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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidstrahls, wie sie beispielsweise Verwendung findet, um Werkstoffe zu zerschneiden oder deren Oberfläche zu bearbeiten.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist seit längerer Zeit bekannt, mittels eines Hochdruckfluidstrahls insbesondere eines Hochdruckwasserstrahls, Werkstoffe zu zerschneiden oder auch zu entschichten. Dazu wird mittels einer Hochdruckpumpe ein Fluid, insbesondere Wasser, stark verdichtet auf einen Druck von bis zu mehreren tausend bar (einige hundert MPa) und dann einer Düse zugeführt, durch die ein konzentrierter Fluid- bzw. Wasserstrahl erzeugt wird. Dieser Fluidstrahl ist bei genügend hohem Druck und entsprechend konzentriertem Strahl in der Lage, auch sehr harte Werkstoffe wie beispielsweise Beton, Keramik oder Metalle (z.B. Stahl) zu zerteilen, wobei ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens darin besteht, dass der Fluidstrahl keine thermische Schädigung abseits der Schneidkerbe im Werkstück erzeugt. Damit lassen sich auch wärmeempfindliche und spröde Werkstoffe - wie beispielsweise Glas oder Kohlefaserverbund-Werkstoffe - zerteilen, die sich nur schwer mit anderen Methoden schneiden lassen.
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Bei den bekannten Hochdruckvorrichtungen tritt ein kontinuierlicher Fluidstrahl aus der Düse aus. Dieser fordert einen hohen Energieeinsatz, da ständig Fluid unter hohem Druck nachgeführt werden muss. Um den Energiebedarf zu verringern, ist aus der
DE 10 2013 201 797 A1 bekannt, statt eines kontinuierlichen Fluidstrahls einen gepulsten Fluidstrahl zu erzeugen. Dazu wird ein Injektor verwendet, der eine bewegliche Düsennadel aufweist, die mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen der Düsenöffnung zusammenwirkt. Mittels eines elektromechanischen Aktuators, insbesondere eines Elektromagneten, lässt sich die Düsennadel in ihrer Längsrichtung bewegen und damit periodisch die Eindüsöffnung öffnen und schließen. Der gepulste Fluidstrahl benötigt deutlich weniger hochverdichtetes Fluid, was den Energiebedarf der Vorrichtung deutlich senkt. Der Injektor, mit dem das gepulste Fluidstrahlschneiden ermöglicht wird, ist als Kraftstoffinjektor aus dem Bereich der Dieseleinspritztechnik bereits bekannt und lässt sich mit nur geringen Modifikationen für das Fluidstrahlschneiden verwenden.
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Die Verwendung eines Injektors zur Erzeugung einer gepulsten Fluidstrahls erfordert jedoch relativ viel Bauraum, da der Injektor mit dem elektromagnetischen Ventil in einer Baueinheit zusammengefasst ist und einen entsprechenden Freiraum in der Vorrichtung benötigt. Darüber hinaus wird der Injektor im Falle einer Fehlfunktion oder bei entsprechendem Verschleiß komplett getauscht, da der Austausch einzelner Teile des Injektors zu aufwendig wäre und zu einem langen Stillstand der Schneidvorrichtung führen würde.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidstrahls weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass weniger Bauraum benötigt wird und darüber hinaus mehr Freiheiten bei der Konstruktion der Vorrichtung gegeben sind. Dazu weist die Vorrichtung eine Hochdruckpumpe auf, die ein verdichtetes Fluid zur Verfügung stellt, welches über eine Hochdruckleitung einer Düse zuführbar ist. Die Düse weist eine Düsenöffnung auf, durch die das verdichtete Fluid austreten kann und dabei einen Hochdruckfluidstrahl bildet. In der Hochdruckleitung ist eine Unterbrechereinheit angeordnet, die den Fluidstrahl zur Düse abwechselnd unterbrechen und freigeben kann. Dabei sind die Unterbrechereinheit und die Düse baulich getrennt ausgebildet.
