-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Schneiden eines Schneidguts mit Hilfe eines Fluids, insbesondere zum Wasserstrahlschneiden, wobei die Vorrichtung eine Druckerzeugungseinheit und eine mit der Druckerzeugungseinheit über eine Fluidleitung in Fluidverbindung stehende Austrittsdüse aufweist, wobei die Druckerzeugungseinheit zum Unterdrucksetzen des Fluids in der Fluidleitung vorgesehen ist und wobei die Vorrichtung ferner einen Pulsationsdämpfer zum Dämpfen von Druckschwankungen in der Fluidleitung aufweist.
-
Solche Wasserstrahlschneidvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Das Wasser wird dabei mittels der Druckerzeugungseinheit unter einen hohen Druck von bis zu 4.000 bar gesetzt und durch eine Austrittsdüse getrieben. In der Austrittsdüse wird das Wasser auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, so dass sich ein Wasserstrahl bildet, mit welchem das Schneidgut zum Schneiden desselben beaufschlagt wird. Optional wird dem Wasserstrahl ein Abrasivmaterial, wie beispielsweise feiner Quarzsand beigemischt. Es ist bekannt, dass das Wasserstrahlschneiden gegenüber anderen Schneidverfahren, wie Laserschneiden oder Fräsen, eine Reihe von technischen Vorteilen bietet, wie beispielsweise ein Schneiden ohne Wärmeeintrag, so dass kein Verzug im Schneidgut zu befürchten ist. Ein besonders wichtiger Vorteil des Wasserstrahlschneidens ist zudem, dass der Wasserstrahl sich seine Anfangsbohrung im Schneidgut, von welcher aus das Schneidgut geschnitten wird, selbst erzeugen kann. Die Erzeugung dieser Anfangsöffnung wird auch als „Piercen“ des Schneidguts bezeichnet.
-
Das Wasserstrahlschneiden kann grundsätzlich zum Schneiden nahezu aller gängigen Werkstoffe verwendet werden. Eine Besonderheit ergibt sich jedoch beim Schneiden von Schneidgut aus Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Bei derlei Schneidgut wird das Piercen zur Herstellung der Anfangsöffnung mit bei einem niedrigeren Druck durchgeführt, als der nachfolgende Schneidvorgang, da andernfalls eine Beschädigung des Schneidguts, insbesondere ein Reißen oder Springen des Schneidguts im Bereich der Anfangsöffnung, droht. Aus diesem Grund werden typischerweise geregelte Druckerzeugungseinheiten verwendet, welche wenigstens zwei verschiedenartige Ausgangsdrücke bereitstellen können, einen niedrigen Druck zum Piercen, sowie einen hohen Druck zum Schneiden des Schneidguts. Der von der Druckerzeugungseinheit erzeugte Wasserdruck unterliegt typischerweise einer Pulsation, d.h. einer geringen zeitlichen Schwankung. Um einen möglichst sauberen Schnitt zu erzeugen, wird diese Pulsation üblicherweise mit einem in die Fluidleitung fest eingebundenen Pulsationsdämpfer, der wie ein Druckpuffer wirkt, gedämpft. Dieser Pulsationsdämpfer führt jedoch in nachteiligerweise dazu, dass das Umschalten der Vorrichtung zwischen dem niedrigen Druck zum Piercen und dem hohen Druck zum Schneiden vergleichsweise lange dauert.
