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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Als Fluidstrahl kann insbesondere ein Wasserstrahl verwendet werden. Der Fluidstrahl kann dabei nicht nur zum Schneiden, sondern auch zum Bearbeiten eines Werkstücks eingesetzt werden. Der Begriff „Bearbeiten“ umfasst dabei insbesondere die materialabtragende Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks und/oder die Reinigung eines Werkstücks.
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Ferner wird eine Vorrichtung zum Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls vorgeschlagen, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Stand der Technik
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Beim Wasserstrahlschneiden wird der Energiegehalt eines in der Regel kontinuierlichen senkrechten Wasserstrahls zum Trennen von Materialen genutzt, wobei zwischen Reinwasserschneiden und Abrasivschneiden unterschieden wird. Zur Verstärkung des Trenneffekts wird beim Abrasivschneiden ein Abrasivstoff zugemischt. Beim Reinwasserschneiden kann die Trennwirkung über den Druck gesteuert werden. Drücke bis zu 6.000 bar (600 MPa) sind beim Reinwasserschneiden nicht unüblich.
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Alternativ zum Einsatz eines kontinuierlichen Wasserstrahls kann auch ein pulsierender Wasserstrahl eingesetzt werden („pulsed waterjet cutting“). Der Einsatz eines pulsierenden Wasserstrahls besitzt den Vorteil, dass der Druck gesenkt werden kann, denn durch den pulsierenden Strahl wird das Werkstück ständig mit einem Impuls in der Einspritzfrequenz angeregt. Zugleich wird der Wasserverbrauch verringert.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 201 797 A1 geht beispielhaft eine Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden von Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl, Stein, Glas, Fliesen, Keramik, Lebensmittel oder Kunststoff hervor, die neben einer Hochdruckpumpe und einer Düse eine Einrichtung zum Erzeugen von durch die Düse austretenden Fluidimpulsen umfasst. Mittels der Einrichtung wird ein diskontinuierlicher, d. h. ein periodisch unterbrochener Fluidstrahl erzeugt, der bei vergleichsweise niedrigem Förderdruck der Hochdruckpumpe eine hohe Abtragwirkung besitzt. Denn durch die gezielt frequentierten Pulsstöße bzw. Fluidimpulse kommt es zu einem sich selbstverstärkenden Effekt.
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Über die Laufzeit einer solchen Vorrichtung kann es zu Funktionsbeeinflussungen aufgrund Bauteilverschleiß und/oder Korrosion kommen. Dies gilt es zu verhindern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit der Qualitätssicherung zu schaffen, die derartige Funktionsbeeinflussungen zu vermeiden hilft.
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Zur Lösung der Aufgabe werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls wird eine Vorrichtung verwendet, die eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des Werkstücks und eine Düse zur Abgabe des druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls umfasst. Erfindungsgemäß wird zur Qualitätssicherung in einer Bearbeitungspause mit Hilfe mindestens eines Mess- und/oder Signalaufnehmers der Fluidstrahl charakterisiert und bei einer Abweichung gegenüber einem Referenzwert wird die Vorrichtung kalibriert.
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Das Verfahren wird in einer Bearbeitungspause durchgeführt, das heißt während einer Unterbrechung des eigentlichen Bearbeitungsprozesses. Bearbeitungspausen zur Durchführung des Verfahrens können dabei in regelmäßigen Zeitabständen eingelegt werden, beispielsweise nach einer vorgegebenen maximalen Betriebsdauer der Vorrichtung. Auf diese Weise können insbesondere verschleißbedingte Funktionsbeeinflussungen bzw. -beeinträchtigungen vermieden werden.
