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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls. 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 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
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Stand der Technik
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Beim Wasserstrahlschneiden wird üblicherweise der Energiegehalt eines in der Regel kontinuierlichen senkrechten Wasserstrahls zum Trennen von Materialen genutzt. Es wird zwischen Reinwasserschneiden und Abrasivschneiden unterschieden. 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 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. 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, Lebensmitteln oder Kunststoffen hervor, die neben einer Hochdruckpumpe und einer Düse eine Einrichtung zum Erzeugen von durch die Düse austretenden Fluidimpulsen umfasst. Mittels der Einrichtung soll ein diskontinuierlicher, d. h. ein periodisch unterbrochener Fluidstrahl erzeugbar sein, 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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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Qualität des Schnittbilds und/oder der bearbeiteten Oberfläche beim Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls zu verbessern.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 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 werden mit Hilfe eines Injektors niederfrequente Fluidpulse erzeugt, die auf das Werkstück gerichtet werden. Erfindungsgemäß wird den niederfrequenten Fluidpulsen eine zusätzliche hochfrequente Schwingung aufgeprägt. Vorzugsweise beträgt die Schwingungsfrequenz der hochfrequenten Schwingung dabei mindestens 20 kHz.
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Das zusätzliche Aufprägen einer hochfrequenten Schwingung bewirkt einen zusätzlichen Impulseintrag, wodurch der Materialabtrag verbessert wird. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass die Fluidteilchen der Fluidpulse zu einer zusätzlichen Mikrobewegung angeregt werden. Diese wiederum hat Einfluss auf das Einwirken des pulsierenden Fluidstrahls auf das zu schneidende Werkstück bzw. die zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks. Im Ergebnis führt somit das Verfahren zu einer Verbesserung des Schnittbilds und/oder der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks.
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Die Wirkung ist hauptsächlich durch Kavitation induziert. Wie in einem Ultraschallbad erzeugt die Ultraschallanregung kleinste Kavitationsblasen, die in Werkstücknähe implodieren und dadurch das Werkstück schädigen. Es kann zusätzlich hierzu eine hochfrequente Schwingung auch durch einen am Injektor angeordneten Aktor erzeugt werden. Der Geräteaufwand ist somit minimal und erfordert keine oder nur geringfügige Modifikationen, die sich zudem auf den Injektor beschränken. Ferner kann auch eine bereits bestehende Anlage zum Wasserstrahlschneiden in einfacher Weise nachgerüstet werden, um die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu ermöglichen. Bevorzugt wird ein Piezoaktor zum Aufprägen der hochfrequenten Schwingung verwendet, ferner bevorzugt ein Piezo-Ultraschallwandler. Mit Hilfe derartiger Aktoren, die sich bei Bestromung längen und anschließend wieder zusammenziehen, können Bewegungen im Mikrometerbereich erzeugt werden. Die Mikrobewegungen des Aktors können dann zur hochfrequenten Schwingungsanregung genutzt werden.
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Bevorzugt wird zum Aufprägen der zusätzlichen hochfrequenten Schwingung der Injektor in Schwingung versetzt, und zwar bevorzugt mit Hilfe des Aktors. Der in Schwingung versetzte Injektor überträgt dann die Schwingung auf den pulsierenden Fluidstrahl. Das heißt, dass die zusätzliche hochfrequente Schwingung mittelbar über den Injektor auf die gepulste Fluidsäule aufgeprägt wird. In Abhängigkeit von der Schwingungsanregung des Injektors kann auf diese Weise zugleich auf die genaue Ausrichtung des Fluidstrahls eingewirkt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Schwingungsanregung bzw. -einleitung im Wesentlichen parallel in Bezug auf eine Längsachse des Injektors. Das heißt, dass der Injektor zu Mikrobewegungen angeregt wird, die im Wesentlichen parallel zur Austragsrichtung des Fluids ausgerichtet sind, so dass die Fluidpulse in Austragsrichtung verstärkt werden. Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Schwingungseinleitung mittig erfolgt, um parasitären Schwingungen entgegenzuwirken.
