DE20308788U1 - Oberflächenbearbeitungsvorrichtung - Google Patents
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Description
Anmelder:
Universität Hannover
Weifengarten 1
30167 Hannover
Weifengarten 1
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u. Z.: UNV-54-G 04.06.2003
Die Erfindung betrifft eine Oberflächenbearbeitungsvorrichtung mit einem Hochenergiestrahl, insbesondere einem Laserstrahl, und einem Trockeneisstrahl.
Eine Oberflächenbearbeitungsvorrichtung mit einem Laserstrahl und einem Trockeneisstrahl der eingangs genannten Art, wird in der Praxis zum Abtragen von Material an bzw. von O-berflächen eingesetzt. Bei dem abgetragenen Material kann es sich um Verunreinigungen,
&iacgr;&ogr; Beschichtungen oder Lagen bzw. Schichten des Materials selbst handeln. Bei diesem kyrotechnisches Verfahren trifft der Trockeneisstrahl im Brennfleck des Laserstrahls auf. Der Trockeneisstrahl wird von festem Kohlendioxid in Form von Pellets gebildet, welche in einem Gasstrom oder mittels Schleuderrädern auf die Bearbeitungsfläche projiziert werden. Durch eine diskontinuierliche Förderung der Trockeneispellets im Gasstrom erfolgt an der Bearbeitungsfläche zunächst eine Erwärmung durch den Laserstrahl und anschließend erfolgt durch das Auftreffen der Pellets ein schnelles Abkühlen und eine Sublimation mit Schockwelle. Durch die vorausgegangene Erwärmung mit dem Laserstrahl wird ein hoher Temperaturgradient mit einer gesteigerten Thermoschockwirkung erzeugt. Hierdurch wird auch ein Abtragen von Schichten bzw. Lagen von Beton und Keramik ermöglicht.
Als nachteilig hat es sich hierbei erwiesen, dass dieses Verfahren lediglich ortsgebunden einsetzbar ist. Der Einsatz ist dadurch im Wesentlichen auf einen industriellen Einsatz beschränkt. Insbesondere sind wünschenswerte Einsätze bei Demontageaufgaben, beispielsweise beim Rückbau kerntechnischer Anlagen, mit den bekannten Vorrichtungen nicht mög-
Weiterhin ist eine mobile Vorrichtung zum Trockeneisstrahlen von Oberflächen bekannt. Mit dieser Vorrichtung können Verunreinigungen und Lackschichten industriell abgetragen werden. Hierbei wird der Trockeneisstrahl manuell auf die zu bearbeitende Fläche gerichtet. Aufgrund der Geschwindigkeiten des Gasstrahls von über 300 m/s und der Geschwindigkeit der Trockeneispartikel von 190 bis 300 m/s ist diese Vorrichtung manuell allerdings nur sehr eingeschränkt beherrschbar. Aus sicherheitstechnischer Sicht ergibt sich hierdurch eine sehr begrenzte Einsatzmöglichkeit mit einem sehr engen Einsatzgebebiet.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Oberflächenbearbeitungsvorrichtung mit einem Hochenergiestrahl und einem Trockeneisstrahl derart auszuführen, dass der Einsatzbereich wesentlich erweitert wird. Insbesondere soll die Oberflächenbearbeitungsvorrichtung nicht auf einen ortsgebundenen Einsatz beschränkt sein.