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Bei der Durchführung des Verfahrens kommt mindestens ein Mess- und/oder Signalaufnehmer zum Einsatz, dessen Messwerte und/oder -signale zur Charakterisierung des Fluidstrahls mit einem Referenzwert verglichen werden. Auf diese Weise können Abweichungen erkannt und ggf. behoben werden. Um vergleichbare Messergebnisse zu erhalten, wird vorzugsweise vor der Durchführung des Verfahrens der mindestens eine Mess- und/oder Signalaufnehmer in Bezug auf die den Fluidstrahl austragende Düse jeweils neu ausgerichtet. Zum Ausrichten kann der Mess- und/oder Signalaufnehmer an der Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des Werkstücks befestigt und mit Hilfe der Aufnahmeeinrichtung verfahren werden. Alternativ oder ergänzend kann auch die Düse in Bezug auf den mindestens einen Mess- und/oder Signalaufnehmer ausgerichtet werden, wenn diese beispielsweise an einem Roboterarm befestigt ist.
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Wird eine Abweichung mit Hilfe des mindestens einen Mess- und/oder Signalaufnehmers erkannt, kann eine Kalibrierung bzw. Neukalibrierung der Vorrichtung vorgenommen werden, so dass es nicht zu einer Funktionsbeeinflussung bzw. -beeinträchtigung beim Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks kommt.
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Bevorzugt wird bzw. werden zur Charakterisierung des Fluidstrahls dessen Strahlqualität und/oder dessen Position ermittelt. Die Strahlqualität wird vorzugsweise anhand der Strahlform, der Strahlbreite, der Strahlkraft und/oder der Fluidmenge ermittelt, da jeder dieser Parameter Einfluss auf die Strahlqualität besitzt. Die Ermittlung der Position gibt Aufschluss darüber, ob die Düse in Bezug auf die Aufnahmeeinrichtung bzw. in Bezug auf das Werkstück exakt ausgerichtet ist.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Charakterisierung des Fluidstrahls dieser auf eine Platte mit Öffnungen gerichtet. Mit Hilfe des Mess- und/oder Signalaufnehmers, der vorzugsweise auf der der Düse abgewandten Seite der Platte angeordnet ist, kann dann anhand der durch die Platte hindurchtretenden Flüssigkeit auf die Strahlform, die Strahlbreite und die Fluidmenge geschlossen werden. Ferner kann die Position der Düse ermittelt werden. Vorzugsweise wird eine Platte mit Öffnungen verwendet, die ringförmig in mehreren konzentrischen Ringen angeordnet sind. Hierbei kann es sich sowohl um Bohrungen als auch um kreisförmige oder kreisbogenförmig verlaufende Schlitze handeln.
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Alternativ oder ergänzend kann zur Charakterisierung des Fluidstrahls die Fluidmenge eines Fluidpulses oder einer definierten Anzahl an Fluidpulsen aufgefangen und gewogen werden. Die derart ermittelte Fluidmenge erlaubt Rückschlüsse auf bestimmte Betriebsparameter der Vorrichtung, wie beispielsweise den Fluiddruck. Vorzugsweise wird zum Wiegen eine Feinwaage verwendet, um die Fluidmenge möglichst genau zu bestimmen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Charakterisierung des Fluidstrahls dieser auf eine durchsichtige Platte gerichtet. Anschließend wird die Ausbreitung des Fluidfilms auf der Platte mit Hilfe des Mess- und/oder Signalaufnehmers optisch erfasst. Die Ausbreitung des Fluidfilms auf der Platte erlaubt Rückschlüsse auf die Strahlform, die Strahlbreite und/oder die Fluidmenge. Ferner kann die Position der Düse überprüft werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zur Charakterisierung des Fluidstrahls der Kraftverlauf des Fluidstrahls mit Hilfe des Mess- und/oder Signalaufnehmers erfasst wird. Als Mess- und/oder Signalaufnehmer kann dabei insbesondere ein Piezoelement verwendet werden. Das Verfahren kann analog der Strahlkraftermittlung in der Entwicklung von Kraftstoffinjektoren durchgeführt werden, da diese Technik gut beherrscht wird. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Piezoelements kann der Kraftverlauf des Fluidstrahls besonders einfach und schnell ermittelt werden.
