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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche, insbesondere mit einem Strahl umfassend eine Vielzahl von Partikeln.
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In vielen Situationen muss eine Oberfläche einer mechanischen Reinigung unterzogen werden. So kann es beispielsweise bei der Herstellung von Drähten zur Sicherung der Produktqualität nötig sein, das fertiggestellte Produkt zu reinigen. In dazu bekannten Lösungen werden verschiedenste chemische und/oder mechanische Reinigungsverfahren angewendet. Beispielsweise kommen in Betracht: Schleifen, Bürsten, Ultraschallbeaufschlagung oder Heißdampfbehandlung. Insbesondere ist es auch bekannt, Oberflächen mit einem Strahl aus Kohlendioxid-Partikeln zu behandeln.
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Auch bei der Herstellung von Kunststoffprodukten werden diese Verfahren zum Entgraten einer Oberfläche der hergestellten Kunststoffprodukte genutzt.
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Um bei den beschriebenen Anwendungen das jeweils gewünschte Ergebnis zu erzielen, wird regelmäßig eine Kombination mehrerer der genannten Verfahren angewendet. Allerdings sind die Ergebnisse dennoch oft unzureichend, nicht reproduzierbar und die Verfahren zu langwierig, sodass diese einen limitierenden Faktor für die Produktqualität und auch die Produktionsgeschwindigkeit darstellen.
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In bekannten Verfahren, bei denen Kohlendioxid-Partikel verwendet werden, kommt es insbesondere dazu, dass die Partikelgröße nicht konstant und nicht kontrollierbar ist, so dass ein gleichmäßiger Partikelstrom nicht erreicht werden kann.
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Insbesondere kann es zu einem Pulsieren des Partikelstroms kommen. Eine gleichmäßige Reinigung beziehungsweise Entgratung insbesondere mit einem reproduzierbaren Ergebnis ist nicht ohne weiteres möglich. Regelmäßig muss das Verfahren zumindest für einzelne Bereiche einer zu behandelnden Oberfläche mehrfach wiederholt werden. Auch sind Situationen bekannt, in denen die kinetische Energie der Kohlendioxid-Partikel nicht ausreichend ist. In dem Fall wäre eine größere Partikelgröße wünschenswert. Dies wird zwar im Stand der Technik versucht zu realisieren, jedoch haben bekannte Lösungen mit besonders großen Partikeln den Nachteil, dass die Partikelgröße stark variieren kann. Außerdem sind bekannte Lösungen mit besonders großen Partikeln oft störanfällig, insbesondere bei einer automatisierten Ausführung.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zumindest teilweise zu überwinden. Es soll insbesondere eine Anordnung zur Behandlung einer Oberfläche vorgestellt werden, mit der eine besonders gleichmäßige, besonders effektive und besonders zeitsparende Behandlung der Oberfläche möglich ist. Auch soll ein entsprechendes Verfahren vorgestellt werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Anordnung und einem Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung und des Verfahrens sind in den jeweils abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zum Behandeln einer Oberfläche mit einem Strahl umfassend eine Vielzahl von Partikeln vorgestellt. Die Anordnung umfasst zumindest:
- - eine äußerer Düse, und
- - wenigstens zwei davon umschlossene innere Düseneinheiten, die dazu eingerichtet sind, jeweils einen mit einer Vielzahl von Partikeln vermischten Treibgasstrom in die äußere Düse einzubringen,
wobei die äußere Düse dazu eingerichtet ist, die Treibgasströme der inneren Düseneinheiten zu einem Gesamttreibgasstrom zu vereinen.
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Die beschriebene Anordnung findet beispielsweise insbesondere Einsatz in der Herstellung von Draht und von Kunststoffprodukten, ist jedoch auch in anderen Anwendungen einsetzbar, insbesondere grundsätzlich beim Kohlendioxid-Strahlen. Mit der beschriebenen Anordnung kann beispielsweise eine Reinigung der Oberfläche eines hergestellten Drahts oder eines hergestellten Kunststoffproduktes durchgeführt werden. Auch kann die Oberfläche eines hergestellten Drahts oder Kunststoffprodukts entgratet werden. Entgraten bedeutet, dass überschüssiges Material von der Oberfläche entfernt wird. Das überschüssige Material kann sich insbesondere als Grate an solchen Stellen bilden, an denen Teile einer Gussform zusammengesetzt sind und/oder an denen ein Einlass für Gussmaterial in die Gussform vorgesehen ist.