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Alternativ oder ergänzend kann die Schwingungseinleitung im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf eine Längsachse des Injektors erfolgen. Der Injektor führt in diesem Fall Mikrobewegungen aus, die im Wesentlichen senkrecht zur Austragsrichtung des Fluidstrahls ausgerichtet sind. Auf diese Weise kann eine sich wiederholende minimale Auslenkung des pulsierenden Fluidstrahls erzielt werden, mit deren Hilfe das Schneidbild und/oder die Oberflächenqualität gezielt beeinflussbar ist bzw. sind.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Injektor, vorzugsweise mittels des Aktors, zu einer Dreh-, Schwenk- und/oder Pendelbewegung angeregt wird. Um dies zu erreichen, kann die Schwingungseinleitung exzentrisch und/oder in einem Winkel zur Längsachse des Injektors erfolgen. Ferner kann der Injektor in einem Bereich gehalten sein, der dann den Drehpunkt bildet, um den der Injektor verdreht und/oder verschwenkt wird. Über derartige Bewegungen des Injektors können ebenfalls Auslenkungen des pulsierenden Fluidstrahls erzeugt werden, mit deren Hilfe das Schnittbild und/oder die Oberfläche des Werkstücks gezielt beeinflussbar sind.
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Bevorzugt wird der Injektor zu Bewegungen angeregt, die im Mikrobereich liegen. Die Bewegungsamplitude kann beispielsweise 50 µm betragen. Mit Hilfe derartiger Bewegungen kann die gewünschte Impulsverstärkung erzielt werden.
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Die darüber hinaus vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst einen Injektor zur Erzeugung eines pulsierenden Fluidstrahls und einen am Injektor angeordneten Aktor, vorzugsweise einen Piezoaktor, weiterhin vorzugsweise einen Piezo-Ultraschallwandler, mit dessen Hilfe der Injektor in eine hochfrequente Schwingung versetzbar ist. Im Unterschied zu bekannten Wasserstrahlschneidvorrichtungen weist demnach die vorgeschlagene Vorrichtung einen zusätzlichen Aktor auf, welcher der Schwingungsanregung dient. Wird ein Piezoaktor, insbesondere ein Piezo-Ultraschallwandler als Aktor verwendet, kann der Injektor in einfacher Weise zu der gewünschten hochfrequenten Schwingung angeregt werden.
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Der Aktor ist vorzugsweise über eine Halterung außen am Injektor befestigt. Die Halterung ermöglicht ein einfaches Nachrüsten einer bereits bestehenden Wasserstrahlschneidvorrichtung, so dass diese zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung der Halterung und/oder der Anordnung des Aktors an der Halterung kann zudem die Halterung zur Übertragung der Bewegungen des Aktors auf den Injektor eingesetzt werden. Die Bewegungen des Aktors werden in diesem Fall mittelbar über die Halterung auf dem Injektor übertragen. Dies ermöglicht Freiheitsgrade bei der Anordnung des Aktors, da dieser beispielsweise bei einer gewünschten zentrischen Schwingungsanregung des Injektors auch exzentrisch angeordnet werden kann.
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Der Aktor kann insbesondere im Wesentlichen parallel oder im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des Injektors ausgerichtet sein. Erfolgt die Ausrichtung im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Injektors, kann insbesondere eine Impulsverstärkung des pulsierenden Fluidstrahls bewirkt werden. Erfolgt die Ausrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Injektors kann insbesondere eine gezielte Auslenkung des pulsierenden Fluidstrahls zur Beeinflussung des Schnittbilds bzw. der Oberflächenqualität erzielt werden.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Aktor ringförmig ausgebildet ist. Die Ringform des Aktors erlaubt eine Anordnung am Injektor, die eine mittige Schwingungsanregung bzw. -einleitung unterstützt. Auf die Halterung zur Befestigung des Aktors am Injektor kann dann ggf. verzichtet werden, so dass der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht wird.