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Wird der Mess- und/oder Signalaufnehmer zur Ermittlung des Kraftverlaufs des Fluidstrahls düsennah positioniert, kann aus dem Kraftverlauf der Impuls und damit die Fluidmenge korreliert werden. Erhöht man den Abstand zur Düse, nimmt der Impuls ab. Der Impulsverlauf wiederum erlaubt Rückschlüsse auf die Form der Düse, den Fluiddruck und die Fluidmenge. Bei einer Abweichung gegenüber einem Referenzwert kann der Maximalimpuls und/oder die Strahlform über den Impulsverlauf korrigiert werden. Mögliche Korrekturparameter sind Ansteuerdauer, Fluiddruck und/oder Abstand der Düse zum Werkstück.
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Wird der Mess- und/oder Signalaufnehmer bei der Ermittlung des Kraftverlaufs des Fluidstrahls parallel zur Längsachse der Düse verfahren, kann der Maximalimpuls und damit der optimale Abstand der Düse zur Aufnahmeeinrichtung bzw. zum hierin aufgenommenen Werkstück exakt bestimmt werden.
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Wird bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Abweichung gegenüber einem Referenzwert erkannt, wird vorzugsweise zur Korrektur mindestens ein Betriebsparameter verändert. Hierbei kann es sich insbesondere um die Position, die Ausrichtung, die Frequenz, die Amplitude und/oder die Pulsdauer des Fluidstrahls handeln.
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Vorteilhafterweise werden die Messwerte- und/oder -signale des Mess- und/oder Signalaufnehmers an eine Steuereinheit übermittelt. Mit Hilfe der Steuereinheit können die Messwerte und/oder -signale ausgewertet werden. Vorzugsweise ist hierzu mindestens ein den Fluidstrahl charakterisierender Referenzwert in der Steuereinheit hinterlegt. Die Messwerte bzw. -signale können dann mit dem Referenzwert verglichen werden, so dass Abweichungen erkannt werden. Das Ergebnis der Auswertung wiederum kann zur Anpassung der Ansteuerung der Düse genutzt werden, wobei vorzugsweise die Anpassung automatisch mit Hilfe der Steuereinheit erfolgt. Die Steuereinheit ermöglicht somit einen hohen Automatisierungsgrad bei der Durchführung des Verfahrens.
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Die darüber hinaus vorgeschlagene Vorrichtung zum Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls umfasst eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des Werkstücks und eine Düse zur Abgabe des druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls. Dabei ist bzw. sind die Aufnahmeeinrichtung und/oder die Düse in mindestens zwei senkrecht zueinander liegenden Richtungen verfahrbar. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Mess- und/oder Signalaufnehmer vorgesehen, mit dessen Hilfe der Fluidstrahl charakterisierbar ist. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist daher insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Somit sind die gleichen Vorteile erzielbar. Insbesondere kann die Qualität des Fluidstrahls überwacht werden und bei Bedarf eine Kalibrierung bzw. Neukalibrierung der Vorrichtung vorgenommen werden.
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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit zur Erfassung und Auswertung der Messwerte und/oder -signale des mindestens einen Mess- und/oder Signalaufnehmers. Im Fall einer Abweichung eines Messwerts und/oder eines Messsignals gegenüber einem Referenzwert, der vorzugsweise in der Steuereinheit hinterlegt ist, kann zudem mit Hilfe der Steuereinheit mindestens ein Betriebsparameter verändert werden, so dass die Abweichung automatisch korrigiert wird.
