DE19756506C2 - Verfahren zum Abrasiv-Wasserstrahlschneiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abrasiv-Wasserstrahlschneiden von Werkstoffen, bei dem ein Hochdruck-Wasserstrahl, dem ein Abrasivmittel zugegeben wurde, zum trennenden Bearbeiten des Werkstoffs benutzt wird.

Die Bearbeitung von sprödharten Werkstoffen und Verbundmaterialien, z. B. faserverstärkten Kunststoffen, mit konventionellen Zerspantechniken ist mit einem hohen Werkzeugverschleiß und oftmals auch mit einer Schädigung der Randzone des bearbeiteten Werkstückes verbunden.

Als Alternative zu herkömmlichen Zerspantechniken wurde deshalb das Wasserstrahlschneiden entwickelt. Der Schneidprozeß erfolgt hierbei mit einem sehr feinen Hochdruck-Wasserstrahl, der, ähnlich dem Strahl beim Laserstrahlschneiden, eine punktförmige Schneidwirkung entfaltet. Der Strahl weist senkrecht zu seiner Achse in jeder Richtung gleiche Schneideigenschaften aus, so daß das Verfahren keine Vorzugsrichtung bei der Bearbeitung hat, was es für das Schneiden von Verbundwerkstoffen besonders geeignet macht.

Die mechanische Belastung des zu bearbeitenden Werkstoffes bleibt gering, eine thermische Belastung tritt überhaupt nicht auf. Es entstehen schmale Trennfugen mit sauberen Schnittkanten. Die entstehenden Abtragprodukte werden durch das Schneidwasser gebunden, so daß ein staubfreies Schneiden ermöglicht wird, was aus Gründen des Arbeitsschutzes bei vielen Materialien von besonderem Vorteil ist.

Nachteil des Verfahrens ist, daß es auf die Anwendung vorwiegend für nichtmetallische Werkstoffe beschränkt bleibt. Das Verfahren wurde deshalb dahingehend erweitert, daß dem Wasserstrahl ein Abrasivmittel beigemischt wird. Beim Schneiden mit einem feststoffbeladenen Wasserstrahl ist dann auch das Bearbeiten von Werkstoffen wie Metall, Glas und Keramik möglich.

Bei diesem Abrasiv-Wasserstrahlschneiden saugt der durch den Wasserstrahl erzeugte Unterdruck in einer Mischkammer ein Gemisch aus Luft und einem Schleifmittel an. Als Schleifmittel dienen übliche Abrasivmaterialien wie Quarzsand, Granat, Silikatschlacke, Korund, Glasperlen oder Eisenspäne.

Die Körnung des Abrasivmittels, seine Fokussierung sowie die Menge des zugeführten Feststoffanteils und die Abstimmung dieser Parameter untereinander beeinflussen wesentlich die erzielbare Schneidleistung und Schneidqualität, die sich gegenüber dem Arbeiten mit einem reinen Wasserstrahl erheblich verbessern lassen.

Einen wesentlich Schwachpunkt des Verfahrens stellen jedoch die anfallenden Bearbeitungsrückstände dar. Während sich die Trennung des Schneidwassers von den festen Rückständen mittels üblicher Trennmethoden noch einfach verwirklichen läßt, ist eine Aufspaltung der festen Rückstände in verschiedene Fraktionen sehr schwierig und oftmals unmöglich. Beim Abrasiv-Wasserstrahlschneiden entsteht aber immer eine Verbindung von Abrasivmittel und den Schneidrückständen des jeweils bearbeiteten Materials. Es ist also immer eine Trennung von Abrasivmittel und mindestens einem, beim Schneiden von Verbundwerkstoffen auch mehreren weiteren Materialien vorzunehmen, was wegen der beim Schneidprozeß erfolgenden Bindung an das Abrasivmittel nur bei wenigen Materialkombinationen erfolgreich ist. Ein Recyceln ist deshalb oftmals unmöglich, so daß nur die Deponierung als Sondermüll verbleibt.

Aus der DD 298 618 A5 ist ein Verfahren zum Schneiden mit einem Hochdruckwasser- Eiskristallstrahl bekannt. Unter hohem Druck stehendes Wasser wird vor Austritt aus einer Düse auf ca. -10°C bis -20°C abgekühlt. Unter den gegebenen Druckbedingungen bleibt das Wasser flüssig. Bei Austritt aus der Düse kristallisiert ein Teil des Wassers zu Eis und kann somit als Abrasivmittel wirken.

Des weiteren ist ein werkstoffschonendes Strahlreinigen mit Kohlendioxidschnee bekannt (Bänder Bleche Rohre 4-1991, S. 26-27). Hierfür wird flüssiges Kohlendioxid entspannt, der entstehende Trockeneis-Schnee zu Pellets geformt, und die Pellets werden mit einem Trockenluftstrom in eine Strahlpistole befördert. Die beschleunigten Pellets gelangen auf die Werkstückoberfläche, auf der der dadurch erzeugte Temperaturschock den Abtrag erleichtert. Das Trockeneis verflüchtigt sich. Diese Methode eignet sich zum Oberflächenreinigen, jedoch nicht zum Schneiden harter Materialien. Wasser wird hier als Schneidmittel nicht eingesetzt.