-
Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 196 52 298 A1 , dass in einer Hochdruckpumpenanordnung ein Pulsationsdämpfer zur Vergleichmäßigung eines pulsierenden Förderstromes verwendet werden kann. Auch aus der Druckschrift
DE 20 2012 001 919 U1 ist ein Hydraulikantrieb für einen Druckübersetzer für das Wasserstrahlschneiden, bei dem ein Pulsationsdämpfer in der Förderleitung eingesetzt wird, bekannt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schneiden von Schneidgut mit Hilfe eines Fluids bereitzustellen, bei welcher bzw. welchem ein deutlich schnelleres Umschalten zwischen Piercen und Schneiden ermöglicht wird. Zudem soll die Vorrichtung bzw. das Verfahren vergleichsweise einfach, kostengünstig, langlebig und effizient realisierbar sein.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Schneiden eines Schneidguts mit Hilfe eines Fluids, insbesondere zum Wasserstrahlschneiden, wobei die Vorrichtung eine Druckerzeugungseinheit und eine mit der Druckerzeugungseinheit über eine Fluidleitung in Fluidverbindung stehende Austrittsdüse aufweist, wobei die Druckerzeugungseinheit zum Unterdrucksetzen des Fluids in der Fluidleitung vorgesehen ist und wobei die Vorrichtung ferner einen Pulsationsdämpfer zum Dämpfen von Druckschwankungen in der Fluidleitung aufweist und wobei ferner die Vorrichtung wenigstens ein Schaltventil derart aufweist, dass der Pulsationsdämpfer je nach Schaltstellung des Schaltventils an die Fluidleitung ankoppelbar und von der Fluidleitung abkoppelbar ist.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein schnelles Umschalten zwischen verschiedenen Drücken ermöglicht wird, so dass insbesondere ein schneller Wechsel zwischen Piercen und Schneiden von Schneidgut aus Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff realisierbar ist. Hierdurch wird beispielsweise ein deutlich schnelleres Ausschneiden einer Vielzahl von separaten Werkstücken aus einem plattenförmigen Schneidgut ermöglicht. Die Beschleunigung des Wechsels zwischen Piercen und Schneiden wird dadurch erreicht, dass der Pulsationsdämpfer nicht wie beim Stand der Technik fest in die Fluidleitung eingebunden ist, sondern über das Schaltventil wahlweise bzw. zeitweise von der Fluidleitung abgekoppelt werden kann. Wenn beispielsweise ein Schnitt im Schneidgut, der mit einem hohen Arbeitsdruck ausgeführt wird, fertiggestellt wurde und das Schneidgut an einer neuen Stelle „gepierct“ werden soll, wird der Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abgekoppelt und die Druckerzeugungseinheit auf den niedrigeren Arbeitsdruck heruntergeregelt. Der niedrigere Arbeitsdruck steht sodann in der Fluidleitung sofort zur Verfügung und es muss nicht erst der vollständige Druckabbau im Pulsationsdämpfer abgewartet werden. Umgekehrt wird beispielsweise, wenn nach dem Piercen des Schneidguts mit einem niedrigen Arbeitsdruck auf einem hohen Arbeitsdruck zum Schneiden des Schneidguts von der gepiercten Stelle aus, gewechselt werden soll, die Druckerzeugungseinheit auf den hohen Arbeitsdruck hochgeregelt und der Pulsationsdämpfer zugeschaltet. Auf diese Weise steht der hohe Arbeitsdruck sehr schnell zur Verfügung und es muss nicht erst der langsam fortschreitende Druckaufbau im Pulsationsdämpfer abgewartet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht folglich ein schnelleres Umschalten zwischen verschiedenen Drücken. Gleichzeitig wird in bekannter Weise ein sauberes Schneiden von Schneidgut ermöglicht, da die Vorrichtung dennoch einen Pulsationsdämpfer zum Dämpfen der Druckpulsation in der Fluidleitung aufweist. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Pulsationsdämpfer nicht ständig mit verschiedenen Arbeitsdrücken beaufschlagt wird und somit deutlich weniger Lastzyklen sieht, wodurch die Lebensdauer des Pulsationsdämpfers erheblich gesteigert wird. Das Fluid umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere Wasser.