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Die Partikel sind bevorzugt aus einer Substanz gebildet, die bei Raumtemperatur flüssig oder gasförmig ist. Insbesondere dann, wenn die Substanz bei Raumtemperatur gasförmig ist, kann die Behandlung einer Oberfläche durchgeführt werden, ohne dass Rückstände der Substanz auf der Oberfläche verbleiben. Bevorzugt handelt es sich bei der Substanz um Kohlendioxid. Die Partikel können insbesondere in Form von Schnee, wie zum Beispiel Kohlendioxid-Schnee, vorliegen.
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Die Anordnung und insbesondere die Bestandteile der Anordnung, die mit der Substanz und/oder mit den Partikeln in Kontakt kommen können, sind vorzugsweise mit einem Material gebildet, das dabei zu erwartenden tiefen Temperaturen standhalten kann. Bei festem Kohlendioxid kann die Temperatur beispielsweise bei etwa - 80°C liegen. Insbesondere Stahl, bevorzugt Edelstahl ist als Material für die Anordnung bevorzugt.
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Um den Strahl umfassend die Vielzahl der Partikel zu erzeugen, wird zunächst in jeder der inneren Düseneinheiten der Treibgasstrom bereitgestellt. Dies kann beispielsweise durch einen Kompressor erfolgen. Der Treibgasstrom ist vorzugsweise ein Druckluftstrom. Es kann aber auch ein anderes Gas als Luft zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel Stickstoff oder Kohlendioxid.
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Der Treibgasstrom kann beispielsweise mit den Partikeln dadurch vermischt werden, dass die Partikel aus einem festen Ausgangsmaterial gebildet werden und in den Treibgasstrom eingebracht werden oder dadurch, dass ein flüssiges Ausgangsmaterial in die innere Düseneinheit eingespritzt wird, wodurch sich insbesondere ein Schnee aus dem flüssigen Ausgangsmaterial bilden kann.
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Nachdem in jeder der inneren Düseneinheiten ein jeweiliger Treibgasstrom mit Partikeln vermischt wurde, werden alle Treibgasströme bevorzugt zu dem Gesamttreibgasstrom vereint. Der Gesamttreibgasstrom wird bevorzugt gebildet, indem in der äußeren Düse die einzelnen Treibgasströme der inneren Düseneinheiten durch Verwirbelung vermischt werden. Dabei ist bevorzugt, dass der Gesamttreibgasstrom ein einheitlicher Gasstrom ist. Das bedeutet insbesondere, dass der Gesamttreibgasstrom nicht an den Stellen der einzelnen Treibgasströme beziehungsweise an den Stellen der einzelnen inneren Düseneinheiten stärker und an Stellen zwischen den einzelnen Treibgasströmen beziehungsweise zwischen den einzelnen inneren Düseneinheiten schwächer ausgeprägt ist. Dadurch kann der Gesamttreibgasstrom eine gleichmäßige Behandlung der Oberfläche ermöglichen.
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Bevorzugt ist eine Mehrzahl von inneren Düseneinheiten linear angeordnet. Damit kann ein länglicher, breiter Gesamttreibgasstrom erzeugt werden. Ein solcher kann insbesondere bei der Behandlung von großen Oberflächen vorteilhaft sein. Insbesondere kann mit einem derart verbreiterten Gesamttreibgasstrom die benötigte Zeit zum Behandeln einer Oberfläche erheblich reduziert werden. Bevorzugt sind Abstände zwischen benachbarten inneren Düseneinheiten für alle inneren Düseneinheiten gleich groß.
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Alternativ ist bevorzugt, dass eine Mehrzahl der inneren Düseneinheiten kreisförmig angeordnet ist. Dabei können die inneren Düseneinheiten auf einem Kreis angeordnet sein oder auch auf mehreren, insbesondere konzentrisch angeordneten Kreisen. Durch eine kreisförmige Anordnung der inneren Düseneinheiten kann ein Gesamttreibgasstrom mit besonders großem Durchmesser erreicht werden. Bevorzugt sind radiale Abstände zwischen benachbarten inneren Düseneinheiten für alle inneren Düseneinheiten, die auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind, gleich groß.
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Bevorzugt sind die inneren Düseneinheiten derart angeordnet, dass die jeweils erzeugten Treibgasströme parallel verlaufen. Außerdem ist bevorzugt, dass alle inneren Düseneinheiten gleich ausgeführt sind. Weiterhin ist bevorzugt, dass jede innere Düseneinheit einen Auslass für den jeweiligen Treibgasstrom aufweist, wobei die Auslässe aller inneren Düseneinheiten in einer Ebene liegen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist die äußere Düse als eine äußere Lavaldüse ausgeführt.
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Eine Lavaldüse ist in besonderem Maße dazu geeignet, die einzelnen inneren Treibgasströme gleichmäßig zu vereinen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung weist die äußere Düse wenigstens teilweise einen ovalen Querschnitt auf.
