DE4341869A1 - Entfernung von harten Überzügen mit Ultrahochdruck-Flachstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Entfernung von harten Überzügen (Beschichtungen) von einem Substrat, sie betrifft insbe­ sondere ein Verfahren und ein System zur Entfernung von harten Überzügen (Beschichtungen) von Flugzeug-Triebwerks­ teilen oder dgl. unter Verwendung von Ultrahochdruck- Fluidstrahlen.

Bei verschiedenen Gelegenheiten ist es erforderlich, Über­ züge (Beschichtungen), wie Klebstoffe, Farbanstriche und thermische Sprühbeschichtungen von einer darunterliegenden Oberfläche, beispielsweise von Düsenmotor-Komponenten, zu entfernen. Solche Überzüge sind schwierig zu entfernen, insbesondere die Sprühbeschichtungen, die während des Be­ triebs hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Solche Überzüge werden in der Regel auf Brennergehäusen, Verbren­ nungskammern, Stator- und Rotor-Schaufeln und anderen Tei­ len eines Düsenmotors verwendet, die einer extrem aggres­ siven Umgebung ausgesetzt sind.

Nachdem ein Motor für eine bestimmte Anzahl von Stunden in Betrieb war, beginnen Bereiche des Überzugs (der Beschich­ tung) schwächer und schlechter zu werden aufgrund der ho­ hen Temperaturen und Beanspruchungen, denen er ausgesetzt ist. Da die Düsenmotorteile in der Regel alle sehr teuer sind, ist es erwünscht, eher einen schwächer gewordenen Überzug (Beschichtung) als das Motorteil zu ersetzen. Im Hinblick auf die hohe Qualität des Überzugs (der Beschich­ tung), die erzielt werden muß, ist es nicht akzeptabel, ein solches Teil einfach erneut zu beschichten. Es ist auch erforderlich, den alten Überzug (Beschichtung) zu entfernen, um so das Substrat auf Verschleiß und Ermüdung überprüfen und erforderlichenfalls reparieren zu können, wonach das Teil dann erneut beschichtet werden kann.

Früher erfolgte die Entfernung eines solchen harten Über­ zugs (Beschichtung) durch Verwendung extrem aggressiver und toxischer Chemikalien. Unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes wird dieses Verfahren jedoch immer weniger akzeptabel. Die Entfernung eines harten Überzugs (Beschichtung) erfolgt derzeit auch durch maschinelle Be­ arbeitung und Schleifen. Flugzeug- und Düsenmotor-Teile haben in der Regel jedoch nicht eine standardisierte Form, wenn man berücksichtigt, daß Komponenten, wie Brennerge­ häuse und Verbrennungskammern, aus Metallblech hergestellt sind und sich deshalb bei ihrer Verwendung leicht verfor­ men. Als Folge davon ist es sehr schwierig, eine maschi­ nelle Bearbeitung zur Entfernung von harten Überzügen (Beschichtungen) durch Schleifen durchzuführen und ein solches Verfahren kann praktisch nicht automatisiert wer­ den. Zwar können die Teile auch von Hand geschliffen wer­ den, ein solches Verfahren ist jedoch zeitraubend und langsam und der Operator ist, wie angenommen wird, mögli­ cherweise toxischem Staub ausgesetzt.

Es besteht daher ein Bedarf für ein verbessertes Verfahren zur Entfernung von harten Überzügen (Beschichtungen) von darunterliegenden Oberflächen.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein ver­ bessertes Verfahren zur Reinigung von Oberflächen bereit­ zustellen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur gleichmäßigen Entfernung einer Material­ schicht von einer darunterliegenden Oberfläche bereitzu­ stellen, ohne daß die darunterliegende Oberfläche beschä­ digt wird. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Entfernung von harten Überzügen (Beschichtungen) von einem Substrat anzugeben, das repro­ duzierbare Ergebnisse liefert.