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckerzeugungseinheit eine regelbare Druckerzeugungseinheit ist, welcher wenigstens in einem ersten Betriebsmodus mit einem ersten Arbeitsdruck und in einem zweiten Betriebsmodus mit einem zweiten Arbeitsdruck betreibbar ist, wobei der erste Arbeitsdruck größer als der zweite Arbeitsdruck ist. Vorzugsweise ist die Vorrichtung zwischen einem zum Schneiden des Schneidguts vorgesehenen ersten Betriebsmodus, in welchem die Druckerzeugungseinheit den ersten Arbeitsdruck bereitstellt und der Pulsationsdämpfer mittels des Schaltventils an die Fluidleitung angekoppelt ist, und einem zum initialen Durchlöchern des Schneidguts (auch als „Piercen“ bezeichnet) vorgesehenen zweiten Betriebsmodus, in welchem die Druckerzeugungseinheit den zweiten Arbeitsdruck bereitstellt und der Pulsationsdämpfer mittels des Schaltventils von der Fluidleitung abgekoppelt ist, umschaltbar ist. Es hat sich völlig überraschend und nicht vorhersehbar gezeigt, dass das Piercen von Schneidgut, wie Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, mit dem niedrigeren Arbeitsdruck auch dann erfolgreich durchführbar ist, wenn in diesem zweiten Betriebsmodus überhaupt kein Pulsationsdämpfer in die Fluidleitung eingebunden ist bzw. der zumindest eine Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung mittels des wenigstens einen Schaltventils abgekoppelt ist. Die hierdurch zwangsläufig in der Fluidleitung während des zweiten Betriebsmodus auftretenden Druckschwankungen können demnach in Kauf genommen werden, um die Umschaltzeit zwischen erstem und zweitem Betriebsmodus zu verkürzen. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise Umschaltzeiten von ungefähr 1 Sekunde und kleiner zu erreichen sind. Der erste Arbeitsdruck umfasst vorzugsweise einen Druck zwischen 3.000 und 6.000 bar, besonders bevorzugt zwischen 3.000 und 3.800 bar, während der zweite Arbeitsdruck vorzugsweise einen Druck zwischen 400 und 900 bar, besonders bevorzugt zwischen 700 und 800 bar umfasst.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die der Druckerzeugungseinheit einen Druckübersetzer und/oder eine Hochdruckpumpe, insbesondere eine hydraulische Hochdruckpumpe, eine elektromechanische Hochdruckpumpe oder eine Plungerpumpe umfasst. Bevorzugt umfasst die Druckerzeugungseinheit eine Hydraulikeinheit, die einen doppelwirkenden Druckübersetzer antreibt, der in einem oszillierenden Betrieb läuft, um den von einer Vorpumpe erzeugten Druck auf Hochdruck von 3.000 bis 6.000 bar oder 400 bis 800 bar umzusetzen. Die Druckschwankungen in der Fluidleitung, welche durch den oszillierenden Betrieb des Druckübersetzers entstehen, werden zumindest im ersten Betriebsmodus durch den Pulsationsdämpfer gedämpft bzw. kompensiert. Der Pulsationsdämpfer umfasst hierfür insbesondere eine Druckspeicherkammer.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ein schaltbares Entspannungsventil aufweist, welches eingangsseitig in Fluidverbindung mit der Fluidleitung steht und ausgangsseitig insbesondere auf Umgebungsdruck liegt. Optional ist es möglich, beim Umschalten der Vorrichtung vom ersten Betriebsmodus (Schneiden) zum zweiten Betriebsmodus (Piercen) nicht nur die Druckerzeugungseinheit entsprechend herunter zu regeln und den Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abzukoppeln, sondern zusätzlich auch noch das Entspannungsventil kurzzeitig zu öffnen. Das Öffnen des Entspannungsventils sorgt dafür, dass der Druck in der Fluidleitung noch schneller vom ersten Arbeitsdruck auf den zweiten Arbeitsdruck abfällt. Hierdurch kann die Umschaltzeit beispielsweise auf 0,3 Sekunden reduziert werden. Als Entspannungsventil kann beispielsweise das Notventil, welches in Hochdruckanlagen ohnehin gesetzlich vorgeschrieben ist, verwendet bzw. entsprechend beschaltet werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Mischkammer zur Beimengung von Abrasivmaterial zum Fluid aufweist, wobei die Mischkammer entlang der Hauptströmungsrichtung des Fluids hinter der Austrittsdüse angeordnet ist und wobei die Mischkammer mit einem Reservoir für Abrasivmaterial in Verbindung steht. Denkbar ist, dass die Austrittsdüse als eine Art Venturidüse fungiert, wodurch das Abrasivmaterial durch Unterdruck automatisch in den Wasserstrahl eingesaugt wird. Die Beimischung von Abrasivmaterialien, wie feiner Quarzsand, Korund, Granat oder dergleichen, hat gegenüber dem Reinwasserschneiden den Vorteil, dass die Schneidleistung erhöht wird und somit härtere Materialien geschnitten werden können.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Pulsationsdämpfer eine geschlossene Druckspeicherkammer umfasst, welche nur eine einzige Zugangsöffnung aufweist, wobei die eine Zugangsöffnung über das Schaltventil an die Fluidleitung angebunden ist. In vorteilhafter Weise wird somit zum Ankoppeln und Abkoppeln des Pulsationsdämpfers nur ein einziges Schaltventil benötig. Die hierdurch erzielte Minimierung der Anzahl benötigter Schaltventile macht die Vorrichtung kostengünstig, wartungsfreundlich und langlebig, da die in den Hochdruckkreislauf eingebundenen Schaltventile einem vergleichsweise hohen Verschleiß unterliegen.
