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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Flüssigkeitsstrahl-Entschichten von Oberflächen, vorzugsweise zum Entfernen von fest anhaftenden Schichten.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, wie mit Flüssigkeitsstrahlen, die mit hohem Druck aus einer Düse austreten, Oberflächen entschichtet werden können. Dabei können sowohl Verunreinigungen von einer Oberfläche entfernt werden, als auch Farb- oder Lackschichten, Metallschichten oder Keramikschichten, die sehr fest an der Oberfläche haften. Aus der
DE 195 29 749 A1 ist ein Verfahren zum Entschichten einer Oberfläche mit Hilfe eines Wasserstrahls bekannt, bei dem der Wasserstrahl mit einem Druck von 600 bis zu 6000 bar aus einer Düse austritt und auf die zu entschichtende Oberfläche trifft. Dabei wird die Abtragung mit einem kontinuierlichen Wasserstrahl erreicht, dem gegebenenfalls Abrasivmittel beigemischt werden.
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Da die Verdichtung des Wassers viel Energie benötigt und der Flüssigkeitsstrahl bzw. der Wasserstrahl im Dauerstrich betrieben wird, ist diese Werkstoffbearbeitung nur mit einer hohen Leistung möglich, die bei den üblichen bekannten Anlagen einige zehn Kilowatt betragen kann. Entsprechend hoch sind die Betriebskosten einer solchen Anlage. Auch die Zumischung von Abrasivstoffen, die vom Wasser mitgerissen werden und mit hoher Energie auf die Werkstückoberfläche auftreffen und so die Wirkung des Wasserstrahls verbessern, erhöhen die Kosten weiter, da sich das verbrauchte Wasser nur dann in den Kreislauf zurückführen lässt, nachdem die Abrasivstoffe in einem aufwendigen Verfahren herausgefiltert worden sind. Auch die Entsorgung von mit Abrassivstoffen versetztem Wasser kann hohe Kosten verursachen. Zudem steigen die Anforderungen an alle Bauteile des Systems, die mit dem mit Abrassivstoffen versetzten Wasser in Kontakt kommen.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Entschichtung einer Oberfläche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Energieverbrauch deutlich reduziert ist und eine bessere Qualität bei der Entschichtung erreicht wird. Dazu wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Entschichten eine Verdichtereinheit eingesetzt, die eine Flüssigkeit zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls verdichtet, und eine Düse, die mit der Verdichtereinheit verbunden ist. Die Düse weist eine Austrittsöffnung auf, durch die die verdichtete Flüssigkeit in Form eines Flüssigkeitsstrahls austritt, und eine Unterbrechereinheit, die eine Strömung der verdichteten Flüssigkeit zu der Austrittsöffnung unterbrechen oder freigeben kann. Dabei werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Die Flüssigkeit wird durch die Verdichtereinheit verdichtet, die Austrittsöffnung wird an das zu entschichtende Werkstück bis auf eine Bearbeitungsdistanz herangeführt, der Flüssigkeitsstrahl wird durch die Unterbrechereinheit abwechselnd freigegeben und unterbrochen, wobei gleichzeitig die Düse gegenüber dem Werkstück in einer Bearbeitungsrichtung bewegt wird.
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Durch den gepulsten Flüssigkeitsstrahl kann die Entschichtung präziser durchgeführt werden, so dass sich insbesondere Beschichtungen aus sehr harten und fest anhaftenden Materialien, wie Metallschichten, Keramikschichten oder DLC-Schichten (diamond like carbon) gut von einem beispielsweise metallischem Werkstück abtragen lassen. Der gepulst austretende Flüssigkeitsstrahl zertrümmert die Beschichtung, während das darunter liegende Werkstück bei einer geeigneten Bearbeitungsdistanz und Pulsdauer nicht beschädigt wird. Dabei kommt vor allem der Effekt zum Tragen, dass im Gegensatz zur Entschichtung mit einem Dauerstrahl die Flüssigkeit zwischen zwei Pulsen genügend Zeit hat, seitlich wegzufließen, so dass der neue Puls effektiv an der Schicht ansetzen und diese von der Oberfläche ablösen kann. Da der Flüssigkeitsstrahl nicht in noch auf der Oberfläche des Werkstücks verbleibende Flüssigkeit eindringen muss, entsteht auch keine Kavitation, die zu ungewollten Beschädigungen an der eigentlichen Werkstückoberfläche führen kann.