Des weiteren ist es bekannt (Kunststoffe 71 (1981) 9), dem Wasser einer Wasserstrahl- Schneidanlage ein langkettiges, lineares und wasserlösliches Polymer beizumischen. Hierdurch läßt sich die Länge des kompakten Strahlkerns verlängern und damit eine größere Schnittiefe erreichen. Als Abrasivmittel eignen sich die Polymere weniger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art mit verbesserten Schneideigenschaften zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als Abrasivmittel Trockeneis verwendet wird.

Das Trockeneis sublimiert unmittelbar nach dem Auftreffen auf das Schneidgut durch die Aufschlagenergie und geht somit in den gasförmigen Zustand über. Die verbleibenden Feststoffe werden nicht an ein Abrasivmittel gebunden und lassen sich somit, sofern nur eine Komponente vorliegt, nach Ausfilterung aus dem Schneidwasser ohne weitere Trennmaßnahmen recyceln. Wenn mehrere Komponenten vorliegen, wird die Trennung zumindest wesentlich vereinfacht und für einige Materialkompositionen überhaupt erst möglich.

Prinzipiell wird der gleiche Anlagenaufbau benutzt, der auch schon bei der Verwendung von herkömmlichem Abrasivmittel eingesetzt wurde. Hierbei handelt es sich um einen Mischkopf, in dem das Abrasivmittel mit dem Hochdruckwasserstrahl vermischt wird. Die Förderung des Abrasivmittels erfolgt nach dem Injektorprinzip, d. h. der Hochdruckwasserstrahl erzeugt einen Unterdruck, der zum Ansaugen des Abrasivmittels verwendet wird. In einem Schredder wird das Abrasivmittel auf gewünschte Korngröße, etwa 0,35 mm Durchmesser, zerkleinert und anschließend mit Hilfe einer Dosiereinrichtung dem angesaugten Luftstrom in der gewünschten Menge zugeführt. Da die fein zerkleinerten Partikel des Trockeneises, vor allem an feuchter Luft dazu neigen, aneinander zu haften, ist es erforderlich, die Luft, die als Förderstrom dient, vorher zu trocknen. Das geschieht in einem vorgeschalteten Lufttrockner.

Desweiteren ist es erforderlich, bei Verwendung von Trockeneis als Abrasivmittel die gesamten Schläuche, durch die das Trockeneis strömt, mit einer Isolierung gegen die Umgebungstemperatur zu kapseln, damit der Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand nicht schon vor der eigentlichen Bearbeitung erfolgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachstehend anhand der zugeordneten schematischen Darstellung näher erläutert werden.

Einem Mischkopf 1, der in dieser Art auch beim Abrasiv-Wasserstrahlschneiden mit den bisherigen Abrasivmitteln eingesetzt wird, wird in Pfeilrichtung Wasser unter Hochdruck zugeführt (in der Zeichnung von oben). Durch den im Mischkopf 1 entstehenden Unterdruck wird über ein isoliertes Roh 2 Luft angesaugt, die zuvor in einem Lufttrockner 3 getrocknet wurde. Durch eine Dosiereinrichtung 4 wird dem Luftstrom in einer bestimmten Menge Trockeneis zugeführt, das zuvor in einem Trockeneisschredder 5 zerkleinert wurde.

Der trockeneisbeladene Wasserstrahl (in Pfeilrichtung nach unten) dient dann in der bekannten Weise als Schneidwerkzeug.

Die Trockeneispartikel weisen etwa die Korngröße von Reiskörnern auf. Die zugeführte Trockeneismenge beträgt 200 bis 400 g pro Minute. Die Temperatur des Trockeneises wird bevorzugt auf dem Sublimationspunkt von ca. minus 78°C gehalten.

Um Kohlendioxyd Anreicherungen am Schneidort zu vermeiden, ist für eine ausreichende Ventilation zu sorgen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Abrasiv-Wasserstrahlschneiden von Werkstoffen, bei dem ein Hochdruck-Wasserstrahl, dem ein Abrasivmittel zugegeben wurde, zum trennenden Bearbeiten des Werkstoffs benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Abrasivmittel Trockeneis verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Trockeneises am Schneidort etwa minus 75°C beträgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz des Trockeneises nach dem Injektorprinzip durch Ansaugen von Luft und zu geeigneter Größe zerkleinerten Partikeln des Trockeneises erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft vor dem Ansaugen getrocknet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Trockeneispartikel mit einem Durchmesser von etwa 0,35 mm verwendet werden.