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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Hochdruck-Fluidstrahlschneiden, wie es Verwendung findet um Werkstoffe mittels eines Hochdruckfluidstrahls zu zerteilen oder in sonstiger Weise zu bearbeiten.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls, insbesondere eines Hochdruckwasserstrahls, sind seit längerer Zeit aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird ein Fluid, insbesondere Wasser, hochverdichtet und einer Düse zugeführt. Die Düse erzeugt einen sehr konzentrierten Hochdruckfluidstrahl, mit dem auch härteste Werkstoffe zerteilt werden können. Bei entsprechendem Druck und entsprechendem Bearbeitungswinkel lassen sich Werkstücke auch in anderer Weise bearbeiten, beispielsweise entschichten, entgraten oder glätten einer Oberfläche. Beim Zerteilen von Werkstücken wird dem Hochdruckfluidstrahl häufig ein abrasives Medium beigefügt, beispielsweise Quarzsand, so dass der Hochdruckfluidstrahl das abrasive Medium mitreißt und das Fluid zusammen mit dem abrasiven Medium auf das Werkstück trifft. Durch die abrasiven Partikel lässt sich die Schneidwirkung des Fluidstrahls erheblich steigern, so dass dickere und härtere Werkstücke zerteilt werden können. Eine solche Vorrichtung ist beispielweise aus der
DE 10 2016 220 926 A1 bekannt.
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Die Vermischung des Hochdruckfluidstrahls mit dem abrasiven Medium erfolgt nach der Düse, das heißt, der bereits aus der Düse ausgetretene Hochdruckfluidstrahl wird mit dem abrasiven Medium vermischt und trifft anschließend auf das Werkstück. Eine Vermischung des Hochdruckfluids vor dem Austritt aus der Düse führt meist zu übermäßigem Verschleiß der Düse und ist deshalb technisch in der Regel nicht sinnvoll. Für eine effektive Bearbeitung ist es dabei wichtig, dass sich das abrasive Medium mit dem Hochdruckfluidstrahl im richtigen Verhältnis mischt, so dass einerseits nicht zu viel abrasives Medium verbraucht wird und andererseits eine gute Schneidwirkung erzielt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Hochdruckfluidstrahlschneiden weist den Vorteil auf, dass eine einfache und gezielte Vermischung des abrasiven Mediums mit dem Hochdruckfluidstrahl erfolgt und damit eine gute Schneidwirkung bei minimalem Verbrauch von abrasivem Medium ermöglicht wird. Dazu weist die Vorrichtung zum Hochdruck-Fluidstrahlschneiden eine Düse auf, mit der ein Hochdruckfluidstrahl erzeugbar ist, und ein Mischrohr, das beim Betreiben der Vorrichtung vom Hochdruckfluidstrahl durchsetzt wird. Eine Zufuhrleitung mündet in das Mischrohr, wobei über die Zuführleitung ein abrasives Medium in das Mischrohr so eingebracht werden kann, dass sich das abrasive Medium mit dem Hochdruckfluidstrahl mischt. In die Zuführleitung mündet weiterhin eine Druckgasleitung, über die ein Gas oder ein Gasgemisch so in die Zuführleitung eingeleitet werden kann, dass das Druckgas das abrasive Medium in das Mischrohr bläst.
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Durch den Einsatz des Druckgases, insbesondere von Druckluft, die in die Zuführleitung eingedüst wird, kann das abrasive Medium effektiv in das Mischrohr eingebracht werden und vermischt sich aufgrund des Druckgases leicht mit dem Hochdruckfluidstrahl. Durch den Druck und die Menge des Druckgases kann die notwendige Anzahl an Partikeln mit dem Hochdruckfluidstrahl vermischt werden und trifft auf das Werkstück. Damit lassen sich gute Schneidwirkungen erzielen oder auch sonstige Bearbeitungen des Werkstücks, beispielsweise das Entfernen einer Lack- oder Farbschicht vom Werkstück.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Zuführleitung eine Dosiervorrichtung vorgesehen, mittels der das abrasive Medium dosiert zum gewünschten Zeitpunkt in die Zuführleitung eingebracht werden kann. Damit kann die Zuführung des abrasiven Mediums gezielt gesteuert werden, insbesondere zeitlich getaktet werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Dosiervorrichtung umfasst die Dosiervorrichtung eine Dosierscheibe, die wenigstens eine Durchlassöffnung aufweist und die so in der Zuführleitung angebracht ist, dass durch Drehen der Dosierscheibe das abrasive Medium zeitweise durch die wenigstens eine Durchlassöffnung hindurchtritt. Durch diese Dosierscheibe lässt sich in einfacher Weise das abrasive Medium dosieren, indem über die Größe der Öffnung und insbesondere über die Drehgeschwindigkeit der Dosierscheibe der Zeitpunkt und die Menge des abrasiven Mediums dosiert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Druckgasleitung ein Dosierventil zum Freigeben und Unterbrechen des Druckgasstroms vorgesehen. Damit lässt sich der Druckgasstrom so steuern, dass die gewünschte Menge des abrasiven Mediums zum richtigen Zeitpunkt in das Mischrohr eingeblasen wird und dort zur Verfügung steht.