Diese Aufgabe wird mit einer Oberflächenbearbeitungsvorrichtung gemäß den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Oberflächenbearbeitungsvorrichtung mit einem Hochenergiestrahl, insbesondere einem Laserstrahl, und einem Trockeneisstrahl vorgesehen, mit einem den Hochenergiestrahl und den Trockeneisstrahl zumindest teilweise umgebenden Arbeitsraum, welcher eine Absaugöffnung zur Entfernung von Bearbeitungsrückständen aufweist und mit einer Arbeitsraumöffnung dichtend auf eine Bearbeitungsfläche aufsetzbar ist, wobei die Oberflächenbearbeitungsvorrichtung als Handbearbeitungseinheit ausgebildet ist, die lediglich über flexible Leitungen mit den zugeordneten Versorgungseinheiten verbunden und von einem Bediener entlang einer frei wählbaren Bewegungsbahn verfahrbar ist. Hierdurch wird es erstmals ermöglicht, eine Oberflächenbearbeitungsvorrichtung mit einem Hochenergiestrahl und einem Trockeneisstrahl ortsungebunden einzusetzen und dadurch auch für individuelle Einsatzzwecke zu verwenden. Der Arbeitspunkt des Hochenergiestrahls bzw. des Trockeneisstrahls wird dabei durch die Handbearbeitungseinheit bestimmt, die hierzu lediglich auf die Bearbeitungsfläche aufgelegt und auf dieser verschoben wird. Die Handbearbeitungseinheit ist hinsichtlich Größe und Gewicht derart ausgebildet, dass sie von dem Bediener leicht mitführbar ist und daher dessen Bewegungsraum lediglich unwesentlich einschränkt. Durch das dichtende Aufsetzen des Arbeitsraumes auf die zu bearbeitende Oberfläche in Verbindung mit dem Absaugen der Bearbeitungsrückstände wird innerhalb des Arbeitsraumes ein Druck eingestellt, der geringer als der Umgebungsdruck ist. Durch diesen Unterdruck wird eine Kraft erzeugt, welche die Handbearbeitungseinheit auf das zu bearbeitende Werkstück presst. Durch diese Anpresskraft wird die Kraft des Trockeneisstrahls auf-
gehoben und die Führungsqualität bzw. Beherrschbarkeit der Handbearbeitungseinheit wird wesentlich verbessert. Der abgeschlossene Arbeitsraum verhindert eine Emission von Bearbeitungsrückständen an die Umgebung.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass zwischen einer den Arbeitsraum begrenzenden Wandfläche und der Bearbeitungsfläche eine Dichtung angeordnet ist. Ein Gasaustritt oder ein Entweichen von anderen Bearbeitungsrückständen kann hierdurch wirksam verhindert werden. Durch die Wahl des Dichtmaterials und unterschiedliche Dichtungsformen bzw. Dichtungsgestaltungen kann allerdings ein kontrollierter Gaseintritt gewährleistet, und der im Arbeitsraum anliegende Unterdruck und dadurch die Anpresskraft eingestellt werden. Somit wird eine Anpassung an individuelle Einsatzmöglichkeiten mit verschiedenen Werkstoffen und/oder Bearbeitungsaufgaben und an unterschiedliche Bediener ermöglicht.
Eine andere besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass die Handbearbeitungseinheit zur Einleitung einer Vorschubbewegung mit einem Antrieb ausgestattet ist. Hierdurch kann eine konstante, auf die optimale Bearbeitungsgeschwindigkeit abgestimmte Vorschubbewegung vorgegeben werden, welche zuverlässig reproduzierbare Prozessparameter gewährleistet und gleichzeitig den Bediener kräftemäßig erheblich entlastet.
Dabei erweist es sich als besonders praxisnah, dass der Antrieb einen Ketten- oder Riementrieb und/oder Räder aufweist. Hierdurch kann der Vorschub der Handbearbeitungseinheit auf Bearbeitungsflächen mit unterschiedlichsten Oberflächeneigenschaften gewährleistet werden. Weiterhin kann der Abstand zwischen der Wandfläche des Arbeitsraumes und der Bearbeitungsfläche, beispielsweise durch unterschiedliche Räderdurchmesser, an die Dichtungsausgestaltung bzw. an das Material der zu bearbeitenden Oberfläche angepasst werden.
