulslänge T₂ des großen Volumenstromimpulses 76.
Aus der geringeren kinetischen Energie der kurzen Fluidimpulse 70 resultiert im Vergleich zum langen Fluidimpuls 72 eine reduzierte Abtragleistung. Daher können mit den kurzen Fluidimpulsen 70 kleinvolumige, hohlzylindrische Kavitäten 78 und mit Hilfe des einen langen Fluidimpulses 72 eine großvolumige Kavität 80 ausgebildet werden. Der besseren zeichnerischen Übersicht ist nur eine kleinvolumige Kavität stellvertretend für alle übrigen mit der Bezugsziffer 78 versehen. Die Kavitäten 78, 80 bilden zusammen die im Werkstoff 14 herzustellende dreidimensionale Geometrie 82, die hier exemplarisch eine Sackbohrung 84 mit einer Hinterschneidung 86 ist.
Zum Einbringen der Sackbohrung 84 werden zunächst mit Hilfe von zwei aufeinander folgenden, kurzen Fluidimpulsen 70 zwei übereinander angeordnete kleinvolumige Kavitäten 78 von der Werkstoffoberfläche 32 aus in den Werkstoff 14 hinein getrieben. Durch den langen Fluidimpuls 72 wird die großvolumige Kavität 80 ausgebildet, die zur Schaffung der Hinterschneidung 86 im Vergleich zur kleinvolumigeren Kavität 78 einen vergrößerten Durchmesser aufweist. Abschließend werden unterhalb der großvolumigen Kavität 80 noch zwei weitere kleinvolumige Kavitäten 78 durch die Applikation von zwei kurzen Fluidimpulsen 72 angelegt. Sämtliche Kavitäten 78, 80 sind jeweils mittig zu einer Längsmittelachse 88 der Sackbohrung 82 ausgerichtet und jeweils übereinander angeordnet.
3 zeigt eine handgeführte Vorrichtung 90 zum Schneiden und/oder Ausbilden einer komplexen räumlichen Geometrie in einem Werkstoff (z. B. 14 von 1), die bevorzugt vor allem zum örtlich flexiblen, mobilen Einsatz auf Baustellen oder dergleichen vorgesehen ist. Diese umfasst beispielhaft mindestens eine erste und eine zweite Einheit 92, 94, die mittels einer flexiblen Leitung 96 miteinander gekoppelt sind.
Die erste Einheit 92 umfasst illustrativ ein kastenförmiges Gehäuse 98, in dem z. B. die Düse 10 von 1 integriert ist. An dem Gehäuse 98, das neben der Integration weiterer Funktionskomponenten der Vorrichtung 90 als Strahl- und Geräuschschutz dient, sind ferner zwei bügelförmige Handgriffe 100, 102 angebracht, die zum manuellen Führen der Einheit 92 auf der Werkstoffoberfläche 32 des zu bearbeitenden Werkstoffs 14 vorgesehen sind.
Durch entsprechendes Führen der ersten Einheit 92 entlang eines vorgegebenen Verfahrweges in Richtung der beiden Pfeile 104, 106 lässt sich beispielsweise die schematisch dargestellte dreidimensionale Geometrie 108 in die Werkstoffoberfläche 32 einbringen. Bei der Geometrie 108 kann es sich z. B. um eine Nut, einen Schnitt oder um einen Anriss der Werkstoffoberfläche 32 mit geringer Tiefe handeln. Schnitte können mittels der Vorrichtung 90 problemlos außerhalb der Kanten des Werkstoffes 14 eingebracht werden, so dass sich z. B. eine Ausnehmung mit einer beliebigen geometrischen Gestalt zur Durchführung einer Leitung oder dergleichen auf einfache Art und Weise aus einer Fliese oder einer Steinplatte herausschneiden lässt.
Die zweite Einheit 94, die mit der ersten Einheit 92 mittels der flexiblen Leitung 96 verbunden ist, verfügt gleichfalls über ein kastenförmiges Gehäuse 110. In dem Gehäuse 110 der zweiten Einheit 94 sind neben weiteren Komponenten vor allem eine Hochdruckpumpe 112, ein Vorratsbehälter 114 für das Fluid sowie ein optionaler Zwischenspeicher 116 für das Fluid zusammengefasst.