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Durch die Aufteilung der Unterbrechereinheit und der Düse in zwei getrennten Baugruppen ist es möglich, die Unterbrechereinheit räumlich getrennt von der Düse anzuordnen. Dadurch braucht beispielsweise nur die Düse mittels einer entsprechenden Vorrichtung gegenüber dem Werkstück bewegt werden, während die Unterbrechereinheit zusammen mit allen anderen Komponenten, die den Fluidhochdruck erzeugen, ortsfest verbleiben können. Da die Düse selbst nur wenig Bauraum benötigt, ergeben sich so mehr Freiheiten bei der Konstruktion der Vorrichtung zur Erzeugung des Fluidstrahls. Damit ist es auch möglich, ohne großen Aufwand nur die Düse zu tauschen, die beim Hochdruckfluidstrahlschneiden besonderem Verschleiß ausgesetzt ist, während die übrigen Komponenten des Fluidstrahlschneidsystems, die ebenfalls mit dem Hochdruckfluid in Berührung kommen, weiter betrieben werden können, womit der Ersatzteilbedarf minimiert und damit die Kosten gesenkt werden können.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der Hochdruckpumpe und der Unterbrechereinheit ein Hochdruckspeicher angeordnet, in dem verdichtetes Fluid vorgehalten wird, wobei die Düse mit dem Hochdruckspeicher über die Unterbrechereinheit verbindbar ist. Durch die Zwischenspeicherung des Hochdruckfluids zwischen der Hochdruckpumpe und der Düse können Druckschwankungen innerhalb des Hochdrucksystems ausgeglichen werden, was eine kontinuierliche Versorgung der Düse mit Hochdruckfluid unter gleichbleibendem Druck erleichtert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Unterbrechereinheit als elektromechanisches Ventil ausgebildet. Insbesondere kann dabei das elektromechanische Ventil als elektromagnetisches Ventil oder piezoelektrisches Ventil ausgebildet sein. Diese bewährten elektromechanischen Ventile lassen sich in vorteilhafter Weise einsetzen, um präzise den Fluidstrahl periodisch zu unterbrechen, so dass eine optimale Schneidleistung erreichbar ist.
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Weiter kann es in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Unterbrechereinheit eine Druckverstärkereinheit umfasst. Dadurch kann das der Unterbrechereinheit zugeführte Fluid, das bereits verdichtet ist, weiter auf einen höheren Druck gebracht werden, mit dem das Fluid der Düse zugeführt wird. Dabei wird die Druckverstärkereinheit bevorzugt durch ein 3/2-Ventil mit Fluid versorgt, das als elektromechanisches Ventil ausgestaltet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Düse mit einem beweglichen Düsenelement ausgestattet, das mit einem Düsensitz zum Öffnen und Schließen der Düsenöffnung zusammenwirkt. Durch das Düsenelement ist es möglich, die Düsenöffnung der Düse, aus der der Hochdruckfluidstrahl austritt, nahe der Düsenöffnung zu verschließen, so dass es zu keinem Nachtropfen des Hochdruckfluids kommt, wenn die Unterbrechereinheit die Zufuhr von Fluid zu Düse unterbrochen hat. Dabei ist das Düsenelement in vorteilhafter Weise gegen den Düsensitz vorgespannt, insbesondere durch eine Vorspannfeder, wobei das Düsenelement in vorteilhafter Weise durch den Druck des in der Düse zugeführten Fluids entgegen der Vorspannkraft bewegbar ist. Damit wird das Düsenelement dann, wenn durch die Unterbrechereinheit der Fluidstrahl in Richtung Düse freigegeben ist, entgegen der Vorspannkraft bewegt und gibt die Düsenöffnung frei. Wird die Zufuhr von Hochdruckfluid zur Düse wieder durch die Unterbrechereinheit unterbrochen, so schließt das Düsenelement angetrieben durch die Vorspannkraft die Düsenöffnung, so dass es nicht durch den langsamen Druckabfall des Fluids zwischen der Unterbrechereinheit und der Düse zu einem langen Nachlaufen des Fluids aus der Düsenöffnung kommt.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt. Es zeigt
- 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidstrahls,