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Insbesondere in einem Austrittsbereich der äußeren Düse ist der Querschnitt der äußeren Düse bevorzugt oval. Durch einen ovalen Querschnitt der äußeren Düse kann ein länglicher Gesamttreibgasstrom erzeugt werden. Im dem ovalen Querschnitt ist es vorteilhafter Weise einfach möglich, zwei oder mehr innere Düseneinheiten mit kreisförmigem Querschnitt linear nebeneinander innerhalb der äußeren Düse anzuordnen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung umfasst wenigstens eine der inneren Düseneinheiten zumindest eine innere Lavaldüse.
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Durch die innere Lavaldüse kann der Treibgasstrom der jeweiligen inneren Düseneinheit besonders gleichmäßig mit den Partikeln vermischt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung umfasst wenigstens eine der inneren Düseneinheiten zumindest eine Mischkammer und eine innere Düse.
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Die Mischkammer ist bevorzugt dazu eingerichtet, den Treibgasstrom mit der Vielzahl der Partikel zu vermischen. Dies ist derart zu verstehen, dass die Mischkammer so ausgeführt und mit dem Partikelerzeuger verbunden ist, dass der Treibgasstrom nach Durchlaufen der Mischkammer die Vielzahl der Partikel umfasst. Der derart mit der Vielzahl der Partikel vermischte Treibgasstrom kann durch die innere Düse aus der jeweiligen inneren Düseneinheit ausgelassen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung weist ein Einlass in die Mischkammer eine Einlassquerschnittsfläche auf, die sich von einer Düsenquerschnittsfläche der inneren Düse unterscheidet.
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Es ist bevorzugt, dass mindestens eine der inneren Düseneinheiten und insbesondere alle inneren Düseneinheiten jeweils zumindest umfasst beziehungsweise umfassen:
- - eine Mischkammer mit einem Einlass für einen Treibgasstrom, wobei die Mischkammer dazu eingerichtet ist, den Treibgasstrom mit der Vielzahl der Partikel zu vermischen, und
- - eine innere Düse, die an die Mischkammer anschließt und strömungstechnisch mit dieser verbunden ist und die einen Auslass für den Treibgasstrom aufweist, wobei sich eine Düsenquerschnittsfläche der inneren Düse von der Mischkammer ausgehend zunächst bis zu einer minimalen Düsenquerschnittsfläche verkleinert und sich anschließend wieder vergrößert,
wobei der Einlass eine Einlassquerschnittsfläche aufweist, und wobei ein Flächenquotient zwischen der minimalen Düsenquerschnittsfläche und der Einlassquerschnittsfläche im Bereich von 15 bis 300, bevorzugt im Bereich von 25 bis 225, liegt.
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Durch Versuche hat sich überraschend gezeigt, dass das Verhältnis zwischen der Einlassquerschnittsfläche und der minimalen Düsenquerschnittsfläche, insbesondere des Flächenquotienten, einen besonders großen Einfluss auf die Durchmischung des Treibgasstroms mit den Partikeln hat. Es wurde festgestellt, dass der Einfluss des Flächenquotienten insbesondere erheblich größer ist als der Einfluss einzelner üblicherweise variierter Parameter.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung umfasst wenigstens eine der inneren Düseneinheiten zumindest einen Partikelerzeuger.
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Es ist bevorzugt, dass mindestens eine der inneren Düseneinheiten und insbesondere alle inneren Düseneinheiten jeweils zumindest umfasst beziehungsweise umfassen:
- - eine Mischkammer zum Vermischen eines Treibgasstroms mit der Vielzahl der Partikel,
- - einen Partikelerzeuger, der dazu eingerichtet ist, die Vielzahl der Partikel zu erzeugen und in festem Zustand in die Mischkammer einzubringen, wobei der Partikelerzeuger zumindest eine Siebplatte aufweist, und wobei durch Pressen eines festen Ausgangsmaterials durch die Siebplatte die Vielzahl der Partikel in festem Zustand gebildet werden kann,
- - eine Treibgasleitung mit einer Treibgasdüse zum Einbringen des Treibgases in die Mischkammer, und
- - einen Auslass aus der Mischkammer für den Treibgasstrom.