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Bei der Veränderung eines Betriebsparameters der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kommen insbesondere solche Betriebsparameter in Frage, die den Fluidstrahl beeinflussen. Hierbei kann es sich insbesondere um die Position, die Ausrichtung, die Frequenz, die Amplitude und/oder die Pulsdauer des Fluidstrahls handeln.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine Platte mit Öffnungen in Form von Bohrungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 eine Platte mit Öffnungen in Form von kreisförmigen Schlitzen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 5 eine schematische Darstellung einer dritten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein plattenförmiges Werkstück 1 zu entnehmen, das auf einer Aufnahmeeinrichtung 8 in Form von Rollen verfahrbar gelagert ist. Oberhalb des Werkstücks 1 ist eine Düse 9 angeordnet, die einen druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahl 2 abgibt. Die Düse 9 verändert ihre Position nicht. Um den Abstand und/oder die Ausrichtung der Düse 9 zum Werkstück 1 zu verändern, wird die Aufnahmeeinrichtung 8 in mindestens eine Richtung x, y, z verfahren bzw. verschoben.
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Zur Erzeugung des pulsierenden Fluidstrahls 2 wird die Düse 9 abwechselnd geöffnet und geschlossen. Gegenüber einem kontinuierlich abgegebenen Fluidstrahl kann somit eine verbesserte Schneidwirkung erzielt werden. Zugleich wird Fluid eingespart.
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Im Betrieb der Vorrichtung wird in regelmäßigen zeitlichen Abständen eine Qualitätssicherung durchgeführt. Bei der Qualitätssicherung wird eine Charakterisierung des Fluidstrahls 2 vorgenommen. Hierzu wird bzw. werden die Strahlqualität und/oder die Position des Fluidstrahls 2 mit Hilfe eines Mess- und/oder Signalaufnehmers 3 ermittelt und mit Referenzwerten verglichen, die in einer Steuereinheit 7 hinterlegt sind. Die in der 1 dargestellte Steuereinheit 7 ist dazu ausgelegt, Messungen 10 durchzuführen und auszuwerten, wobei das Ergebnis der Auswertung in eine Regelung 11 einfließt, nach deren Maßgabe die Ansteuerung 12 der Düse 9 erfolgt. Auf diese Weise kann der Betrieb der Vorrichtung in regelmäßigen zeitlichen Abständen überwacht und ggf. korrigiert werden, um optimale Schneidergebnisse zu erzielen.
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Zur Durchführung der Qualitätssicherung wird vorzugsweise das Werkstück 1 entfernt. Der Mess- und/oder Signalaufnehmer 3 kann somit - wie in der 1 dargestellt - direkt unterhalb der Düsen 9 angeordnet werden.
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Zwischen der Düse 9 und dem Mess- und/oder Signalaufnehmer 3 kann aber auch eine Platte 4 mit Öffnungen 5 angeordnet werden, wie beispielhaft in den 2und 3 dargestellt. Über die Öffnungen 5 gelangt die Flüssigkeit auf die andere Seite der Platte 4, auf welcher der Mess- und/oder Signalaufnehmer 3 angeordnet ist. Weist die Platte 4 kreisförmig in mehreren konzentrischen Kreisen angeordnete Bohrungen (2) oder Schlitze (3) auf, kann anhand der hindurchtretenden Flüssigkeit auf die Strahlform, die Strahlbreite und die Position geschlossen werden. Ferner kann die Flüssigkeit aufgefangen und gewogen werden, so dass die Fluidmenge bestimmbar ist.
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Wie beispielhaft in der 4 dargestellt kann zwischen der Düse 9 und dem Mess- und/oder Signalaufnehmer 3 auch eine durchsichtige Platte 6 angeordnet werden. Der Mess- und/oder Signalaufnehmer 3 kann in diesem Fall als ein optischer Signalaufnehmer ausgebildet sein, der die Strahlform und/oder die Strahlbreite an der Ausbreitung eines Fluidfilms 13 auf der Platte 6 bestimmen kann. Optisch kann auch die Position des Fluidstrahls 2 bzw. der Düse 9 erfasst werden.
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Der 5 ist ein Piezoelement als Mess- und/oder Signalaufnehmer 3 zu entnehmen, mittels dessen die Strahlkraft des Fluidstrahls 2 bestimmbar ist. Durch Variation des Abstands des Piezoelements gegenüber der Düse 9 kann der Kraftverlauf ermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013201797 A1 [0005]