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Der Bearbeitungswinkel zwischen der Werkstückoberfläche und dem Flüssigkeitsstrahl kann 90° betragen, jedoch beträgt der Bearbeitungswinkel in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weniger als 90°, vorzugsweise zwischen 60° und 80°. Dieser Winkelbereich hat sich insbesondere bei sehr harten Werkstoffen als vorteilhaft erwiesen. Dabei ist es von Vorteil, einen umso kleineren Bearbeitungswinkel zu verwenden, je härter das Material der Beschichtung ist und je besser die Beschichtung auf der Bauteiloberfläche haftet. Der Bearbeitungswinkel und die Bearbeitungsdistanz, also der Abstand der Austrittsöffnung von der Bauteiloberfläche, muss dabei auf die Härte des Bauteils, die Härte der Beschichtung und die Anhaftung der Beschichtung auf der Bauteiloberfläche optimiert werden, um die Beschichtung einerseits sicher vom Werkstück zu lösen und andererseits die Werkstückoberfläche nicht zu beschädigen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Pulsdauer 100 bis 1000 µs, wobei der Flüssigkeitsstrahl durch die Unterbrechereinheit periodisch zur Erzeugung von Flüssigkeitspulsen in vorteilhafter Weise geöffnet und geschlossen wird. Werden die Flüssigkeitspulse periodisch erzeugt, kann das Werkstück mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit in einer Bearbeitungsrichtung bewegt werden und so die Beschichtung flächig, linienhaft oder punktuell abgetragen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden zwischen 25 und 500 Flüssigkeitspulse pro Sekunde erzeugt, die Flüssigkeitspulse also mit einer Frequenz von 25 bis 500 Hz auf das Werkstück gespritzt. Die Frequenz der Flüssigkeitspulse richtet sich nach der Bearbeitungsgeschwindigkeit, also der Geschwindigkeit, mit der sich die Düse relativ zum Werkstück bewegt und nach der Dicke und den Materialeigenschaften der Beschichtung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abstand der Düsenöffnung zur Werkstückoberfläche während der Bearbeitung 0,5 bis 3,0 mm, vorzugsweise 1,0 bis 2,0 mm. Durch diesen Abstand wird eine effiziente Entschichtung des Werkstücks sichergestellt, ohne dass das zurückspritzende Wasser zu einer Beschädigung der Düse führen könnte.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Düse relativ zum Werkstück mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 1200 mm/min bewegt, wobei die Vorschubgeschwindigkeit von der Dicke der Beschichtung, dessen Materialeigenschaft und der Pulsfrequenz des Flüssigkeitsstrahls abhängt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Düse einen Düsenkörper mit einer Längsbohrung auf, wobei die Längsbohrung einen Druckraum bildet, in den die verdichtete Flüssigkeit eingeführt wird. Die Unterbrechereinheit wird durch eine innerhalb des Druckraums längsbeweglich angeordnete Düsennadel gebildet, die durch ihre Längsbewegung die Austrittsöffnung öffnet und schließt. Durch diese beispielsweise aus der Kraftstoffhochdruckeinspritzung bekannte Düse lassen sich präzise Flüssigkeitspulse in der gewünschten Dauer und mit der gewünschten Frequenz erzeugen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahren Folgendes dargestellt:
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In 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahl-Entschichtungsverfahrens, in
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2 eine ebenfalls schematische Darstellung der Düse zum Entschichten und die
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3 zeigt einen vergrößerten, schematischen Querschnitt durch das Werkstück im Bereich, in dem der Flüssigkeitsstrahl auf das Werkstück trifft, und
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4 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der abgegebenen Flüssigkeitsmenge der Düse.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Entschichtungsverfahrens dargestellt. In einem Flüssigkeitsbehälter 1 wird die Flüssigkeit vorgehalten, die zum Entschichten Verwendung findet, beispielswese gereinigtes Wasser, jedoch sind auch andere Flüssigkeiten möglich. Die Flüssigkeit wird aus dem Flüssigkeitsbehälter 1 über eine Leitung 2 einer Verdichtereinheit 3 zugeführt, beispielsweise einer Hochdruckpumpe, in der die Flüssigkeit verdichtet und über eine Hochdruckleitung 4 in einen Hochdrucksammelraum 5 eingespeist wird, wo die verdichtete Flüssigkeit vorgehalten wird. Der Hochdrucksammelraum 5 dient dazu, Druckschwankungen auszugleichen, um so das Flüssigkeitsstrahlentschichten mit einem konstant hohen Druck durchführen zu können, ohne dass die Verdichtereinheit 3 in kurzen Zeitabständen nachgeregelt werden muss. Vom Hochdrucksammelraum 5 führt