Die
Wasserstrahltechnik hat in den letzten Jahren eine zunehmende Verbreitung
in der industriellen Fertigung gefunden. Neben dem Schneiden mit
dem reinen Wasserstrahl sind auch Techniken zur Materialbearbeitung
bekannt, bei denen dem Wasserstrahl Abrasivzusätze beigemischt werden. Der
dabei erhaltene Wasserabrasivstrahl lässt sich aufgrund seiner stark
abrasiven Eigenschaften besonders zur Bearbeitung von schwer trennbaren
Werkstoffen einsetzen, wie beispielsweise von dicken Blechen unterschiedlicher Metalle, von
Keramiken oder von Naturstein. Auch bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen,
u.a. in der Flugzeugindustrie, kann der Wasserabrasivstrahl durch
die weitgehende Unabhängigkeit
des Schneidprozesses von spezifischen Materialeigenschaften gewinnbringend
eingesetzt werden. Er stellt aufgrund seiner Eigenschaften ein flexibles
und universelles Werkzeug zur Materialbearbeitung dar.
Der
Wasserabrasivstrahl verfügt
ebenso wie der reine Wasserstrahl über einige entscheidende Vorteile
gegenüber
anderen Schneideverfahren. So kann der Strahl in allen Richtungen
gleichermaßen
wirken und komplexe Strukturen ohne Werkzeugwechsel erzeugen. Durch
die geringe thermische und mechanische Beanspruchung des Werkstücks ist
es möglich,
eine weitreichende Palette von Werkstoffen zu bearbeiten. Bei dem
Bearbeitungsprozess kommt es weder zu Gefügeänderungen oder Entmischungen
noch zu thermischer oder mechanischer Delamination beim Schneiden
von Verbundmaterialien. Dadurch bietet das Schnittverfahren die
Möglichkeit,
neben spröden
Werkstoffen wie technischen Gläsern
oder Silizium auch technische Keramik und dicke Bleche sowie Verbundwerkstoffe
aller Art zu trennen. Die geringen Reaktionskräfte des Prozesses erlauben
zudem die Bearbeitung hochfester Materialien und stellen gleichzeitig
nur geringe Anforderungen an die Steifigkeit der Strahlführung.
Für die Erzeugung
eines Wasserabrasivstrahls werden Abrasivmischköpfe, auch als Injektoren bezeichnet,
eingesetzt, durch die das Wasser mit Überdruck gefördert wird.
In diesen Abrasivmischköpfen,
die eine Düse
mit einer Mischkammer sowie einem Anschluss für die Zuführung von Abrasivmaterial aufweisen, wird
ein nach dem Venturi-Prinzip erzeugter Unterdruck an der Düse ausgenutzt,
um das Abrasivmaterial in einem Transportmedium, in der Regel Luft,
anzusaugen. Durch den entstehenden Luftvolumenstrom wird das Abrasivmaterial
in die Mischkammer gefördert,
in der die einzelnen Abrasivpartikel mit dem Wasserstrahl kollidieren
und dadurch beschleunigt werden. Die Beschleunigung erfolgt im so
genannten Fokussierungsrohr, dem Ausgangskanal der Mischkammer.
Die Partikel erreichen bei der Beschleunigung je nach verwendeten Strahlparametern
Geschwindigkeiten von bis zu 400 m/s. Am zu bearbeitenden bzw. zu
trennenden Werkstück erfolgt
aufgrund der hohen kinetischen Energie der Partikel eine elastische
oder plastische Verformung. Ein wesentlicher Faktor ist der von
der Partikelgeschwindigkeit abhängige
Impuls der einzelnen Partikel. Der bestimmende Prozess für die Leistung
des Schneideverfahrens ist somit die Beschleunigung der Abrasivpartikel durch
den Wasserstrahl. Eine Erhöhung
der Effizienz dieses Prozesses führt
direkt zu einer Verbesserung des Leistungspotentials und damit der
Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Bei
bisher bekannten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Wasserabrasivstrahls
ist neben dem Abrasivmischkopf ein Abrasivbehälter vorgesehen, der über eine
Abrasivzuleitung mit dem Anschluss für die Zuführung von Abrasivmaterial verbunden
ist. In die Abrasivzuleitung mündet
eine Zuleitung für
das Transportmedium Luft, die zur Atmosphäre hin offen ist. Beim Betrieb der
Vorrichtung wird somit die Luft als Transportmedium direkt aus der
Atmosphäre
angesaugt. Ein Beispiel für
eine derartige Vorrichtung ist der Veröffentlichung von A. Tazibt
et al., Effect of Air on Acceleration Process in AWJ Entrainment
System, 12th Int. Conf. on Jet Cutting Technology, France 25–27 October
1994, edited by N.G. Allen, BHR Group Conf. Series, Publication
No. 13, Seiten 46 bis 58 zu entnehmen.