Eine andere besonders zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass die Handbearbeitungseinheit mit einem Sicherheitssystem ausgestattet ist, welches bei einem unzureichenden Kontakt mit der Bearbeitungsfläche den Hochenergiestrahl und/oder den Trockeneisstrahl abschaltet. Hierdurch kann eine Verletzung durch den Hochenergiestrahl und/oder ein unkontrollierter Austritt des Trockeneises in Richtung des Bedieners verhindert werden. Der Hochenergiestrahl bzw. der Trockeneisstrahl wird nur bei Auflage der Handbearbeitungseinheit auf der Bearbeitungsfläche erzeugt. Als Sicherheitssystem könnte beispielsweise ein hierfür geeigneter Sensor eingesetzt werden.
Weiterhin besonders empfehlenswert ist eine Ausführungsform, bei der die Handbearbeitungseinheit eine Fernsteuerung aufweist. Hierdurch ist die Handbearbeitungseinheit auch in für einen Bediener unzugänglichen Umgebungen oder bei extrem gefährlichen Bedingungen einsetzbar.
Eine für den Bediener ebenfalls sehr nützliche Weiterbildung ergibt sich dadurch, dass die den Arbeitsraum begrenzende Wandfläche zumindest teilweise ein die Hochenergiestrahlung absorbierendes Material aufweist. Hierdurch sind zusätzlich Schutzmaßnahmen für den Bediener, beispielsweise ein Laserstrahl absorbierender Augenschutz, nicht erforderlich.
Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass die den Arbeitsraum begrenzende Wandfläche zumindest abschnittsweise ein transmissives Material aufweist. Hierdurch wird eine Überwachung des Arbeitsraumes bzw. des Arbeitspunktes der Handbearbeitungseinheit, beispielsweise durch eine Kamera, ermöglicht. Durch die Kamera kann der Arbeitspunkt auch dann überwacht werden, wenn der Laserstrahl im für das menschliche Auge des Bedieners nicht sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitet.
Eine weitere sehr bedienerfreundliche Abwandlung wird dadurch geschaffen, dass die den Arbeitsraum begrenzende Wandfläche zumindest abschnittsweise ein transparentes Material aufweist. Hierdurch wird eine visuelle Kontrolle des Arbeitsraumes bzw. des Arbeitspunktes der Handbearbeitungseinheit direkt durch den Bediener ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Oberflächenbearbeitungsvorrichtung ergibt sich dadurch, dass die Handbearbeitungseinheit zur Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen modular erweiterbar ist. Hierdurch können basierend auf der Handbearbeitungseinheit eine Vielzahl von an die jeweiligen Gegebenheiten angepassten Erweiterungen vorgesehen werden. Beispielsweise können weitere Werkzeuge substitutiv oder ergänzend in den Arbeitsraum integriert werden. Weiterhin können modulare Erweiterungen vorgesehen sein, die einen Einsatz der Handbearbeitungseinheit am Boden, an der Wand, an der Decke oder auf gekrümmten Oberflächen etc. ermöglichen.
Dabei erweist es sich als besonders praxisnah, dass die Handbearbeitungseinheit zur Führung zumindest ein Griffelement aufweist. Hierdurch kann die Handbearbeitungseinheit einerseits zuverlässig transportiert werden und andererseits wird auf eine einfache Art und Weise eine Führungsmöglichkeit für den Bediener realisiert.
Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung wird dadurch geschaffen, dass das Griffelement einen Führungshorn aufweist, der^eine Verfahrbarkeit#der# Handbearbeitungseinheit entlang
einer insbesondere bodennahen Bearbeitungsfläche aus einer im Wesentlichen aufrechten oder stehenden Position des Bedieners ermöglicht. Hierdurch wird die manuelle Betätigung für den Bediener erheblich vereinfacht und zugleich der Einsatzbereich der Vorrichtung erweitert.