- 2 einen Teil der in 1 dargestellten Vorrichtung mit detaillierterer Darstellung der Düse und der Unterbrechereinheit ebenfalls in schematischer Darstellung,
- 3 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei hier die Unterbrechereinheit eine Druckverstärkereinheit umfasst,
- 4 in schematischer Blockdarstellung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidstrahls, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist,
- 5 als Blockschaltbild die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie auch in 1 oder 2 dargestellt ist,
- 6 eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockschaltbild und
- 7 eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockschaltbild mit einer Druckverstärkereinheit.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Fluidstrahls schematisch dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Fluidtank 1, in dem das Fluid vorgehalten wird, das zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls Verwendung findet. Das Fluid wird über eine Leitung 2 einer Hochdruckpumpe 3 zugeführt, von wo das nunmehr verdichtete Fluid über eine Hochdruckleitung 5a einem Hochdruckspeicher 7 zugeführt wird. Im Hochdruckspeicher 7 wird eine gewisse Menge des verdichteten Hochdruckfluids vorgehalten und gelangt von dort über einen weiteren Teil der Hochdruckleitung 5b über eine Unterbrechereinheit 10 und über einen weiteren Teil 5c der Hochdruckleitung 5 zu einer Düse 30. Die Düse 30 weist eine Düsenöffnung 39 auf, durch die ein Hochdruckfluidstrahl 40 aus der Düse 30 austritt, wenn der Hochdruckspeicher 7 mit der Düse 30 verbunden ist und die Unterbrechereinheit 10 die Hochdruckleitung 5 freigibt. Der aus der Düse 30 austretende Hochdruckfluidstrahl 40 ist geeignet, ein Werkstück 50 zu zerteilen, indem entweder die Düse oder das Werkstück 50 relativ zum Hochdruckfluidstrahl bewegt wird. Damit lassen sich insbesondere spröde Werkstoffe, wie Keramiken, Beton, Glas oder Metall, zerschneiden, wobei auch eine Entschichtung von Werkstücken möglich ist, wenn der Hochdruckfluidstrahl entsprechend dosiert und in einem geeigneten Winkel auf das Werkstück 50 trifft.
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In 2 ist eine Unterbrechereinheit 10 und eine Düse 30 als Teil der Vorrichtung, die bereits in 1 gezeigt ist, im Längsschnitt schematisch dargestellt. Die Unterbrechereinheit 10 ist hier als elektromechanisches, hier speziell als elektromagnetisches Ventil ausgebildet. Das elektromagnetische Ventil 10 weist dazu ein Ventilgehäuse 11 auf, in dem ein Hochdruckraum 12 ausgebildet ist. Im Ventilgehäuse 11 ist eine Einlassöffnung 14 ausgebildet, in die die Hochdruckleitung 5b mündet, so dass verdichtetes Fluid aus dem Hochdruckspeicher 7 über die Hochdruckleitung 5b zur Unterbrechereinheit 10 strömen kann. Zum Öffnen und Schließen der Eintrittsöffnung 14 dient die Dichtkugel 16, die an einem Ventilsitz 13 zur Anlage kommt und dabei die Einlassöffnung 14 verschließt. Die Dichtkugel 16 ist fest mit einem Magnetanker 18 verbunden, der durch eine Ventilfeder 20 gegen den Ventilsitz 13 gedrückt wird. Soll die Einlassöffnung 14 freigegeben werden, damit verdichtetes Fluid über die Hochdruckleitung 5b in den Hochdruckraum 12 strömen kann, so wird ein Elektromagnet 19 bestromt, der eine Kraft auf den Magnetanker 18 ausübt und diesen so entgegen der Kraft der Ventilfeder 20 bewegt, wobei die Dichtkugel 16 vom Ventilsitz 13 weggezogen wird. Dadurch wird die Einlassöffnung 14 geöffnet und verdichtetes Fluid strömt in den Hochdruckraum 12 und von dort weiter über eine Auslassöffnung 15 im Ventilgehäuse 11. Soll die Einlassöffnung 14 wieder verschlossen werden, so wird die Bestromung des Elektromagneten 19 unterbrochen und die Ventilfeder 20 drückt den Magnetanker 18 zurück in seine Schließstellung, und die Dichtkugel 16 verschließt die Einlassöffnung 14 erneut.