Bisher
beschränkt
sich der Einsatz der Abrasivstrahltechnik noch weitgehend auf spezialisierte
Anwender und Dienstleister in der Einzel- und Kleinserienfertigung.
Trotz der Verfügbarkeit
von Hochdruckaggregaten hoher bis höchster Leistung für die Zuführung des
Wassers hat sich deren vollständige
Nutzung bei der Wasserabrasivstrahltechnik bislang nur auf eine
Aufteilung der Leistung auf mehrere Schneidköpfe beschränkt. Dabei wird durch den Einsatz
von Hochdruckübersetzern
nur mit geringer hydraulischer Leistung pro Schneidkopf, in der
Regel mit einem Wasservolumenstrom von 0,5 bis 3 Liter/Minute, gearbeitet.
Untersuchungen
haben ergeben, dass die Treibstrahldichte einen großen Einfluss
auf den Wirkungsgrad bzw. die Effizienz einer derartigen Vorrichtung
hat. Unter Treibstrahldichte wird das Verhältnis zwischen den festen/flüssigen Bestandteilen
und dem geförderten
gasförmigen
Transportmedium verstanden. Je höher die
Treibstrahldichte ist, desto höher
ist der Wirkungsgrad des Beschleunigungsprozesses. Bei einer Steigerung
der hydraulischen Leistung steigt auch die durch den Abrasivmischkopf
angesaugte Menge an gasförmigem Transportmedium,
so dass sich die Treibstrahldichte und somit die Effektivität des Prozesses
vermindert.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Wasserabrasivstrahls
anzugeben, mit denen sich auch bei höherer hydraulischer Leistung
ein hoher Wirkungsgrad erzielen lässt.
Darstellung der Erfindung
Die
Aufgabe wird mit den Verfahren der Patentansprüche 1 und 2 sowie der Vorrichtung
des Patentanspruches 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sowie der Vorrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel
entnehmen.
In
der vorliegenden Patentanmeldung werden zwei Lösungen angegeben, die beide
eine Erhöhung der
Treibstrahldichte bei der Erzeugung von Wasserabrasivstrahlen mit
höherer
hydraulischer Leistung bewirken. Beide Lösungen lassen sich selbstverständlich auch
miteinander kombinieren.
Bei
dem ersten Verfahren wird der Volumenstrom des über die Zuleitung angesaugten
Transportmediums durch variable Stellmittel in der Zuleitung so
dosiert, dass sich die Treibstrahldichte und somit die Effizienz
des Verfahrens erhöht.
Hierbei wird ausgenutzt, dass die bei höherer hydraulischer Leistung
angesaugte Menge an Transportmittel so groß ist, dass der zur Förderung
des Abrasivmittels notwendige Volumenstrom in der Regel um ein Vielfaches überschritten
wird. Bei hoher hydraulischer Leistung, insbesondere bei Förderleistungen, bei
denen der Wasservolumenstrom ≥ 10
l/min beträgt,
lässt sich
durch die Dosierung der Volumenstrom des zugeführten Transportmediums so begrenzen,
dass eine ausreichend hohe Treibstrahldichte erreicht wird. Dieses
Verfahren lässt
sich mit der Vorrichtung gemäß dem gegenwärtigen Patentanspruch
9 realisieren, die in der Zuleitung für das Transportmedium ein entsprechendes
variabel einstellbares Stellmittel, beispielsweise ein verstellbares
Ventil, aufweist. Auf diese Weise lässt sich jeweils in Abhängigkeit
von der Förderleistung
des Wassers ein optimaler Volumenstrom des angesaugten Transportmediums
einstellen. Das Transportmedium kann hierbei beispielsweise in bekannter
Weise aus der Atmosphäre
angesaugt werden.