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Der Partikelerzeuger ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass das feste Ausgangsmaterial über eine Förderschnecke oder über eine pneumatische oder mechanische Presse gegen die Siebplatte gepresst werden kann. Durch die Partikelerzeugung mittels des Partikelerzeugers können besonders große Partikel bereitgestellt und mit dem Treibgasstrom vermischt werden. Die Partikel können so insbesondere größer sein als solche, die zum Beispiel durch Verdüsung (Entspannung) von flüssigem Kohlendioxid gebildet werden können. Größere Partikel können größere kinetische Energie aufweisen und können daher bei der Behandlung der Oberfläche einen größeren Effekt haben. Beispielsweise kann mit großen Partikeln eine starke Verunreinigung einer Oberfläche entfernt werden. Dadurch, das die Siebplatte eine Partikelerzeugung großer Partikel gleichmäßiger Große ermöglicht, kann mit der beschriebenen Anordnung ein großer und zudem gleichmäßiger Effekt erzielt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche mit einem Strahl umfassend eine Vielzahl von Partikeln vorgestellt, wobei eine Anordnung wie beschrieben verwendet wird.
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Die weiter oben beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der Anordnung sind auf das beschriebene Verfahren anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Behandeln der Oberfläche zumindest einen der folgenden Schritte:
- - Reinigen der Oberfläche, und
- - Entgraten der Oberfläche.
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Die angegebenen Schritte können alternativ oder kumulativ durchgeführt werden, das heißt, dass eine Oberfläche nur gereinigt, nur entgratet oder sowohl gereinigt als auch entgratet werden kann.
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Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigt schematisch:
- 1: eine frontale Schnittdarstellung einer Anordnung zum Behandeln einer Oberfläche, und
- 2: eine seitliche Schnittdarstellung einer inneren Düseneinheit der Anordnung aus 1.
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1 zeigt eine frontale Schnittdarstellung einer Anordnung 1 zum Behandeln einer Oberfläche mit einem Strahl umfassend eine Vielzahl von Partikeln. Der Strahl ist in dieser Darstellung aus der Zeichenebene heraus orientiert. Die Anordnung umfasst eine als eine äußere Lavaldüse 5 ausgeführte äußere Düse 3. Die äußere Düse 3 weist einen ovalen Querschnitt auf. Außerdem umfasst die Anordnung 1 zwei von der äußeren Düse 3 umschlossene innere Düseneinheiten 4, die dazu eingerichtet sind, jeweils einen mit einer Vielzahl von Partikeln vermischten Treibgasstrom in die äußere Düse 3 einzubringen. Die äußere Düse 3 ist dazu eingerichtet, die Treibgasströme der inneren Düseneinheiten 4 zu einem Gesamttreibgasstrom zu vereinen.
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2 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines Beispiels einer inneren Düseneinheit 4 der Anordnung 1 aus 1. Der Strahl umfassend eine Vielzahl von Partikeln ist in dieser Darstellung zur rechten Seite orientiert. Die innere Düseneinheit 4 umfasst eine Mischkammer 2 mit einem Einlass 7 für einen Treibgasstrom. Die Mischkammer 2 ist dazu eingerichtet, den Treibgasstrom mit der Vielzahl der Partikel zu vermischen. Weiterhin umfasst die innere Düseneinheit 4 eine als eine innere Lavaldüse 6 ausgeführte innere Düse 8, die an die Mischkammer 2 anschließt und strömungstechnisch mit dieser verbunden ist. Eine Düsenquerschnittsfläche der inneren Lavaldüse 6 verkleinert sich von der Mischkammer 2 ausgehend zunächst bis zu einer minimalen Düsenquerschnittsfläche und vergrößert sich anschließend wieder. Der Einlass 7 weist eine Einlassquerschnittsfläche auf, wobei ein Flächenquotient zwischen der minimalen Düsenquerschnittsfläche und der Einlassquerschnittsfläche im Bereich von 15 bis 300, bevorzugt 25 bis 225 liegt. Insbesondere hinsichtlich des Flächenquotienten ist darauf hinzuweisen, dass die 2 schematische und nicht maßstabsgetreu ist.
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Weiterhin zeigt 2 einen Partikelerzeuger 9, der dazu eingerichtet ist, die Vielzahl der Partikel zu erzeugen und in festem Zustand in die Mischkammer 2 einzubringen.
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Mit der vorgestellten Anordnung und dem vorgestellten Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche kann eine besonders gleichmäßige, besonders effektive und besonders zeitsparende Behandlung der Oberfläche erreicht werden, wozu ein besonders breiter und gleichmäßiger Partikelstrahl verwendet werden kann. Dies gilt insbesondere für ein Reinigen und für ein Entgraten. Die Anordnung und das Verfahren können insbesondere bei der Herstellung von Draht oder von Kunststoffprodukten Einsatz finden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Mischkammer
- 3
- äußere Düse
- 4
- innere Düseneinheit
- 5
- äußere Lavaldüse
- 6
- innere Lavaldüse
- 7
- Einlass
- 8
- innere Düse
- 9
- Partikelerzeuger