Die flexible Leitung 96 umfasst vor allem eine Hochdruckleitung zur Versorgung der Düse 10 mit dem unter Hochdruck von bis zu 3.000 bar stehenden Fluid, kann darüber hinaus jedoch eine Vielzahl von weiteren elektrischen, hydraulischen und/oder pneumatischen Leitungen umfassen. Die flexible Leitung 96 ist zur Vereinfachung der Handhabung bevorzugt zumindest an einer der beiden Einheiten 92, 94 lösbar, z. B. mittels einer Steckverbindung, mechanisch, hydraulisch, elektrisch und gegebenenfalls auch pneumatisch angebunden.
Die hier lediglich exemplarisch dargestellte räumliche Trennung zwischen den beiden Einheiten 92, 94 ermöglicht ein vergleichsweise geringes Gewicht der ersten Einheit 92, wodurch sich die Handhabung für einen Benutzer vereinfacht. Alternativ können beide Einheiten 92, 94 auch zu einer großen Einheit zusammengefasst sein, so dass die externe flexible Leitung 96 entfallen kann. Die Vorrichtung 90 kann wahlweise netzbetrieben und/oder netzunabhängig bzw. akkubetrieben ausgebildet sein. Zu diesem Zweck ist bevorzugt in das Gehäuse 110 der zweiten Einheit 94 eine vorzugsweise elektrische Energieversorgung integriert.
Alternativ kann die erste Einheit 92 z. B. auch mit Hilfe von mehreren, unterseitig am Gehäuse 98 angeordneten Antriebsrädern auf der Werkstoffoberfläche 32 in Richtung der Pfeile 104, 106 entlang von vorgegebenen (vorprogrammierten) Pfaden vollautomatisiert verfahrbar ausgebildet sein. Hierbei übernimmt eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (vgl. 4) die Kontrolle sämtlicher Abläufe innerhalb der Vorrichtung 90 und insbesondere die Überwachung der von der ersten Einheit 92 auf der Werkstoffoberfläche 32 zurückgelegten Verfahrwege.
Darüber hinaus ist es möglich, eine stationäre Vorrichtung auszubilden, bei der die Düse 10 an einem Portal angeordnet ist, so dass die Düse 10 in allen drei Richtungen des Raumes kontrolliert von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit hoher Präzision in Relation zum Werkstoff verfahrbar ist, um hochkomplexe dreidimensionale Strukturen bzw. Geometrien in Werkstücken mit großen Abmessungen vollautomatisiert und mit höchstmöglicher Genauigkeit herstellen zu können.
4 zeigt ein beispielhaftes hydraulisches Schaltbild, das eine bevorzugte Realisierung der Vorrichtung 90 von 3 illustriert. Dementsprechend ist der Vorratsbehälter 114 zur Bevorratung eines Fluids 120, wie z. B. Wasser, vorgesehen. Alternativ oder ergänzend kann das Fluid 120 der Vorrichtung 90 über einen Zufluss 122 zugeführt werden. Mithilfe einer optionalen (Vor-)Förderpumpe 124 wird das Fluid 120 aus dem Vorratsbehälter 114 bzw. über den Zufluss 122 angesaugt und in einen gleichfalls optionalen Zwischenspeicher 116 gefördert. Aus dem Zwischenspeicher 116 wird das Fluid 120 mittels der Hochdruckpumpe 112 angesaugt und über die flexible Leitung 96 der Düse 10 zugeführt. Alternativ können die Förderpumpe 124 sowie der Zwischenspeicher 116 entfallen. In dieser Konstellation saugt die Hochdruckpumpe 112 das Fluid 120 unmittelbar aus dem Vorratsbehälter 114 und/oder aus dem externen Zufluss 122 an.