-
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Pulsationsdämpfer eine der Fluidleitung parallel schaltbare geschlossene Druckspeicherkammer mit zwei Zugangsöffnungen aufweist, wobei die eine Zugangsöffnung über das eine Schaltventil an die Fluidleitung ankoppelbar und von der Fluidleitung abkoppelbar ist und wobei die andere Zugangsöffnung über ein weiteres Schaltventil an die Fluidleitung ankoppelbar und von der Fluidleitung abkoppelbar ist. Bei dieser Ausführungsform können vorteilhafterweise konventionelle, d.h. mit zwei Zugangsöffnungen versehene Pulsationsdämpfer verwendet werden, wodurch allerdings zwei Schaltventile notwendig werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen weiteren Pulsationsdämpfer umfasst, welcher über wenigstens ein weiteres Schaltventil an die Fluidleitung ankoppelbar und von der Fluidleitung abkoppelbar ist. Denkbar ist, dass der weitere Pulsationsdämpfer (insbesondere ausschließlich) im zweiten Betriebsmodus an die Fluidleitung angekoppelt ist. Auf diese Weise können die Druckschwankungen, welche im zweiten Betriebsmodus nicht mehr durch den abgekoppelten Pulsationsdämpfer kompensiert werden können, durch den weiteren Pulsationsdämpfer gedämpft werden. Der weitere Pulsationsdämpfer könnte für diesen Zweck beispielsweise mit einem deutlich geringeren Innenvolumen als der Pulsationsdämpfer versehen sein.
-
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Schneiden eines Schneidguts mit Hilfe eines Fluids, insbesondere zum Wasserstrahlschneiden, wobei ein Fluid mittels einer Druckerzeugungseinheit unter Druck gesetzt wird, wobei das unter Druck gesetzte Fluid durch eine Fluidleitung zu einer Austrittsdüse geleitet wird und wobei das Schneidgut mit dem aus der Austrittsdüse austretenden Fluid beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wahlweise in einem ersten Betriebsmodus, in welchem ein Pulsationsdämpfer mittels eines Schaltventils an die Fluidleitung angekoppelt ist, und einem zweiten Betriebsmodus, in welchem der Pulsationsdämpfer mittels des Schaltventils von der Fluidleitung abgekoppelt ist, ausgeführt wird.
-
Analog zur vorstehend bereits diskutierten erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht auch das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik einen wesentlichen schnelleren Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus, da im zweiten Betriebsmodus der Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abgekoppelt wird. Auf diese Weise wird insbesondere ein Umschalten zwischen Schneiden und Piercen beim Bearbeiten von Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff beschleunigt. Vorzugsweise wird zum initialen Durchlöchern des Schneidguts der zweite Betriebsmodus verwendet, während zum anschließenden Schneiden des Schneidguts der erste Betriebsmodus verwendet wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Pulsationsdämpfer nicht ständig mit verschiedenen Arbeitsdrücken beaufschlagt wird und somit deutlich weniger Lastzyklen sieht, wodurch die Lebensdauer des Pulsationsdämpfers erheblich gesteigert wird.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im ersten Betriebsmodus ein erster Arbeitsdruck von der Druckerzeugungseinheit bereitgestellt wird und im zweiten Betriebsmodus ein zweiter Arbeitsdruck von der Druckerzeugungseinheit bereitgestellt wird, wobei der erste Arbeitsdruck größer als der zweite Arbeitsdruck ist. Vorteilhafterweise wird bei der Verwendung des niedrigeren zweiten Arbeitsdruck ein Piercen von Materialien wie Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ermöglicht, ohne dass ein Reißen oder Springen dieser Materialien zu befürchten ist. Der erste Arbeitsdruck umfasst vorzugsweise einen Druck zwischen 3.000 und 6.000 bar, besonders bevorzugt zwischen 3.000 und 3.800 bar, während der zweite Arbeitsdruck vorzugsweise einen Druck zwischen 400 und 900 bar, besonders bevorzugt zwischen 700 und 800 bar umfasst.