Dabei erweist es sich als praxisnah, dass der Führungsarm eine einstellbare Länge und/oder Winkelstellung aufweist, um so auch schwierig zugängliche Bereiche der Bearbeitungsfläche zuverlässig erreichen zu können. Die Handbearbeitungseinheit kann dadurch beispielsweise auch in kleinen Räumen, Ecken oder auch in Rohrdurchführungen eingesetzt werden. Hierzu &iacgr;&ogr; kann der Führungsarm beispielsweise teleskopierbar sein.
Eine andere praxisnahe Abwandlung der Oberflächenbearbeitungsvorrichtung wird auch dadurch geschaffen, dass die Handbearbeitungseinheit ein Bedienelement aufweist. Durch das in der Handbearbeitungseinheit integrierte Bedienelement kann der Bediener während des Bearbeitungsprozesses die Prozessparameter einstellen bzw. anpassen. Hierdurch wird die Flexibilität der Oberflächenbearbeitungsvorrichtung erheblich gesteigert.
Durch die erfindungsgemäße Oberflächenbearbeitungsvorrichtung wurde ein universell einsetzbares System geschaffen, mittels dem eine flexible Oberflächenbearbeitung von verschiedensten Materialien ermöglicht wird. Denkbar ist beispielsweise auch eine Programmierung von verschiedenen Parametern für unterschiedliche Werkstoffe oder/und Bearbeitungsaufgaben.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Fig.1 eine Handbearbeitungseinheit einer erfindungsgemäßen Oberflächenbearbeitungsvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 2 die in Figur 1 gezeigte Handbearbeitungseinheit in einer Seitenansicht;
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der Handbearbeitungseinheit in einer aufrechten Arbeitsposition des Bedieners;
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Fig. 4 eine Prinzipdarstellung der Handbearbeitungseinheit in einer knienden Arbeitsposition des Bedieners.
Figur 1 und Figur 2 zeigen eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht einer Handbearbeitungseinheit 1 einer Oberflächenbearbeitungsvorrichtung 2 mit einem als Laserstrahl ausgebildeten Hochenergiestrahl 3 und einem Trockeneisstrahl 4, wobei der Trockeneisstrahl 4 in einem Brennfleck des Hochenergiestrahls 3 auftrifft. Ein den Hochenergiestrahl 3 und den Trockeneisstrahl 4 umgebender Arbeitsraum 5 liegt mit einer Arbeitsraumöffnung 6 dichtend auf einer Bearbeitungsfläche 7 auf. Hierzu ist zwischen einer den Arbeitsraum 5 begrenzenden Wandfläche 8 und der Bearbeitungsfläche 7 eine Dichtung 9 angeordnet. Weiterhin weist der Arbeitsraum 5 eine Absaugöffnung 10 zur Entfernung von Bearbeitungsrückständen auf. Die Absaugöffnung 10, eine den Hochenergiestrahl 3 erzeugende Optik 11 und eine Düse 12 zur Orientierung des Trockeneisstrahls 4 sind jeweils über eine flexible Leitung 13, 14, 15 mit nicht dargestellten Versorgungseinheiten verbunden. Hierdurch kann die Handbearbeitungseinheit 1 von einem nicht dargestellten Bediener entlang einer frei wählbaren Bewegungsbahn verfahren werden. Zur Einleitung einer Vorschubbewegung, ist die Handbearbeitungseinheit 1 mit einem Antrieb 16 ausgestattet. Durch die Absaugöffnung 10 wird in dem Arbeitsraum 5 ein Unterdruck erzeugt, der die Handbearbeitungseinheit 1 an die Bearbeitungsfläche 7 presst. Zur Führung bzw. zur Handhabung der Handbearbeitungseinheit 1 sind Griffelemente 17 vorgesehen. Im Bereich der Griffelemente 17 ist ein Bedienelement 18 zur Regelung der Prozessparameter angeordnet.