Bei
dem zweiten vorgeschlagenen Verfahren wird als Transportmedium ein
erhitztes gas- oder dampfförmiges
Medium eingesetzt, das aufgrund einer Temperatur- oder Phasenänderung
nach der Vermischung mit dem Wasser ein geringeres Volumen einnimmt
als beim Transport in der Zuleitung. Dieses Transportmedium wird
dabei vor der Zuführung
entsprechend erhitzt, so dass es für den Transport des Abrasivmaterials
ein möglichst
großes
Volumen einnimmt. Die Förderung
des Abrasivmaterials beruht dabei im Wesentlichen auf der Reibung
des gas- oder dampfförmigen Mediums
mit den Abrasivpartikeln. Durch einen großen Volumenstrom wird eine
ausreichende Förderleistung
in diesem Bereich erreicht. Im Bereich des Abrasivmischkopfes, in
dem die Mischung und Beschleunigung des Abrasivmaterials mit dem
Wasser stattfindet, ist zur Erhöhung der
Treibstrahldichte jedoch ein geringer Volumenstrom anzustreben.
Durch Absenkung der Temperatur in diesem Bereich wird das Volumen
des Transportmediums deutlich verringert, so dass eine höhere Treibstrahldichte
resultiert.
In
der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Kondensationsprozess ausgenutzt, um diese Volumenverringerung
zu erzielen. Hierbei bietet sich vor allem Wasserdampf als Transportmedium
an. Das Fördersystem
für das
Transportmedium steht in der Regel unter einem Unterdruck von bis
zu 105 Pa (1 bar). Im Fokussierrohr, in
dem die Beschleunigung stattfindet, herrscht Umgebungsdruck oder
leichter Überdruck.
Durch den Einsatz von Wasserdampf als Transportmedium wird dessen
Kondensation aufgrund des höheren
Druckes in der Mischkammer erreicht, so dass das Transportmedium
den wesentlichen Teil seines Volumens einbüßt.
Mit
den beiden Verfahren sowie der zugehörigen Vorrichtung wird somit
auch bei Erhöhung
der hydraulischen Leistung eine hohe Treibstrahldichte und somit
eine hohe Effizienz erreicht. Die Verfahren sowie die Vorrichtung
eröffnen
somit die Möglichkeit
des Einsatzes von Hochdruckaggregaten hoher hydraulischer Leistung
für die
Materialbearbeitung unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Mit
diesen Verbesserungen der Abrasivstrahltechnik ist zu erwarten,
dass der Einsatz von Schneidköpfen
mit hoher Leistung, wie sie zunehmend durch Verbesserung der Pumpentechnologie
zur Verfügung
stehen, auch in Zukunft wirtschaftlich betrieben werden kann und
nicht aufgrund geringerer Prozesseffizienz im Vergleich zu Mehrkopfsystemen
vermieden wird.
In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Vorrichtung wird das Transportmedium nicht der
Atmosphäre,
sondern einer geschlossenen Gas- bzw. Dampfquelle entnommen. Das
gesamte System bestehend aus Abrasivbehälter, Abrasivzuleitung, Zuleitung
für das
Transportmedium sowie Quelle für
das Transportmedium sind dabei gegenüber der Atmosphäre gekapselt.
Durch ein oder mehrere Ventile in der oder den Zuleitungen des Transportmediums
lässt sich
auf diese Weise eine variierbare Dosierung des Transportmediums
in Abhängigkeit
von der eingestellten hydraulischen Leistung erreichen.
Die
vorliegende Vorrichtung sowie die zugehörigen Verfahren werden nachfolgend
anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Figur nochmals beispielhaft erläutert. Die
Figur zeigt hierbei eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Wasserabrasivstrahls
gemäß einer
möglichen
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist
als zentrale Komponente den Abrasivmischkopf 1 in bekannter
Injektorbauweise auf. Der Abrasivmischkopf 1 setzt sich
aus der Wasserdüse 2,
der Mischkammer 3 und dem Fokussierrohr 4 zusammen.
Das Wasser wird dem Abrasivmischkopf 1 über ein Hochdruckrohr 5 unter Überdruck
zugeführt.