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass beim Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus das Schaltventil geschlossen wird und wobei beim Übergang vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus das Schaltventil geöffnet wird. Wenn beispielsweise ein Schnitt im Schneidgut, der mit dem hohen ersten Arbeitsdruck ausgeführt wird, fertiggestellt wurde und das Schneidgut an einer neuen Stelle „gepierct“ werden soll, wird der Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abgekoppelt und die Druckerzeugungseinheit auf den niedrigeren zweiten Arbeitsdruck heruntergeregelt. Der niedrigere zweite Arbeitsdruck steht sodann in der Fluidleitung sofort zur Verfügung und es muss nicht erst der vollständige Druckabbau im Pulsationsdämpfer abgewartet werden. Umgekehrt wird beispielsweise, wenn nach dem Piercen des Schneidguts mit dem niedrigen zweiten Arbeitsdruck auf den hohen ersten Arbeitsdruck zum Schneiden des Schneidguts von der gepiercten Stelle aus, gewechselt werden soll, die Druckerzeugungseinheit auf den hohen ersten Arbeitsdruck hochgeregelt und der Pulsationsdämpfer zugeschaltet. Auf diese Weise steht der hohe Arbeitsdruck sehr schnell zur Verfügung und es muss nicht erst der langsam fortschreitende Druckaufbau im Pulsationsdämpfer abgewartet werden. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise Umschaltzeiten von ungefähr 1 Sekunde und kleiner zu erreichen sind.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass beim Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zunächst das Schaltventil geschlossen und anschließend die Druckerzeugungseinheit derart geregelt wird, dass der Druck in der Fluidleitung vom ersten Arbeitsdruck auf den zweiten Arbeitsdruck absinkt, und/oder wobei beim Übergang vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus zunächst die Druckerzeugungseinheit derart geregelt wird, dass der Druck in der Fluidleitung vom zweiten Arbeitsdruck auf den ersten Arbeitsdruck ansteigt, und anschließend das Schaltventil geöffnet wird. Durch das zeitversetzte Regeln der Druckerzeugungseinheit und Schalten des Schaltventils wird erreicht, dass die Druckdifferenz am Schaltventil stets vergleichsweise gering gehalten wird. Hierdurch wird dem Verschleiß am Schaltventil vorteilhafterweise entgegengewirkt und die Langlebigkeit und die Wartungsfreundlichkeit der Vorrichtung stark erhöht.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass beim Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus ein mit der Fluidleitung in Fluidverbindung stehendes Entspannungsventil zumindest zeitweise geöffnet wird. Optional ist es möglich, beim Umschalten der Vorrichtung vom ersten Betriebsmodus (Schneiden) zum zweiten Betriebsmodus (Piercen) nicht nur die Druckerzeugungseinheit entsprechend herunter zu regeln und den Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abzukoppeln, sondern zusätzlich auch noch das Entspannungsventil kurzzeitig zu öffnen. Das Öffnen des Entspannungsventils sorgt dafür, dass der Druck in der Fluidleitung noch schneller vom ersten Arbeitsdruck auf den zweiten Arbeitsdruck abfällt. Hierdurch kann die Umschaltzeit beispielsweise auf 0,3 Sekunden reduziert werden. Als Entspannungsventil kann beispielsweise das Notventil, welches in Hochdruckanlagen ohnehin gesetzlich vorgeschrieben ist, verwendet bzw. entsprechend beschaltet werden.
-
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mittels eines weiteren Schaltventils zwischen einem ersten Betriebsmodus, in welchem ein Pulsationsdämpfer an die Fluidleitung angekoppelt ist, und einem zweiten Betriebsmodus, in welchem der Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abgekoppelt ist, umgeschaltet wird. Bei dieser Ausführungsform weist der Pulsationsdämpfer zwei Zugangsöffnungen auf, wobei für jede Zugangsöffnung ein Schaltventil geschaltet werden muss, um den Pulsationsdämpfer an- oder abzukoppeln.
-
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung einen weiteren Pulsationsdämpfer auf, welcher der Fluidleitung im zweiten Betriebsmodus mittels eines weiteren Schaltventils zugeschaltet wird. Es ist denkbar, dass der weitere Pulsationsdämpfer stets ein Dämpfen des Drucks in der Fluidleitung beim niedrigeren zweiten Arbeitsdruck vollführt. Der weitere Pulsationsdämpfer wird der Fluidleitung daher vorzugsweise ausschließlich im zweiten Betriebsmodus zugeschaltet. Damit herrscht im weiteren Pulsationsdämpfer in der Regel lediglich der niedrigere zweite Arbeitsdruck, während im Pulsationsdämpfer in der Regel lediglich der höhere erste Arbeitsdruck herrscht. Je nach Betriebsmodus wird sodann der Pulsationsdämpfer oder der weitere Pulsationsdämpfer zugeschaltet.