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Die Auslassöffnung 15 im Ventilgehäuse 11 ist mit einem weiteren Abschnitt der Hochdruckleitung 5c verbunden, die die Unterbrechereinheit 10 mit der Düse 30 verbindet. Die Düse 30 weist dabei einen Düsenkörper 31 auf, der im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet ist und in dem ein Druckraum 32 ausgebildet ist. Im Druckraum 32 ist ein Düsenelement 34 längsverschiebbar angeordnet, wobei das Düsenelement 34 eine Dichtfläche 35 an seinem einer Auslassöffnung 39 zugewandten Ende aufweist, mit der die Düsennadel 34 mit einem Düsensitz 38 zum Öffnen und Schließen der Düsenöffnung 39 zusammenwirkt. Die Düsennadel 34 wird von einer Vorspannfeder 37 mit einer Schließkraft in Richtung auf den Düsensitz 38 beaufschlagt, wobei die Vorspannfeder 37 der Düsenöffnung 39 abgewandt im Düsenkörper 31 angeordnet ist, wobei der Bereich, in dem sich die Vorspannfeder 37 befindet, durch einen nicht gezeigten Rücklauf auf einem niedrigeren Druck gehalten wird als im Druckraum 32.
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Das Ventilelement 34 weist zwei Abschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser auf, so dass am Übergang des kleineren zum größeren Abschnitt eine Druckschulter 36 ausgebildet ist, die vom Druck im Druckraum 32 beaufschlagt wird. Dadurch wird auf die Druckschulter 36 eine hydraulische Kraft ausgeübt, die in Längsrichtung des Ventilelements 34 wirkt und der Kraft der Vorspannfeder 37 entgegen gerichtet ist.
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Soll ein Hochruckfluidstrahl aus der Düse 30 austreten, so wird die Unterbrechereinheit 10 bestromt, so dass sich der Magnetanker 18 entgegen der Kraft der Ventilfeder 20 bewegt und die Dichtkugel 16 die Einlassöffnung 14 freigibt. Dadurch strömt verdichtetes Fluid aus dem Hochdruckraum 12 der Unterbrechereinheit 10 über die Hochdruckleitung 5c zur Düse 30 und dort in den Druckraum 32. Übersteigt der Druck im Druckraum 32 einen bestimmten Schwellwert, so wird das Düsenelement 34 durch die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 36 entgegen der Kraft der Vorspannfeder 37 in Längsrichtung bewegt und gibt damit die Düsenöffnung 39 frei. Daraufhin strömt verdichtetes Fluid aus dem Druckraum 32 zur Düsenöffnung 39 und tritt von dort in Form eines Hochdruckfluidstrahls 40 aus. Trifft der Hochdruckfluidstrahl 40 auf ein Werkstück 50, so zerteilt der Hochdruckfluidstrahl 40 das Werkstück 50. Durch eine geeignete Bewegung entweder der Düse oder des Werkstücks 50 lässt sich eine beliebige Schnittlinie im Werkstücks 50 erzeugen.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Unterbrechereinheit 10' umfasst hier ein 3/2-Ventil 21 und eine Druckverstärkereinheit 22, die es erlaubt, den im Hochdruckspeicher 7 vorgehaltenen Fluiddruck weiter zu verstärken. Damit können wesentlich höhere Drücke in der Düse 30 erreicht werden, als die Hochdruckpumpe 3 zur Verfügung stellt. Die Druckverstärkung in der Druckverstärkereinheit 22 erfolgt mit Hilfe eines Druckverstärkerkolbens 26, der als gestufter Kolben ausgebildet ist und der längsverschiebbar im nicht näher gezeigten Gehäuse geführt ist. Mit seiner größeren Stirnfläche begrenzt der Druckverstärkerkolben 26 eine Druckkammer 23, die über das 3/2-Ventil 21 entweder mit der Hochdruckleitung 5b verbunden oder in der anderen Schaltstellung des 3/2-Ventils 21 über eine Niederdruckleitung 24, die in den Tank 1 mündet, entlastet werden kann.