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In vorteilhafter Weise ist die Düse zur Erzeugung eines gepulsten Fluidstrahls ausgebildet, was es ermöglicht, bei gleicher oder vergleichbarer Schneidwirkung mit deutlich weniger Hochdruckfluid auszukommen, wobei die Dosierung des abrasiven Mediums auf den gepulsten Fluidstrahl angepasst werden kann. Das verwendete Druckgas ist hierbei vorzugsweise Luft.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Hochdruckfluidstrahlschneiden verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
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Es wird ein Hochdruckfluidstrahl mittels der Düse erzeugt. Ein abrasives Medium wird durch die Zuführleitung dem Mischrohr zugeführt, wobei ein Gas oder Gasgemisch über eine Druckgasleitung in die Zuführleitung eingeleitet wird, so dass das abrasive Medium durch das Druckgas in das Mischrohr eingeblasen wird und sich dort mit dem Hochdruckfluidstrahl mischt. Über die Dosierung des abrasiven Mediums und über den Druck des eingeblasenen Gases lässt sich die Durchmischung des abrasiven Mediums mit dem Hochdruckfluidstrahl gezielt beeinflussen, so dass stets die gewünschte Menge an abrasivem Medium mit dem Hochdruckfluidstrahl vermischt wird.
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In vorteilhafter Weise wird das Verfahren dahingehend fortgebildet, dass das abrasive Medium mittels einer Dosiervorrichtung zeitlich getaktet in die Zufuhrleitung eingebracht wird. Entsprechend kann in vorteilhafter Weise auch das Druckgas periodisch in die Zuführleitung eingeblasen werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Hochdruckfluidstrahl nicht kontinuierlich, sondern zeitweise unterbrochen und damit gepulst ist. Damit kann das abrasive Medium genau dann in das Mischrohr eingebracht werden, wenn der gepulste Hochdruckfluidstrahl hindurchtritt, so dass der Hochdruckfluidstrahl und das abrasive Medium synchronisiert in das Mischrohr eingebracht werden. Da das abrasive Medium genau dann in das Mischrohr eingeblasen wird, wenn der Fluidstrahl hindurchtritt, wird nicht unnötig abrasives Medium verschwendet, was die Kosten senkt und die Verschmutzung des zu bearbeitenden Werkstücks reduziert.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt. Es zeigt
- 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fluidstrahlschneiden,
- 2 eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung für das abrasive Medium als Teil der in 1 gezeigten Vorrichtung,
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung, ebenfalls in schematischer Darstellung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Hochdruckfluidstrahlschneiden schematisch dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Düse 1, die einen Düsenkörper 4 umfasst, in dem ein Druckraum 2 ausgebildet ist. Im Druckraum 2 ist eine Düsennadel 3 längsverschiebbar angeordnet, die durch eine in der Zeichnung nicht dargestellten Vorrichtung in Längsrichtung verschiebbar ist und die zum Öffnen und Schließen einer Düsenöffnung 9 mit einem Düsensitz 8 zusammenwirkt. Wenn die Düsennadel 3 am Düsensitz 8 anliegt, verschließt die Düsennadel 3 die Düsenöffnung 9. Bei einer Bewegung der Düsennadel 3 in ihrer Längsrichtung vom Düsensitz 8 weg, wird die Düsenöffnung 9 geöffnet, so dass Fluid unter hohem Druck aus dem Druckraum 2 über die Düsenöffnung 9 austreten kann. Das aus der Düsenöffnung 9 austretende Hochdruckfluid bildet einen Hochdruckfluidstrahl 10, der in kurzer Entfernung von der Düse 1 auf ein Werkstück 15 trifft und dieses dadurch zerteilt. Um die gewünschte Schnittlinie zu erzeugen, wird das Werkstück während der Bearbeitung entsprechend den in der Zeichnung eingezeichneten Verfahrrichtungen 16 bewegt.