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Die Halterung zur Befestigung des Aktors am Injektor kann aber zugleich zur Halterung des Injektors genutzt werden, so dass in diesem Fall die Halterung nicht verzichtbar ist. Zum Halten des Injektors kann aber auch eine weitere Halterung vorgesehen sein. Sofern eine weitere Halterung zum Halten des Injektors vorgesehen ist, kann der Aktor beabstandet zur Halterung angeordnet sein, so dass hierüber der der Injektor zu einer Dreh-, Schwenk- und/oder Pendelbewegung anregbar ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
- 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform und
- 5 eine graphische Darstellung der Schwingungsanregung des Injektors.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung umfasst einen Injektor 2 zur Erzeugung eines gepulsten Fluidstrahls 1. Der Injektor 2 kann analog einem Kraftstoffinjektor aufgebaut sein, so dass er eine Düse 6 mit einer hierin hin- und herbeweglich aufgenommenen Düsennadel (nicht dargestellt) zum Freigeben und Verschließen mindestens einer Einspritzöffnung 7 aufweist. Vorliegend ist lediglich eine mittig angeordnete Einspritzöffnung 7 vorgesehen.
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Dem Injektor 2 weist einen Zulauf 8 für ein Fluid, insbesondere Wasser, auf, der an dem der Einspritzöffnung 7 abgewandten Ende des Injektors 2 angeordnet ist. Ferner ist ein seitlich angeordneter Anschluss 9 vorgesehen, über den dem Injektor 2 beispielsweise ein abrasives Material zuführbar ist. Mit Hilfe des abrasiven Materials kann das Schneidbild und/oder die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks gezielt beeinflusst werden.
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Die Hin- und Herbewegungen der Düsennadel des Injektors 2 können beispielsweise mit Hilfe eines Steuerventils gesteuert werden, das insbesondere als Magnetventil ausgebildet sein kann. Der Injektor 2 ist daher über eine elektrische Leitung 10 mit einet Stromquelle verbindbar.
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Darüber hinaus weist der Injektor 2 einen weiteren Aktor 3 auf, der mittels einer Halterung 4 außen am Injektor 2 befestigt ist. Der Aktor 3 ist vorliegend ein Piezo-Ultraschallwandler, der mittelbar über die Halterung 4 den Injektor 2 zu einer hochfrequenten Schwingung anregt. Der Injektor 2 führt dabei Mikrobewegungen parallel zu seiner Längsachse A und parallel zur Austragsrichtung des Fluids aus (siehe Pfeile). Diese verstärken den Fluidimpuls und verbessern auf diese Weise das Schneidbild bzw. die Qualität der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks.
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Der 2 ist eine Abwandlung des Injektors 2 der 1 zu entnehmen. Der Aktor 3 ist in diesem Beispiels ringförmig ausgeführt, so dass er den Injektor 2 umgibt. Die Schwingungsanregung erfolgt somit mittig in Bezug auf die Längsachse A, und zwar unabhängig von der Ausgestaltung der Halterung 4.
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Bei der in der 3 dargestellten Abwandlung ist der Aktor 3 senkrecht zur Längsachse A des Injektors 2 ausgerichtet, so dass auch die Schwingungsanregung senkrecht zur Längsachse A erfolgt (sieh Pfeile). Der pulsierende Fluidstrahl 1 erfährt hierüber eine Auslenkung, welche gezielt zur Beeinflussung des Schneidbilds und/oder der Oberflächenqualität des Werkstücks eingesetzt werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 ist der Injektor 2 über eine weitere Halterung 5 gehalten, die den Injektor 2 in diesem Punkt fixiert. Wird nunmehr der Injektor 2 mittels des Aktors 4 bzw. der Halterung 4 in Schwingung versetzt, führt dies zu einer Schwenk- bzw. Pendelbewegung des Injektors 2 sowie zu einer entsprechenden Auslenkung des pulsierenden Fluidstrahls 1.
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Ein generelles Bild der Schwingungsanregung des Injektors 2 ist der 5 zu entnehmen, welche die Schwingungsamplitude A über der Zeit t zeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013201797 A1 [0005]