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Wird die Druckkammer 23 mit Fluiddruck über die von der Hochdruckleitung 5b abführenden Zweigleitung 5b" befüllt, so bewegt sich der Druckverstärkerkolben 26 in Richtung eines Verdichtungsraums 28, der von der im Durchmesser kleineren Stirnfläche des Druckverstärkerkolbens 26 begrenzt wird. Der Verdichtungsraum 28 ist über eine weitere Zweigleitung 5b', die von der Hochdruckleitung 5b abführt, bereits mit Fluid befüllt, welches durch die Bewegung des Druckverstärkerkolbens 26 weiter verdichtet wird und schließlich in Richtung der Düse 30 fließt. Durch ein in der Zweigleitung 5b' angeordnetes Rückschlagventil 25 wird dabei verhindert, dass das Fluid wieder in Richtung des Hochdruckspeichers 7 zurückfließt. Wird das 3/2-Ventil 21 in die zweite Schaltstellung bewegt, so wird die Druckkammer 23 über die Niederdruckleitung 24 entlastet und der Druckverstärkerkolben 26 bewegt sich durch die Rückstellfeder 27 wieder zurück in seine Ausgangsstellung. Der Verdichtungsraum 28 befüllt sich erneut mit Fluid über die Hochdruckleitung 5b', bis der Ausgangszugstand wieder hergestellt ist. Der so erreichbare Fluiddruck in der Düse 30 ist letztlich durch das Flächenverhältnis der beiden Stirnflächen des Druckverstärkerkolbens 26 bestimmt, so dass auf diese Weise eine erhebliche Drucksteigerung gegenüber dem Fluiddruck erreichbar ist, der durch die Hochdruckpumpe 3 erzeugt wird.
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Zur Illustration des Unterschieds zum Stand der Technik zeigt 4 nochmals die bereits bekannte Vorrichtung zum Fluidstrahlschneiden als Blockschaltbild. Es ist die Hochdruckpumpe 3, der Hochdruckspeicher 7 und die Unterbrechereinheit 10 und die Düse 30 dargestellt, wobei die Unterbrechereinheit 10 und die Düse 30 in einem gemeinsamen Gehäuse 42 untergebracht sind. Dieser Aufbau entspricht der Verwendung eines Kraftstoffinjektors zum Fluidstrahlschneiden, bei der der elektromagnetische Aktuator bzw. der piezoelektrische Aktuator zusammen mit der Düse in einer Braugruppe zusammengefasst sind.
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In 5 ist als Blockschaltbild die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, wobei hier die Unterbrechereinheit 10 und die Düse 30 als getrennte Bauteile ausgebildet sind, die über die Hochdruckleitung 5c miteinander verbunden sind. Hierbei muss die Hochdruckleitung 5c zwischen der Unterbrechereinheit 10 und der Düse 30 nicht kurz ausgebildet sein, wie es 4 möglicherweise nahelegt, sondern die Bauteile können auch räumlich weit voneinander entfernt sein.
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In 6 ist als weiteres Ausführungsbeispiel in einem Blockschaltbild eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Hierbei sind ebenfalls die Unterbrechereinheit 10 und die Düse 30 baulich getrennt, jedoch ist die Unterbrechereinheit 10 hier in einem gemeinsamen Gehäuse 45 zusammen mit dem Hochdruckspeicher 7 und der Hochdruckpumpe 3 angeordnet. Damit lassen sich diese drei Bauelemente in einer kompakten Baugruppe zusammenfassen, die an anderer Stelle angeordnet sein kann als die Düse 30 und durch eine mehr oder weniger lange Hochdruckleitung 5c mit der Düse 30 verbunden ist.
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In 7 ist das Ausführungsbespiel mit einem Druckverstärker in Form eines Blockschaltbilds schematisch dargestellt. Die Unterbrechereinheit 10' und die Düse 30 sind auch hier baulich getrennt, wobei die Unterbrechereinheit 10' heben einem Ventil, hier als 3/2-Ventil 21 ausgebildet, auch die Druckverstärkereinheit umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013201797 A1 [0003]