eine Druckleitung 7 zu einer Düse 10, wobei die Düse 10 eine Unterbrechereinheit 8, hier in Form eines 2/2-Wegeventils, und eine Austrittsöffnung 11 aufweist in Form eines verengten Durchgangs für die Flüssigkeit, sodass aus der Austrittsöffnung 11 ein Flüssigkeitsstrahl 14 austritt, der scharf gebündelt ist und während der Durchführung des Verfahrens auf ein Werkstück 15 trifft. Das Werkstück 15 ist mit einer Beschichtung 22 versehen, die fest auf dem Werkstück 15 haftet, beispielsweise eine Lackbeschichtung oder eine Farbschicht, die auf die Oberfläche eines vorzugsweise metallischen Werkstücks aufgebracht ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird folgendermaßen durchgeführt: In der Düse 10 liegt über die Druckleitung 7 verdichtete Flüssigkeit an, wobei die Unterbrechereinheit 8 zu Beginn geschlossen ist. Zur Erzeugung eines gepulsten Flüssigkeitsstrahls 14 wird die Unterbrechereinheit 8 nun in regelmäßigen Abständen geschlossen und geöffnet, sodass durch die Austrittsöffnung 11 ein gepulster Flüssigkeitsstrahl 14 austritt, der auf die Oberfläche des Werkstücks 15 trifft. Beim Auftreffen der Flüssigkeit auf dem Werkstück 15 wird die Beschichtung 22 zertrümmert und die Bruchstücke der Beschichtung 22 werden mit der abfließenden Flüssigkeit weggespült. Dadurch wird die Beschichtung 22 in den vom Flüssigkeitsstrahl 14 beaufschlagten Bereichen der Werkstückoberfläche abgetragen, wobei durch eine Bewegung des Werkstücks 15 in einer Bearbeitungsrichtung gezielt die Bereiche bearbeitet werden können, in denen die Beschichtung 22 abgetragen werden soll. Dabei kann die Beschichtung 22 flächig abgetragen werden, oder auch nur linien- oder punktförmig, je nach gewüschtem Anwendungsfall. Es kann auch vorgesehen sein, nicht das Werkstück 15 relativ zur Düse 10, sondern die Düse 10 durch eine geeignete Vorrichtung relativ zum Werkstück 15 zu bewegen. Auch eine Kombination aus beiden Bewegungen ist denkbar, ebenso eine Einspannung, die komplexere Bewegungen des Werkstücks zulässt, um verschiedene Seiten des Werkstücks zu entschichten. Ebenso ist es möglich, das Werkstück in mehreren Arbeitsschritten zu entschichten, wobei der Flüssigkeitsstrahl die Werkstückoberfläche mehrfach bearbeitet und so die Beschichtung besonders schonend abträgt.
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2 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer Düse 10, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen kann, mit dem zu entschichtenden Werkstück 15. Die hier gezeigte Düse 10 weist einen Düsenkörper 12 auf, in dem eine Bohrung 13 mit einer darin längsverschiebbar angeordnet Düsennadel 18 ausgebildet ist. Zwischen der Wand der Bohrung 13 und der Düsennadel 18 ist ein Druckraum 17 ausgebildet, in den die hochverdichtete Flüssigkeit über die Druckleitung 7 eingeführt wird. Die Düsennadel 18 wirkt mit einem Düsensitz 20 zusammen, sodass bei Anlage der Düsennadel 18 auf dem Düsensitz 20 der Druckraum 17 von der Einspritzöffnung 11 getrennt ist, die als Bohrung im Düsenkörper 10 ausgebildet ist. Hebt die Düsennadel 18 vom Düsensitz 20 ab, so fließt Flüssigkeit aus dem Druckraum 17 durch die Austrittsöffnung 11 und bildet einen Flüssigkeitsstrahl 14, der auf das Werkstück 15 trifft.
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Zum Entschichten des Werkstücks wird die Düsennadel 18 periodisch auf- und abbewegt und gibt so den Flüssigkeitsstrahl 14 frei oder unterbricht die Flüssigkeitszufuhr. Das Werkstück 15 wird in einer Bearbeitungsrichtung bewegt, wobei es unerheblich ist, ob das Werkstück oder die Düse bewegt wird oder auch beide gleichzeitig.
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Die Düsenkörper 10 und damit der Flüssigkeitsstrahl 14 kann senkrecht auf zur Oberfläche 115 des Werkstücks ausgerichtet sein, es kann aber auch vorgehen sein, dass der Flüssigkeitsstrahl 14 unter einem Bearbeitungswinkel α auf die Werkstückoberfläche trifft, wobei der Bearbeitungswinkel α dann weniger als 90° beträgt. Der Bearbeitungswinkel α ist dabei als kleinster Winkel zwischen dem Flüssigkeitsstrahl 14 und der Werkstückoberfläche 115 definiert. Trifft der Flüssigkeitsstrahl 14 auf die Werkstückoberfläche 115, so zertrümmert der Flüssigkeitsstrahl 14 die Beschichtung 22 auf der Oberfläche 115 des Werkstücks 15 in diesem Bereich. Der Flüssigkeitsstrahl 14 kann durch den spitzen Winkel direkt an der Beschichtung 22 ansetzen, was insbesondere bei sehr harten Beschichtungsmaterialien, wie Keramik, harte Metallschichten oder auch DLC-Schichten (diamond like carbon) die Beschichtung effektiver und leichter zertrümmert und damit eine schnellere und gründlichere Bearbeitung möglich macht.
