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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei dem Verfahren wird mit Hilfe eines Injektors mindestens ein druckbeaufschlagter pulsierender Fluidstrahl erzeugt und auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet. Als Fluid zur Erzeugung des Fluidstrahls kann insbesondere Wasser 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 gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 angegeben. Die Vorrichtung ist insbesondere zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
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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, eine größere Variabilität beim Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls zu ermöglichen.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 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 wird mit Hilfe eines Injektors mindestens ein druckbeaufschlagter pulsierender Fluidstrahl erzeugt und auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet. Erfindungsgemäß werden mit Hilfe des Injektors und/oder mit Hilfe eines weiteren Injektors mindestens ein kavitierender sowie ein nicht-kavitierender Fluidstrahl erzeugt und über unterschiedliche Spritzlöcher ausgetragen.
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Dadurch, dass die Fluidstrahlen über unterschiedliche Spritzlöcher ausgetragen werden, ist es überhaupt erst möglich, einen kavitierenden und einen nicht-kavitierenden Fluidstrahl zu erzeugen. Die unterschiedlichen Spritzlöcher können dabei durch einen einzigen Injektor oder durch mehrere Injektoren, beispielsweise durch zwei Injektoren, ausgebildet werden. Die Verwendung von mindestens zwei Injektoren besitzt den Vorteil, dass die Spritzlöcher unabhängig voneinander steuerbar sind, so dass eine noch größere Variabilität erreichbar ist. Anstelle von zwei Injektoren kann auch ein Injektoren mit zwei koaxial angeordneten Düsennadeln verwendet werden, die unabhängig voneinander jeweils mindestens ein Spritzloch steuern.
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Unabhängig von der Anzahl der Injektoren und/oder Düsennadeln besitzt das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass über die zwei unterschiedlichen Fluidstrahlen unterschiedliche Wirkungen erzeugt werden können. Die unterschiedlichen Wirkungen wiederum können sich beispielsweise ergänzen und/oder gegenseitig verstärken, so dass die Effizienz gesteigert wird.
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Bei einer sehr glatten Oberfläche des Werkstücks kann beispielsweise die Oberfläche mit Hilfe des kavitierenden Fluidstrahls erst aufgeraut werden, so dass ein nachfolgender nicht-kavitierender und damit besonders impulsstarker Fluidstrahl besser angreifen kann. Im Ergebnis kann somit der Schneidprozess vereinfacht werden. Ferner kann die Schnittqualität und damit das Schneidbild verbessert werden.
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Darüber hinaus können kavitierender und nicht-kavitierende Fluidstrahl im schnellen Wechsel erzeugt werden, um die Schnittgeschwindigkeit bzw. die Schneidleistung zu erhöhen.
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Wie bereits erwähnt können bei dem vorgeschlagenen Verfahren die unterschiedlichen Spritzlöcher zur Erzeugung des kavitierenden und des nicht-kavitierenden Fluidstrahls über eine gemeinsame Düsennadel oder zwei Düsennadeln gesteuert werden. Sofern nur eine Düsennadel vorgesehen ist, lässt sich das Verfahren mit einem einzigen Injektor durchführen, der zudem vergleichsweise einfach aufgebaut sein kann. Allerdings lassen sich dann die unterschiedlichen Spritzlöcher nicht getrennt steuern. Werden zwei Düsennadel zum Steuern der unterschiedlichen Spritzlöcher verwendet, kann jede Düsennadel einem Injektor zugeordnet sein, so dass diese ebenfalls vergleichsweise einfach aufgebaut sein können. Darüber hinaus ermöglichen zwei Düsennadeln ein getrenntes Steuern der unterschiedlichen Spritzlöcher. Alternativ kann aber auch ein einziger Injektor mit zwei Düsennadeln zum getrennten Steuern der unterschiedlichen Spritzlöcher verwendet werden, so dass ein Injektor eingespart werden kann. Vorteilhafterweise sind die beiden Düsennadeln des einen Injektors koaxial angeordnet. Derartige Injektoren sind beispielsweise aus der Kraftstoffeinspritztechnik bei Verbrennungsmotoren zum Einspritzen zweier unterschiedlicher Kraftstoffe bekannt. Durch geringfügige Modifikationen kann auf diese Technologie zurückgegriffen werden, so dass sich das Konzept ohne große Entwicklungskosten umsetzen lässt.