-
Für den Fachmann versteht sich von selbst, dass als Fluid zum Schneiden des Schneidguts nicht nur Wasser oder mit Abrasivmaterial versetztes Wasser, sondern auch andere Fluide verwendet werden können.
-
Das Schaltventil und/oder das weitere Schaltventil umfasst vorzugsweise ein elektromotorisch betätigtes Ventil, ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, ein pneumatisch betätigtes Ventil oder ein hydraulisch betätigtes Ventil.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
-
In 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 und eines Verfahrens zum Schneiden eines Schneidguts 2 mit Hilfe eines Fluids gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
-
Die Vorrichtung 1 weist eine Druckerzeugungseinheit 3 auf, mit welcher Wasser unter Druck gesetzt wird. Das unter Druck stehende Wasser wird mittels einer Fluidleitung 4 zu einer Austrittsdüse 5 geleitet. In der Austrittsdüse 5 wird das Wasser aufgrund der großen Druckdifferenz zwischen dem Druck im Inneren der Fluidleitung 4 und dem Umgebungsdruck stark beschleunigt und bildet einen Wasserstrahl 6. Unmittelbar hinter der Austrittsdüse 5 ist ferner eine Mischkammer 7 ausgebildet, in welcher das Wasser mit einem Abrasivmaterial 9, hier in Form eines feinkörnigen Quarzsandes, vermischt wird. Die Mischkammer 7 ist hierfür mit einem Reservoir 8 verbunden, in welchem das Abrasivmaterial 9 vorgehalten wird. Durch den Venturi-Effekt im Bereich der Austrittsdüse 5 wird das Abrasivmaterial 9 durch Unterdruck automatisch in den Wasserstrahl 6 gezogen. Der mit dem Abrasivmaterial 9 versetzte Wasserstrahl 6 trifft sodann auf das zu schneidende Schneidgut 2. Im vorliegenden Beispiel umfasst das Schneidgut 2 ein Glas.
-
Ein Vorteil des Wasserstrahlschneidens ist, dass der Wasserstrahl 6 sich seine Anfangsbohrung im Schneidgut 2, von welcher aus das Schneidgut 2 geschnitten wird, selbst erzeugen kann. Die Erzeugung dieser Anfangsöffnung wird auch als „Piercen“ des Schneidguts 2 bezeichnet. Beim Schneiden von Glas tritt jedoch das Problem auf, dass beim Piercen des Glases mit vollem Arbeitsdruck, das Glas zerspringt. Beim Piercen des Glases muss deshalb ein niedrigerer Arbeitsdruck als beim Schneiden des Glases verwendet werden.
-
Die Vorrichtung 1 ist hierfür derart ausgebildet und wird von einer Steuerungselektronik 10 derart angesteuert, dass die Vorrichtung 1 wahlweise in einem ersten Betriebsmodus, welcher zum Schneiden des Schneidguts 2 vorgesehen ist, und in einem zweiten Betriebsmodus, welcher zum Piercen des Schneidguts 2 vorgesehen ist, betrieben wird. Im ersten Betriebsmodus wird die Druckerzeugungseinheit 3 derart geregelt, dass in der Fluidleitung 4 ein hoher erster Arbeitsdruck zwischen 3.000 und 3.800 bar erzeugt wird, während im zweiten Betriebsmodus die Druckerzeugungseinheit 3 derart geregelt wird, dass in der Fluidleitung 4 ein niedrigerer zweiter Arbeitsdruck zwischen 700 und 800 bar erzeugt wird.
-
Im vorliegenden Beispiel umfasst die Druckerzeugungseinheit eine Hydraulikeinheit 11, die einen doppelwirkenden Druckübersetzer 12 antreibt. Der doppelwirkender Druckübersetzer 12 weist in bekannter Weise einen Kolben 13 auf, der in einem oszillierenden Betrieb läuft und mittels Rückschlagventilen 14 einen von einer Vorpumpe (nicht gezeigt) im Wasser erzeugten Druck je nach Betriebsmodus auf den ersten oder zweiten Arbeitsdruck umzusetzen.
-
Durch den oszillierenden Betrieb des Kolbens 13 entstehen in der Fluidleitung 4 unerwünschte Druckpulsationen. Zur Dämpfung dieser Druckpulsationen weist die Vorrichtung 1 einen Pulsationsdämpfer 15 auf. Der Pulsationsdämpfer 15 umfasst hierfür eine Druckspeicherkammer.