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Der Begriff Hochdruckfluidstrahl weist auf die Erzeugung des Strahl mittels Hochdruck hin; der aus der Düse austretende Strahl hat jedoch Umgebungsdruck. Die Schneidwirkung beruht einzig auf der Geschwindigkeit des Fluids relativ zum Werkstück.
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Das Hochdruckfluid wird in einem Fluidtank 7 vorgehalten und durch eine Hochdruckpumpe 6 aus dem Fluidtank 7 gefördert und verdichtet. Das verdichtete Hochdruckfluid wird über eine Hochdruckleitung 5 in den Druckraum 2 der Düse 1 geleitet. Das Hochdruckfluid ist dabei in der Regel eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, welches durch die Hochdruckpumpe auf einen Druck von beispielsweise 2000 bar (200 MPa) verdichtet wird. Der erforderliche Druck hängt von der Materialeigenschaft und von der Dicke des Werkstücks ab. Auch ist in der Regel ein anderer Druck erforderlich, wenn das Werkstück nicht zerschnitten, sondern beispielsweise entschichtet werden soll.
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Bevor der Hochdruckfluidstrahl 10 auf das Werkstück 15 auftrifft, durchsetzt er ein Mischrohr 12, welches sich unmittelbar an die Düse 1 anschließt. Das Mischrohr 12 umgibt dabei den Hochdruckfluidstrahl 10, wobei die Innenwand des Mischrohrs 12 einen ausreichend hohen Abstand zum Hochdruckfluidstrahl 10 aufweist, so dass die Innenwände des Mischrohrs 12 durch den Hochdruckfluidstrahl 10 nicht beschädigt werden. In das Mischrohr 12 mündet eine Zuführleitung 20, über die ein abrasives Medium 22 in das Mischrohr 12 eingebracht werden kann. Dazu wird das abrasive Medium 22 aus einem Abrasivbehälter 21 in das Mischrohr 20 eingeleitet, wobei zur Dosierung des abrasiven Mediums 22 eine Dosiervorrichtung 23 in der Zuführleitung 20 vorgesehen ist, hier in Form einer Dosierklappe. Diese ist dabei so ausgebildet, dass die Dosierklappe die Zuführleitung 20 gegenüber dem Abrasivbehälter 21 verschließen oder freigeben kann oder auch nur einen teilweisen Öffnungsquerschnitt freigibt.
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In die Zuführleitung 20 mündet weiterhin eine Druckgasleitung 30, über die ein Druckgas in die Zuführleitung 20 eingeblasen werden kann. Das Druckgas wird dabei durch einen Kompressor 33 zur Verfügung gestellt, der das verdichtete Gas in die Druckgasleitung 30 einleitet, wobei innerhalb der Druckgasleitung 30 ein Dosierventil 31 vorgesehen ist, so dass die Verbindung vom Kompressor 33 zur Zuführleitung 20 unterbrochen oder freigegeben werden kann. Das durch den Kompressor 33 verdichtete Gas ist dabei vorzugsweise Luft, das über einen Lufteinlass 34 angesaugt wird, jedoch kann auch ein anderes Gas verwendet werden, beispielsweise Stickstoff, um eventuelle Verunreinigungen durch die angesaugte Luft auszuschließen.
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Die hier gezeigte Düse 1 ist dazu ausgebildet, einen gepulsten Hochdruckfluidstrahl zu erzeugen, d.h. anders bei den meisten sonst bekannten Hochdruck-Fluidschneidverfahren wird nicht ein kontinuierlicher Hochdruckfluidstrahl erzeugt, sondern ein gepulster, der regelmäßig unterbrochen wird. Dazu bewegt sich die Düsennadel 3 in Längsrichtung periodisch auf und ab und öffnet und schließt dadurch die Düsenöffnung 9, so dass der gewünschte gepulste Hochdruckfluidstrahl 10 entsteht, der auf das Werkstück 15 trifft. Zur Verbesserung der Schneidwirkung wird das abrasive Medium 22 zugeführt, was auf verschiedene Art und Weise geschehen kann. Entweder kann eine bestimmte Menge durch ein zumindest teilweises Öffnen der Dosiervorrichtung 23 über die Zuführleitung 20 in das Mischrohr 12 eingeleitet werden, wobei das Druckgas, das über die Druckgasleitung 30 in die Zuführleitung 20 eingeleitet wird, das abrasive Medium 22 mitreißt und gezielt in den Hochdruckfluidstrahl 10 einbläst. Während der Unterbrechung des Hochdruckfluidstrahls 10 fällt das abrasive Medium 22 dabei wirkungslos auf das Werkstück 15, da es nur während der Dauer des Hochdruckfluidstrahls 10 durch diesen mitgerissen wird, was relativ viel abrasives Medium 22 verbraucht.