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Bevorzugt werden der kavitierende Fluidstrahl und der nicht-kavitierende Fluidstrahl zeitlich versetzt, vorzugsweise nacheinander und/oder im Wechsel, erzeugt und ausgetragen. Das heißt, dass mindestens zwei Düsennadeln zum getrennten Steuern der unterschiedlichen Spritzlöcher vorhanden sind. Die zeitlich versetzte Abgabe der Fluidstrahlen besitzt den Vorteil, dass der kavitierende Fluidstrahl zur Vorbereitung der Werkstückoberfläche, beispielsweise zum Reinigen und/oder Aufrauen, und der nachfolgende nicht-kavitierende Fluidstrahls zum Schneiden des Werkstücks verwendet werden können. Zeitlich versetzt kann dabei bedeuten, dass a) eine zeitliche Überlappung gegeben ist, b) die unterschiedlichen Fluidstrahlen unmittelbar hintereinander erzeugt und ausgetragen werden oder c) ein zeitlicher Abstand zwischen dem Erzeugen und dem Austragen der unterschiedlichen Fluidstrahlen eingehalten wird. Auf diese Weise kann das Verfahren der jeweiligen konkreten Anwendung angepasst werden. Beispielsweise kann - mit oder ohne zeitliche Überlappung - ein schneller Wechsel zwischen kavitierendem und nicht-kavitierendem Fluidstrahl realisiert werden, um die Schneidleistung zu erhöhen.
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Gemäß einer bevorzugten Anwendung wird die Oberfläche des Werkstücks mit Hilfe des kavitierenden Fluidstrahls aufgeraut und/oder gereinigt. Zeitlich versetzt wird anschließend der nicht-kavitierende und damit besonders impulsstarke Fluidstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet, um dieses zu schneiden.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der kavitierende Fluidstrahl und der nicht-kavitierende Fluidstrahl auf unterschiedliche Bereiche der Oberfläche des Werkstücks und/oder auf unterschiedliche Oberflächen des Werkstücks gerichtet werden. Die Bearbeitung der unterschiedlichen Bereiche bzw. Oberflächen des Werkstücks mit Hilfe der unterschiedlichen Fluidstrahlen kann somit zeitgleich erfolgen, wobei sich die Art der Bearbeitung unterscheidet. Während vorzugsweise ein erster Bereich bzw. eine erste Oberfläche mit Hilfe des kavitierenden Fluidstrahls zunächst vorbereitet, insbesondere gereinigt und/oder aufgeraut, wird, kann ein weiterer Bereich bzw. eine weitere Oberfläche, die ggf. bereits in einem vorhergehenden Bearbeitungsschritt entsprechend vorbereitet worden ist, mit Hilfe des nicht-kavitierenden Fluidstrahls weiter bearbeitet, insbesondere geschnitten werden. Auf diese Weise können mehrere Bearbeitungsschritte parallel ausgeführt werden, so dass Zeit eingespart wird.
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Die darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Vorrichtung zum Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks umfasst mindestens einen Injektor zum Erzeugen mindestens eines druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls. Erfindungsgemäß weist bzw. weisen der Injektor und/oder ein weiterer Injektor unterschiedliche Spritzlöcher zum Erzeugen eines kavitierenden Fluidstrahls und eines nicht-kavitierenden Fluidstrahls auf.
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Mit Hilfe der vorgeschlagenen Vorrichtung kann insbesondere das zuvor beschrieben erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, so dass sich mit der Vorrichtung die gleichen bereits genannten Vorteile erzielen lassen. Insbesondere kann eine größere Variabilität in der Bearbeitung eines Werkstücks erzielt werden, da mehr als nur ein Fluidstrahl zur Verfügung steht. Die mehreren Fluidstrahlen können sich in ihrer Wirkung ergänzen und/oder gegenseitig verstärken. Zudem ermöglichen sie eine Erhöhung der Schneidleistung, wenn die Fluidstrahlen abwechselnd erzeugt und ausgetragen werden.
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Um einen kavitierenden und einen nicht-kavitierenden Fluidstrahl zu erzeugen, weist der mindestens eine Injektor unterschiedliche Spritzlocher auf. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist der Injektor eine hubbewegliche Düsennadel zum Steuern der unterschiedlichen Spritzlöcher auf, so dass der Injektor vergleichsweise einfach aufgebaut ist. Alternativ kann der Injektor zwei koaxial angeordnete Düsennadeln zum getrennten Steuern der unterschiedlichen Spritzlöcher aufweisen. Das getrennte Steuern der unterschiedlichen Spritzlöcher erhöht die Anzahl der Prozessparameter neben Druck, Frequenz und dergleichen, so dass die Variabilität weiter gesteigert wird. Gleiches kann mit Hilfe mehrerer Injektoren realisiert werden, die mit unterschiedlichen Spritzlöchern ausgestattet sind. Allerdings steigt zugleich die Teileanzahl und damit die Komplexität der Vorrichtung. Mehrere Injektoren erlauben aber zudem eine unabhängige Ausrichtung der Spritzlöcher in Bezug auf das Werkstück, so dass insbesondere der Abstand und/oder der Auftreffwinkel der unterschiedlichen Fluidstrahlen unabhängig voneinander variiert werden können.