-
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist der Pulsationsdämpfer 15 nun über ein Schaltventil 16 an die Fluidleitung 4 angebunden. Je nach Stellung des Schaltventils 16 ist der Pulsationsdämpfer 15 somit an die Fluidleitung 4 angekoppelt (Schaltventil 16 ist offen) oder von der Fluidleitung 4 abgekoppelt (Schaltventil 16 ist geschlossen). Das Schaltventil 16 umfasst vorzugsweise ein elektromotorisch betätigtes Ventil, ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, ein pneumatisch betätigtes Ventil oder ein hydraulisch betätigtes Ventil, welches beim Wechsel zwischen erstem und zweitem Betriebsmodus von der Steuerungselektronik 10 geschaltet wird. Der Pulsationsdämpfer 15 weist lediglich eine einzige Zugangsöffnung 17 auf, über welche der Innenraum des Pulsationsdämpfers 15 in Fluidverbindung über das Schaltventil 16 mit der Fluidleitung 5 steht (nur bei geöffneten Schaltventil 16).
-
Wenn das Schneidgut 2 geschnitten wird, wird die Vorrichtung 1 im ersten Betriebsmodus betrieben, dabei liefert die Druckerzeugungseinheit 3 den ersten Arbeitsdruck in der Fluidleitung 4. Die Schaltventil 16 ist zudem geöffnet, so dass die Druckpulsationen in der Fluidleitung 4 durch den Pulsationsdämpfer 15 gedämpft werden. Im Pulsationsdämpfer 15 herrscht somit im Mittel ebenfalls der erste Arbeitsdruck. Wenn nun ein neuer Schnitt an einer neuen Stelle am Schneidgut 2 erzeugt werden soll, muss zum Ansetzen des Wasserstrahls 6 zunächst das Schneidgut 2 an dieser neuen Stelle gepierct werden. Die Vorrichtung 1 muss also vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus wechseln, so dass der erste Arbeitsdruck auf den zweiten Arbeitsdruck reduziert wird und das Schneidgut 2 beim Piercen nicht zerstört wird.
-
Beim Umschalten vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus wird von der Steuerungselektronik 10 zunächst das Schaltventil 16 geschlossen. Der erste Arbeitsdruck wird somit im Pulsationsdämpfer 15 gespeichert. Anschließend wird die Druckerzeugungseinheit 3 von der Steuerungselektronik 10 derart herunter geregelt, dass nicht mehr der erste Arbeitsdruck, sondern stattdessen der niedrigere zweite Arbeitsdruck in der Fluidleitung 4 bereitgestellt wird. Durch das vorherige Abkoppeln des Pulsationsdämpfers 15 sinkt der Druck der Fluidleitung 4 vergleichsweise schnell auf den zweiten Arbeitsdruck ab, da nicht auch ein Absinken des Druckes im Pulsationsdämpfer 15 abgewartet werden muss bzw. der Druck im Pulsationsdämpfer 15 dem Absinken des Druckes zunächst entgegenwirkt und das Volumen der Fluidleitung 4 im Vergleich zum Volumen des Pulsationsdämpfers 15 vergleichsweise klein ist. Bei der beispielhaften Vorrichtung 1 dauert der Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand somit weniger als eine Sekunde. Während des zweiten Betriebsmodus kann jetzt das Schneidgut 2 gepierct werden. Es steht in diesem zweiten Betriebsmodus allerdings kein Pulsationsdämpfer 15 zum Dämpfen von Druckschwankungen zur Verfügung. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieser Umstand für den Piercing-Vorgang unkritisch ist.
-
Falls ein noch schnellerer Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand gewünscht wird, kann optional das als Entspannungsventil fungierende Notventil (nicht dargestellt), welches ohnehin in jedem Hochdruckkreislauf gesetzlich vorgeschrieben ist, kurzzeitig durch die Steuerungselektronik 10 geöffnet werden (erst nachdem das Schaltventil 16 geschlossen ist), um das Absinken des Druckes in der Fluidleitung 4 zu beschleunigen.