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Zur Verbesserung dieses Verfahrens kann die Zuführung des abrasiven Mediums 22 ebenfalls periodisch erfolgen. Dazu wird das Dosierventil 31 im gleichen Takt wie der Hochdruckfluidstrahl 10 geöffnet und geschlossen, so dass das Druckgas über die Zuführleitung 20 synchron mit dem Hochdruckfluidstrahl 10 in das Mischrohr 12 geleitet wird. Es tritt also nur dann abrasives Medium in das Mischrohr 12 ein, wenn ein Hochdruckfluidstrahl 10 dort vorhanden ist. Dadurch wird der Verbrauch des abrasiven Mediums 22 reduziert, was die Kosten senkt und die Verschmutzung des Werkstücks 15 durch das wirkungslos herabrieselnde abrasive Medium 22 reduziert.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung 23, die sich der Zuführleitung 20 befindet, dargestellt. Bei dieser Dosiervorrichtung 23 wird die Zufuhr des abrasiven Mediums 22 durch eine Dosierscheibe 24 regelmäßig unterbrochen. Die Dosierscheibe 24 weist dazu mehrere Durchlassöffnungen 25 auf, die bei entsprechender Stellung der Dosierscheibe einen Durchlass innerhalb der Zuführleitung 20 öffnen, so dass abrasives Medium durch die Zuführleitung 20 strömen kann. Wenn durch weitere Drehung der Dosierscheibe 24 keine Durchlassöffnung 25 innerhalb der Zuführleitung 20 platziert ist, unterbricht die Dosierscheibe 24 die Zuführleitung 20. Das Druckgas, das über die Druckgasleitung 30 in die Zuführleitung 20 eingeblasen wird, kann entweder kontinuierlich strömen, wobei das dosiert eingebrachte abrasive Medium 22 mitgerissen wird, oder es kann ebenfalls periodisch eingeblasen werden, so dass es synchron mit dem dosierten abrasiven Medium einströmt.
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In 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Dosiervorrichtung 23 dargestellt. Die Dosiervorrichtung 23 besteht hier aus einem Fallrohr 36, durch das kontinuierlich abrasives Medium 22 hindurchfällt bzw. rieselt, wobei das abrasive Medium aus dem Abrasivbehälter 20 ausfließt. Nach Durchfallen des Fallrohrs 36 sammelt sich das nicht benötigte abrasive Medium in einem Auffangbehälter 38, wobei dieses abrasive Medium wieder in den Abrasivbehälter 21 eingefüllt werden kann, da es im Fallrohr nicht verunreinigt wird. Zum Einbringen des gewünschten abrasiven Mediums in die Zuführleitung 20 dient die Druckgasleitung 30, die hier über das Fallrohr 36 in die Zuführleitung 20 mündet. Das Druckgas, das das Fallrohr 36 durchströmt, reißt dabei abrasive Partikel 22 mit und bringt sie so in die Zuführleitung 20 ein und von dort in das Mischrohr 12. Auch hier kann die gewünschte periodische Zuführung von abrasivem Medium in das Mischrohr 12 über ein gepulstes Zuführen von Druckgas mittels einer Unterbrechung durch das Dosierventil 31 erfolgen, das sich im Mischrohr 12 mit dem Hochdruckfluidstrahl 10 mischt. Die hier gezeigte Dosiervorrichtung 23 weist insbesondere den Vorteil auf, dass keine beweglichen Bauteile Verwendung finden, was eine einfache Konstruktion ermöglicht und ein zuverlässiges Betreiben.
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Die Menge und der Druck des eingeleiteten Druckgases kann einerseits zur zeitlichen Dosierung verwendet werden, andererseits kann über den Druck und die Menge des eindosierten Gases auch erreicht werden, dass nur eine bestimmte Menge an abrasivem Medium dem Hochdruckfluidstrahl zugeführt wird. Damit kann die gewünschte Eigenschaft des Hochdruckfluidstrahls, d.h. seine Schneidwirkung oder seine Wirkung beim Entschichten eines Werkstücks, gezielt eingestellt werden. Diese Parameter können auch während der Bearbeitung des Werkstücks verändert werden, so dass ein Wechsel zwischen Schneiden und Entschichten eines Werkstücks einfach durch Zuführen oder Nichtzuführen von abrasivem Medium oder von unterschiedlichen Mengen von abrasivem Medium erreicht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016220926 A1 [0002]