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Unabhängig von der Anzahl der Injektoren weisen vorzugsweise die unterschiedlichen Spritzlöcher zur Erzeugung eines kavitierenden und eines nicht-kavitierenden Fluidstrahls unterschiedliche Lochgeometrien auf. Über die Lochgeometrie kann bestimmt werden, ob der austretende Fluidstrahl kavitierend oder nicht-kavitierend ist. Es kann somit von kavitierenden und nicht-kavitierenden Spritzlöchern geredet werden. Des Weiteren vorzugsweise weist das Spritzloch zum Erzeugen eines nicht-kavitierenden Fluidstrahls eine Lochgeometrie auf, deren Strömungsquerschnitt sich zur Austrittsseite hin verkleinert. Das Spritzloch kann beispielsweise konisch geformt sein.
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Ferner bevorzugt sind die unterschiedlichen Spritzlöcher auf unterschiedlichen Düsendurchmessern des Injektors angeordnet. Dadurch ist es möglich, die unterschiedlichen Spritzlöcher auf einer Düse eines einzigen Injektors unterzubringen. Sofern der Injektor zwei koaxial angeordnete Düsennadeln besitzt, können die unterschiedlichen Spritzlöcher zudem getrennt voneinander gesteuert werden. Bevorzugt ist das Spritzloch zum Erzeugen des kavitierenden Fluidstrahls auf einem größeren Düsendurchmesser als das Spritzloch zum Erzeugen eines nicht-kavitierenden Fluidstrahls angeordnet. In Abhängigkeit von der Ansteuerung der beiden Düsennadeln kann somit das kavitierende Spritzloch zeitlich vor dem nicht-kavitierenden Spritzloch geöffnet werden.
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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 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung zum Schneiden und/oder Bearbeiten eines Werkstücks 1 mit Hilfe mindestens eines druckbeaufschlagten pulsierenden Fluidstrahls 3, 4 umfasst zwei Injektoren 2, 6, wobei jeder Injektor 2, 6 einen Fluidstrahl 3, 4 erzeugt und abgibt. Der erste Injektor 2 gibt einen kavitierenden Fluidstrahl 3 ab. Der Injektor 6 einen nicht-kavitierenden Fluidstrahl 4. Beide Injektoren 2, 6 sind derart ausgerichtet, dass der kavitierende Fluidstrahl 3 und der nicht-kavitierende Fluidstrahl 4 auf der gleichen Stelle auf einer Oberfläche 5 des Werkstücks 1 auftreffen. In der Kombination erhöhen die beiden Fluidstrahlen 3, 4 die Schneidleistung der Vorrichtung.
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Der 2 ist eine Abwandlung der Vorrichtung der 1 zu entnehmen. Auch diese Vorrichtung umfasst zwei Injektoren 2, 6, von denen der erste Injektor 2 einen kavitierenden Fluidstrahl 3 und der zweite Injektor 6 einen nicht-kavitierenden Fluidstrahl 4 abgeben. Die Injektoren 2, 6 sind derart ausgerichtet, dass der nicht-kavitierende Fluidstrahl 4 dem kavitierenden Fluidstrahl 3 nachläuft. Mit Hilfe des kavitierenden Fluidstrahls 3 kann demnach die Oberfläche 5 des Werkstücks 1 erst gereinigt und/oder aufgeraut werden, so dass der nachfolgende nicht-kavitierende und damit impulsstärkere Fluidstrahl 4 eine bessere Angriffsfläche zum Schneiden des Werkstücks 1 hat.
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Bei der in der 3 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die beiden Injektoren 2, 6 auf unterschiedliche Oberflächen 5, 11 des Werkstücks 1 ausgerichtet, so dass eine parallele Bearbeitung des Werkstücks 1 möglich ist.
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Die Vorrichtung der 4 weist nur einen Injektor 2 zum Erzeugen und Austragen eines kavitierenden Fluidstrahls 3 und eines nicht-kavitierenden Fluidstrahls 4 auf. Der eine Injektor 2 weist hierzu unterschiedliche Spritzlöcher 7, 8 sowie zwei koaxial angeordnete hubbewegliche Düsennadeln 9, 10 zum Steuern der Spritzlöcher 7, 8 auf. Die beiden Düsennadeln 9, 10 erlauben ein getrenntes Steuern der Spritzlöcher 7, 8. Somit können die Fluidstrahlen 3, 4 - analog der Vorrichtung mit zwei Injektoren 2, 6 - auch zeitlich versetzt erzeugt und ausgetragen werden. Die Ausrichtung der Fluidstrahlen 3, 4 zueinander ist jedoch nicht veränderbar, so dass nur über den Abstand des Injektors 2 zum Werkstück 1 bestimmt werden kann, ob sich die Fluidstrahlen 3, 4 treffen oder nicht.
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In einer einfachen und damit besonders kostengünstigen Ausführungsform, die in der 5 dargestellt ist, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung lediglich einen Injektor 2 mit nur einer Düsennadel 9 zum Steuern beider Spritzlöcher 7, 8 auf. Ein getrenntes Steuern der beiden Spritzlöcher 7, 8 ist in diesem Fall nicht möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013201797 A1 [0005]