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Je härter ein Werkstoff ist, desto bessere Ergebnisse werden mit kleineren Bearbeitungswinkeln α erzielt. Bei weicheren Werkstoffen kann die Bearbeitung auch mit einem größeren Bearbeitungswinkel durchgeführt werden, so dass der optimale Bearbeitungswinkel je nach Härte der Beschichtung, der Härte des Werkstücks und der Anhaftung der Beschichtung auf der Werkstückoberfläche optimiert werden kann.
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In 4 ist der zeitliche Verlauf des Flüssigkeitsstrahls schematisch dargestellt, wobei auf der Ordinate die ausgetretene Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit Q abgetragen ist und auf der Abszisse die Zeit t. Durch das Öffnen und Schließen der Unterbrechereinheit 8 wird aus der Düse 10 periodisch ein Flüssigkeitsstrahl 14 ausgestoßen, wobei die einzelnen Pulse einer Zeit tp aufweisen und einen zeitlichen Abstand zueinander von ta. Die Pulse können, wie hier dargestellt, periodisch aufeinander folgen und alle gleich ausgebildet sein oder es können auch verschiedene Pulse erzeugt werden, die regelmäßig oder in variablen zeitlichen Abständen aufeinander folgen.
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Die Dauer der Flüssigkeitspulse tp beträgt weniger als 1000 µs, vorzugsweise 100 bis 1000 µs, um je nach Werkstoff eine optimale Bearbeitung zu erreichen. Besonders gut eignet sich das gepulste Flüssigkeitsstrahlschneiden zum Entschichten von metallischen Werkstücken und von harten und stark anhaftenden Beschichtungen, beispielsweise keramische Schichten, Schichten aus Hartmetall (Chrom, Titan, Vanadium) und für diamantartige Schichten, wie DLC-Schichten (diamond like carbon). Durch das gepulste Flüssigkeitsstrahlentschichten ergibt sich gegenüber dem Dauerstrahl-Flüssigkeitsstrahlentschichten deutlich bessere Bearbeitungsergebnisse und kürzere Bearbeitungszeiten. Gleichzeitig kann der Energieeinsatz beim Entschichten bis zu einem Faktor 20 gesenkt werden, da einerseits weniger Flüssigkeit verdichtet werden muss und andererseits eine Bearbeitung mit geringeren Drücken auskommt: Die Flüssigkeit wird innerhalb der Düse 12 mit einem Druck von beispielsweise 2500 bar vorgehalten, was gegenüber dem sonst bekannten Dauerstrich-Flüssigkeitsstrahlentschichten, wo mit einem Druck von bis zu 6000 bar gearbeitet wird, deutlich reduziert ist.
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Die Bearbeitungsdistanz der Düse 10 zum Werkstück 15, in 1 und 2 mit d bezeichnet, beträgt vorzugsweise 0,5 bis 3,0 mm, bevorzugt 1,0 bis 2,0 mm. Bei dieser Bearbeitungsdistanz d erreicht man eine optimale Wirkung, ohne dass durch zurückspritzende Flüssigkeit mit einer Beschädigung der Düse gerechnet werden muss.
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Der gepulste Flüssigkeitsstrahl weist einen Durchmesser von ca. 150 µm auf bei einem Druck von etwa 2500 bar, wobei auch mit geringerem Flüssigkeitsdruck gearbeitet werden kann. Optimale Bearbeitungswinkel α betragen 60° bis 80°, Taktraten bei einer Pulsfrequenz von mehr als 40 Hz und einer Pulsdauer von 1000 µs oder weniger, wobei die Taktrate auf die Vorschubgeschwindigkeit der Bearbeitung abgestimmt werden muss, d. h. die Taktrate muss umso höher sein, je schneller die Vorschubgeschwindigkeit ist.
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Der Flüssigkeitsstrahl wird zur Erzielung der Flüssigkeitspulse periodisch mittels der Unterbrechereinheit unterbrochen. Im Kontext dieser Erfindung bezeichnet der Begriff "unterbrechen" jedoch nicht notwendigerweise ein völliges Verschließen der Austrittsöffnung an der Düse. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Unterbrechereinheit den Flüssigkeitsstrahl nur sehr stark drosselt, jedoch zwischen den Flüssigkeitspulsen noch etwas Flüssigkeit mit geringem Druck austritt. Die beschriebenen Effekte werden auch dann erreicht, vorausgesetzt, dass die Drosselung ausreichend stark ist. Dabei ist eine Drosselung auf 80 bis 90 % der Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit Q ausreichend, die im geöffneten Zustand der Düse 10 austritt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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