Eine modulare Erweiterung der Handbearbeitungseinheit 1 ist in Figur 3 dargestellt, welche eine Prinzipdarstellung der Handbearbeitungseinheit 1 in einer aufrechten Arbeitsposition des Bedieners 19 zeigt. Der Bediener 19 befindet sich dabei in einer aufrechten Körperhaltung und schiebt die Handbearbeitungseinheit 1 mittels eines Führungsarmes 20 vor sich her. Die Handbearbeitungseinheit 1 liegt hierbei auf einer horizontalen Bearbeitungsfläche 7 auf. Die Verbindung der Handbearbeitungseinheit 1 mit den nicht dargestellten Versorgungseinheiten erfolgt dabei mittels flexibler Leitungen 13, 14, 15, die den Bewegungsraum des Bedieners 19 nur unwesentlich einschränken.
Die Figur 4 zeigt eine Prinzipdarstellung der Handbearbeitungseinheit 1 in einer knienden Arbeitsposition des Bedieners 19. Hierbei liegt die Handbearbeitungseinheit 1 gegen eine vertikale Bearbeitungsfläche 7 an. So können auch sehr kleine oder mehrfach geformte oder gekrümmte Flächen zuverlässig bearbeitet werden.
Claims (14)
1. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) mit einem Hochenergiestrahl (3), insbesondere einem Laserstrahl, und einem Trockeneisstrahl (4) und einem den Hochenergiestrahl (3) und den Trockeneisstrahl (4) zumindest teilweise umgebenden Arbeitsraum (5), welcher eine Absaugöffnung (10) zur Entfernung von Bearbeitungsrückständen aufweist und mit einer Arbeitsraumöffnung (6) dichtend auf eine Bearbeitungsfläche (7) aufsetzbar ist, wobei die Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) als Handbearbeitungseinheit (1) ausgebildet ist, die lediglich über flexible Leitungen (13, 14, 15) mit den zugeordneten Versorgungseinheiten verbunden und von einem Bediener (19) entlang einer frei wählbaren Bewegungsbahn verfahrbar ist.
2. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer den Arbeitsraum (5) begrenzenden Wandfläche (8) und der Bearbeitungsfläche (7) eine Dichtung (9) angeordnet ist.
3. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Handbearbeitungseinheit (1) zur Einleitung einer Vorschubbewegung mit einem Antrieb (16) ausgestattet ist.
4. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (16) einen Ketten- oder Riementrieb und/oder Räder aufweist.
5. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Handbearbeitungseinheit (1) mit einem Sicherheitssystem ausgestattet ist, welches bei einem unzureichenden Kontakt mit der Bearbeitungsfläche (7) den Hochenergiestrahl (3) und/oder den Trockeneisstrahl (4) abschaltet.
6. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Handbearbeitungseinheit (1) eine Fernsteuerung aufweist.
7. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Arbeitsraum (5) begrenzende Wandfläche (8) zumindest teilweise ein die Hochenergiestrahlung (3) absorbierendes Material aufweist.
8. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Arbeitsraum (5) begrenzende Wandfläche (8) zumindest abschnittsweise ein transmissives Material aufweist.
9. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Arbeitsraum (5) begrenzende Wandfläche (8) zumindest abschnittsweise ein transparentes Material aufweist.
10. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Handbearbeitungseinheit (1) zur Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen modular erweiterbar ist.
11. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Handbearbeitungseinheit (1) zur Führung zumindest ein Griffelement (17) aufweist.
12. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Griffelement (17) einen Führungsarm (20) aufweist, der eine Verfahrbarkeit der Handbearbeitungseinheit (1) entlang einer insbesondere bodennahen Bearbeitungsfläche (7) aus einer im Wesentlichen aufrechten oder stehenden Position des Bedieners (19) ermöglicht.
13. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsarm (20) eine einstellbare Länge und/oder Winkelstellung aufweist.
14. Oberflächenbearbeitungsvorrichtung (2) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Handbearbeitungseinheit (1) ein Bedienelement (18) aufweist.
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