Durch den Wasserstrahl 6 wird in der Mischkammer 3 ein
Unterdruck erzeugt, der einen Gasstrom in der Abrasivzuleitung 7 erzeugt. Über diese
Abrasivzuleitung 7 wird mit dem Gasstrom Abrasivmaterial 8 gefördert. Die
Abrasivzuleitung 7 ist mit einem Abrasivbehälter 9 verbunden,
in dem das Abrasivmaterial 8 bevorratet wird. Der Abrasivbehälter 9 ist
im vorliegenden Beispiel geschlossen ausgeführt und über eine Abrasivdosierung 10,
in der Regel eine verstellbare Blendenöffnung, mit der Abrasivzuleitung 7 verbunden. Über eine Gas-
oder Dampfquelle 11 wird dem System das gasförmige Transportmedium
zugeführt.
Hierfür
mündet
eine Zuleitung 12 in die Abrasivzuleitung 7. Durch
den Unterdruck in der Mischkammer 3 wird aus dieser Gas- oder Dampfquelle 11 gasförmiges Transportmedium
angesaugt und reißt
das aus dem Abrasivbehälter 9 austretende
Abrasivmaterial 8 mit sich in die Mischkammer 3.
Durch die Ventile an Gaseintrittsöffnungen zum System wird der
freie Querschnitt der Zuführungen
des Transportmediums verändert.
Auf diese Weise kann der Volumenstrom des gasförmigen Transportmediums variiert
und damit das gesamte Förder-
bzw. Mischsystem aktiv beeinflusst werden. Im vorliegenden Beispiel
ist ein derartiges einstellbares Ventil 13 zwischen der
Gas- oder Dampfquelle 11 und dem Abrasivmischkopf 1 in
der Zuleitung 12 für
das Transportmedium vorgesehen. Weiterhin ist die Gas- oder Dampfquelle 11 über eine
Gas/Dampfzuleitung 14 mit dem Inneren des Abrasivbehälters 9 verbunden,
um hierdurch einen Druckausgleich zu schaffen. Auch in dieser Zuleitung 14 ist
ein einstellbares Ventil 15 vorgesehen. Alternativ zu dieser
Zuleitung kann auch eine Druckausgleichsleitung 16 zwischen dem
Innenraum und dem Ausgang des Abrasivbehälters 9 vorgesehen
sein, wobei auch in diesem Fall ein einstellbares Ventil 17 in
dieser Druckausgleichsleitung 16 angeordnet ist. Durch
geeignete Einstellung der Ventile 13, 15, 17 lässt sich
die Menge an Transportmedium gezielt in Abhängigkeit vom Volumenstrom des
zugeführten
Wassers einstellen, um einerseits eine gute Abrasivmaterialförderung
und andererseits eine hohe Treibstrahldichte im Wasserabrasivstrahl 18 zu
erhalten, der aus dem Abrasivmischkopf 1 austritt.
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine derartige Vorrichtung
mit einem erhitzten Gas oder Dampf betrieben, dessen Volumen nach
der Förderung
des Abrasivmaterials in der Mischkammer 3 durch Abkühlung und/oder
Phasenänderung
deutlich reduziert wird, so dass auf diese Weise zusätzlich gegenüber einem
nicht erhitzten Gas als Transportmedium eine Erhöhung der Treibstrahldichte
resultiert. Die Gas- oder Dampfquelle 11 ist hierbei mit
einer entsprechenden Heizeinrichtung ausgestattet. Bei dieser Auslegung
steht im Bereich der Abrasivmaterialförderung, d.h. in der Abrasivmaterialzuleitung 7,
ein hoher Volumenstrom an Transportmedium zur Verfügung. Im
Bereich des Abrasivmischkopfes 1, in dem Mischung und Beschleunigung des
Abrasivmaterials stattfinden, wird durch die Abkühlung oder Phasenänderung
ein geringer Volumenstrom des Transportmediums erreicht. Im Förderbereich
des Transportmediums herrscht Unterdruck, was zu einer Absenkung
der Siedetemperatur führt.
Im Mischbereich herrscht Normal- bis Überdruck. Hier kommt es daher bspw.
bei Einsatz von Wasserdampf zu einer teilweisen Kondensation und
damit zu einer Volumenverringerung. Der Prozess ist selbstverständlich derart
auszulegen, dass die Kondensation in erster Linie in der Mischkammer 3 und
nicht im Bereich vor der Mischkammer 3 stattfindet.