-
Wenn der Piercing-Vorgang nun ausgeführt ist und von der im Piercing-Vorgang erzeugten Anfangsöffnung ausgehend das Schneidgut 2 geschnitten werden soll, wird vom zweiten Betriebsmodus zurück in den ersten Betriebsmodus gewechselt. Hierbei wird zunächst die Druckerzeugungseinheit 3 von der Steuerungselektronik 10 derart angesteuert, dass sich der Druck in der Fluidleitung 4 vom zweiten Arbeitsdruck auf den ersten Arbeitsdruck erhöht. Anschließend wird das Schaltventil 16 geöffnet. Dieser Umschaltvorgang verläuft deutlich schneller als beim Stand der Technik, da der erhöhte erste Arbeitsdruck im Pulsationsdämpfer 15 bereits vorliegt und nicht erst durch die Druckerzeugungseinheit 3 neu aufgebaut werden muss. Das Schneidgut 2 kann nun geschnitten werden und Druckschwankungen in der Fluidleitung 4 werden wieder in gewohnter Weise von dem Pulsationsdämpfer 15 gedämpft.
-
Bei der vorstehend beschriebenen Beschaltung des Schaltventils 16 wird das Schaltventil 16 immer nur dann beschaltet, wenn auf beiden Seiten des Schaltventils 16 nahezu der erste Arbeitsdruck vorherrscht. In vorteilhafter Weise unterliegt das Schaltventil 16 somit nur einem vergleichsweise geringen Verschleiß. Zudem ist der Pulsationsdämpfer 15 von großen Druckschwankungen zwischen erstem und zweitem Arbeitsdruck ausgenommen, da im Pulsationsdämpfer 15 stets im Wesentlichen der erste Arbeitsdruck herrscht. Der Pulsationsdämpfer 15 der vorliegenden Vorrichtung 1 unterliegt demnach keinen großen Lastzyklen und weist somit eine deutlich höhere Lebensdauer auf.
-
In 2 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 und eines Verfahrens zum Schneiden eines Schneidguts 2 mit Hilfe eines Fluids gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die zweite Ausführungsform ist nahezu identisch mit der in 1 beschriebenen ersten Ausführungsform, wobei bei der zweiten Ausführungsform im Unterschied zur ersten Ausführungsform lediglich der Pulsationsdämpfer 15 mit zwei Zugangsöffnungen 17 versehen ist und dementsprechend über zwei Schaltventile, ein Schaltventil 16 und ein weiteres Schaltventil 16‘, mit der Fluidleitung 4 koppelbar ist. Im ersten Betriebszustand sind beide Schaltventile 16, 16‘ geöffnet, während im zweiten Betriebszustand beide Schaltventile 16, 16‘ geschlossen sind. Wenn beide Schaltventile 16, 16‘ geschlossen sind, fungiert die Fluidleitung 4 als Bypass zum Pulsationsdämpfer 15. Der einzige Unterschied zur Funktionsweise der in 1 illustrierten Vorrichtung 1 müssen bei der in 2 illustrierten Vorrichtung 1 stets beide Schaltventile 16, 16‘ von der Steuerungselektronik 10 gesteuert werden.
-
In 3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 und eines Verfahrens zum Schneiden eines Schneidguts 2 mit Hilfe eines Fluids gemäß einer beispielhaften dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die dritte Ausführungsform ist wiederum nahezu identisch mit der in 1 beschriebenen ersten Ausführungsform, wobei bei der dritten Ausführungsform im Unterschied zur ersten Ausführungsform zusätzlich ein separater weiterer Pulsationsdämpfer 15‘ vorgesehen, welcher über ein separates weiteres Schaltventil 16‘ an die Fluidleitung 4 ankoppelbar oder von der Fluidleitung 4 abkoppelbar ist. Die in 3 illustrierte Vorrichtung 1 arbeitet exakt wie die in 1 illustrierte Vorrichtung 1, wobei ausschließlich im zweiten Betriebsmodus der weitere Pulsationsdämpfer 15‘ mittels des weiteren Schaltventils 16‘ der Fluidleitung 4 zugeschaltet wird, sobald in der Fluidleitung der niedrigere zweite Arbeitsdruck herrscht, andernfalls (insbesondere im ersten Betriebsmodus) ist das weitere Schaltventil 16‘ geschlossen. Im weiteren Pulsationsdämpfer 15‘ herrscht somit ebenfalls stets der zweite Arbeitsdruck, so einerseits ein schnelles Umschalten zwischen erstem und zweiten Betriebsmodus sichergestellt ist und andererseits auch im zweiten Betriebsmodus ein Dämpfen von Druckpulsationen in der Fluidleitung 4 mittels des weiteren Pulsationsdämpfers 15‘ gedämpft werden. Bevor vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus gewechselt wird, wird von der Steuerungselektronik 10 das weitere Schaltventil 16‘ wieder geschlossen. Auch das weitere Schaltventil 16‘ unterliegt somit nur einem geringen Verschleiss.
