Stand
der Technik
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 Wasser strahl 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.
Das
US-Patent 4517774 beschreibt ein Verfahren zum Sandstrahlen mit
Luft als Träger-
bzw. Beschleunigungsmedium. Bei dem Verfahren wird dem mit einer
Pumpe beschleunigten Luft-Sand-Gemisch Wasser zugesetzt, um den
unerwünschten
Anteil von Staub in der Umgebungsluft zu binden. Bei diesem Verfahren
wird somit Luft als Energieträger
für den
Prozess komprimiert und mit Abrasivpartikeln und flüssigen Additiven
beladen.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Erzeugung eines Wasserabrasivstrahls anzugeben, mit dem sich
auch bei höherer
hydraulischer Leistung ein hoher Wirkungsgrad erzielen lässt.
Darstellung der Erfindung
Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel
entnehmen.
In
der vorliegenden Patentanmeldung wird eine Lösung angegeben, die eine Erhöhung der
Treibstrahldichte bei der Erzeugung von Wasserabrasivstrahlen mit
höherer
hydraulischer Leistung bewirkt.
Bei
dem 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.
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens 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 einer Vorrichtung 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.
Mit
dem Verfahren wird somit auch bei Erhöhung der hydraulischen Leistung
eine hohe Treibstrahldichte und somit eine hohe Effizienz erreicht.
Das Verfahren eröffnet
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
einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens 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.
Das
vorliegende Verfahren wird 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.
Die
Vorrichtung wird 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 diesem Betrieb
der Vorrichtung 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.