Die Düse 10 umfasst unter anderem die Austrittsöffnung 22, aus der die Fluidimpulse 26 des vertikalen Fluidstrahls 42 austreten. Darüber hinaus beinhaltet die Düse 10 vorzugsweise eine Einrichtung 126, die bevorzugt mit einem elektromagnetisch und/oder piezoelektrisch betätigbaren Ventil 128 realisiert ist, das bevorzugt nach Art eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, um die Fluidimpulse 26 aus dem unter einem nahezu konstanten Druck p von bis zu 3.000 bar am Ventil 128 anstehenden Fluid zu erzeugen. Durch geeignete Ansteuerung des Ventils 128 mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 130 lässt sich beispielsweise die in 2 gezeigte zeitliche Abfolge von Fluidimpulsen generieren. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 130 ist bevorzugt mit einer digitalen Rechnereinheit, wie zum Beispiel einem Mikrocontroller, ausgeführt. Zur unabhängigen Ansteuerung des horizontalen Fluidimpulses 28 der Düse 10 von 1 ist innerhalb der Einrichtung 126 ein hier nicht dargestelltes, weiteres und von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 130 kontrolliertes Ventil nebst zugehöriger Austrittsöffnung vorzusehen.
Grundsätzlich lässt sich das zuströmende Fluid mit Hilfe der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 130 in weiten Grenzen modulieren, d. h. es lassen sich Fluidimpulse 26 mit einer in weiten Grenzen variablen Frequenz, Amplitude und/oder Pulsweite erzeugen, so dass sich auch komplexe räumliche Geometrien im Werkstoff (14 von 1) leicht erzeugen lassen. Im Ergebnis kann dem Graphen des Volumenstroms Q(t) von 2 ein – vom lediglich illustrativ gezeigten, sinusförmigen Verlauf abweichender – nahezu beliebiger Kurvenverlauf gegeben werden (vgl. 2).
Sollte eine entsprechende Abtragleistung der Vorrichtung 90 ungeachtet des pulsierenden Fluidstrahls 42 nicht ausreichend sein, kann erforderlichenfalls ein Additiv, bevorzugt ein Abrasivmittel 132, d. h. ein reibungserhöhender Stoff (”Abrasiv”) mittels einer Zuführeinrichtung 134 bevorzugt stromaufwärts, direkt vor der Austrittsöffnung 22 in den Fluidstrom zudosiert werden.

Claims

Vorrichtung (90) mit einer Hochdruckpumpe (112) zum Fördern eines Fluids (120) durch mindestens eine Düse (10) zur Erzeugung mindestens eines Fluidstrahls (42, 44), der zur erosiven Bearbeitung eines Werkstoffs (14) geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (90) eine Einrichtung (126) zum Erzeugen von durch die Düse (10) austretenden Fluidimpulsen (26, 28) aufweist und die Fluidimpulse (26, 28) jeweils dazu ausgebildet sind, eine vorgegebene Menge von Partikeln vom Werkstoff (14) abzutragen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (126) zum Erzeugen der durch die Düse (10) austretenden Fluidimpulse (26, 28) mindestens ein Ventil (128) aufweist, insbesondere ein nach Art eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine ausgebildetes Ventil.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil (128) mindestens einen Magnet- und/oder Piezoaktor aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidimpulse (26, 28) dazu ausgebildet sind, ein Schneiden und/oder Einbringen einer dreidimensionalen Geometrie (30, 82, 108) in den Werkstoff (14) zu ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (10) um einen zugeordneten Schwenkpunkt (58) verschwenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (10) in einem vorgegebenen Winkel (γ) zu einer Werkstoffoberfläche (32) des Werkstoffs (14) ausrichtbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (34) zwischen der mindestens einen Düse (10) und der Werkstoffoberfläche (32) variierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (120) mittels einer Förderpumpe (124) aus einem Vorratsbehälter (114) und/oder einem Zufluss (122) in einen Zwischenspeicher (116) förderbar ist und die Hochdruckpumpe (112) das Fluid (120) aus dem Zwischenspeicher (116) bis zur Einrichtung (126) zum Erzeugen der durch die Düse (10) austretenden Fluidimpulse (26, 28) fördert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fluid (120) ein Additiv, insbesondere ein Abrasivmittel (132), zur Erhöhung einer zugeordneten Abtragsleistung zusetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (10) mindestens eine Austrittsöffnung (22, 24) für die Fluidimpulse (26, 28) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (α, β) zwischen einer Düsenlängsachse (38) und einer Fluidimpulsachse (36, 40) zumindest annähernd zwischen 0° und 150° liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Düse (10) lösbar in einem zugeordneten Düsenhalter (12) fixiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (126) zum Erzeugen der durch die Düse (10) austretenden Fluidimpulse (26, 28) mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (130) ansteuerbar ist.