Diese und weitere Ziele der Erfindung werden, wie aus den weiter unten näher beschriebenen bevorzugten Ausführungs­ formen hervorgeht, erreicht mit einem Verfahren und einem System, bei denen eine Ultrahochdruck-Flachstrahl-Düse verwendet wird, die einen Ultrahochdruck-Fluid-Flachstrahl liefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein unter Druck stehendes Fluid, in der Regel Wasser, durch positive Hochdruck-Verdrängerpumpen oder andere geeignete Einrichtungen erzeugt. Diese Pumpen setzen ein Fluid unter Druck mittels eines Hubkolbens, der das Fluid aus einem Einlaß-Bereich während eines Ansaug-Takts in eine Druck­ kammer ansaugt und während eines Pump-Takts gegen das Fluid drückt, wodurch das unter Druck gesetzte Fluid aus der Druckkammer in eine Auslaßkammer gedrückt wird, in der es in einem Sammelrohr gesammelt wird. Das unter Druck stehende Fluid wird dann durch die Düse einer Vorrichtung gepreßt, wodurch ein Ultrahochdruck-Strahl erzeugt wird, der zur Durchführung einer speziellen Aufgabe (Arbeit), beispielsweise zur Reinigung einer Oberfläche, z. B. auf Flugzeug-Teilen, eingesetzt werden kann. Diese Strahlen können Drucke bis zu 3870 bar (55 000 psi) und mehr errei­ chen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Düse eine innere Oberfläche, die durch eine konische Bohrung defi­ niert ist, die sich von einem ersten Ende der Düse bis zu einem zweiten Ende der Düse erstreckt. Als Folge davon ist das erste Ende mit einer Eintrittsöffnung versehen, durch die ein Volumen des unter Druck stehenden Fluids in die Düse eintreten kann, und das zweite Ende ist mit einer Austrittsöffnung versehen, durch welche das unter Druck stehende Fluid nach dem Passieren des Rumpfes der Düse austreten kann. Das zweite Ende der Düse ist außerdem mit einem keilförmigen Schlitz (Kerbe) ausgestattet, der sich von seinem breitesten Punkt an dem zweiten Ende in Rich­ tung auf das erste Ende der Düse erstreckt, wobei er die Austrittsöffnung schneidet (kreuzt). Infolgedessen ist die Gestalt der Austrittsöffnung definiert durch den Schnitt­ punkt der konischen Bohrung mit dem keilförmigen Schlitz. Die Gestalt der Austrittsöffnung bewirkt, daß das unter Druck stehende Fluid die Düse verläßt in Form eines Flach­ strahls mit einer im wesentlichen linearen Auftrefffläche, deren Breite variiert bei Änderungen der geometrischen Form der Düse. Zum Zwecke der Erläuterung kann die Auf­ trefffläche als schmales Rechteck oder als Oval mit einem sehr hohen Aspektverhältnis von beispielsweise 100 : 1, das eine Hauptachse und eine Nebenachse aufweist, angesehen werden.

Dieser Flachstrahl kann über eine Oberfläche, die gerei­ nigt werden soll, in Richtung der Nebenachse der Auftreff­ fläche geführt werden, um eine Materialschicht selektiv zu entfernen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Abstand, der definiert werden kann als Entfernung zwischen der Austrittsöffnung und der zu reinigenden Oberfläche zwischen 1,27 und 2,54 cm (0,5-1 inch) und optimale Ergeb­ nisse werden dann erzielt, wie angenommen wird, wenn der Abstand 1,91 cm (0,75 inch) beträgt. Wenn der Abstand grö­ ßer als 2,54 cm (1 inch) ist, wenn er beispielsweise 3,18 cm (1,25 inch) beträgt, wird der Fluid-Flachstrahl breiter und unwirksam bei der Entfernung eines harten Überzugs (Beschichtung). Die Wirksamkeit des Flachstrahls wird auch beeinflußt durch die Geschwindigkeit, mit welcher der Strahl über die zu reinigende Oberfläche geführt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Wanderungsge­ schwindigkeit in dem Bereich zwischen 10,16 und 40,64 m/min (400-1600 inches/min), wobei leicht optimale Ergeb­ nisse auftreten bei einer Wanderungsgeschwindigkeit von 30,48 m/min (1200 inches/min). Wenn die Wanderungsge­ schwindigkeit langsam ist, beispielsweise weniger als 4,80 m/min (200 inches/min) beträgt, entsteht auf dem zu reini­ genden Teil eine nicht akzeptable Streifenbildung. Die Wirksamkeit des Reinigungsverfahrens wird auch beeinflußt durch die Qualität des Flachstrahls, die ihrerseits beein­ flußt wird durch die Länge und den Durchmesser einer Beru­ higungskammer stromaufwärts von der Düse. Die Länge der Beruhigungskammer kann definiert werden als der Abstand von dem letzten Punkt, an dem eine Strömungsstörung auf­ tritt, bis zur Eintrittsöffnung. Diese Strömungsstörungs­ punkte können beispielsweise an einem Verbindungspunkt mit einer Ultrahochdruck-Fluid-Quelle oder irgendeiner scharfen Krümmung oder Durchmesseränderung auftreten, die den Strömungsweg des Fluids gegenüber demjenigen einer einfachen glatten Bohrung ändert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge einer Beruhigungskammer 10,16 bis 15,24 cm (4-6 inches), wobei angenommen wird, daß akzeptable Ergebnisse erzielt werden, wenn diese Länge mindestens 1,91 cm (0,75 inch) beträgt. Es wird ferner an­ genommen, daß akzeptable Ergebnisse erzielt werden, wenn der Durchmesser der Beruhigungskammer zwischen 0,32 und 0,95 cm (1/8-3/8 inch) liegt.

Die Energieverteilung des Flachstrahls kann durch Änderung des Innenwinkels der konischen Bohrung und des Winkels des keilförmigen Schlitzes (Kerbe) gesteuert werden. Dies ist günstig, weil verschiedene Energieverteilungen für eine spezielle Aufgabe besser geeignet sein können als andere. So wird beispielsweise im Zusammenhang mit der vorstehend diskutierten Reinigung angenommen, daß es vorteilhaft ist, einen Flachstrahl mit einer gleichmäßigen Energievertei­ lung zur Verfügung zu haben, die erzielt werden kann durch korrekte Einstellung der geometrischen Form der Düse.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist auch die äußere Oberfläche der Düse konisch, so daß das zweite Ende eine im wesentlichen kreisförmige ebene Oberfläche hat. Außer­ dem ist der keilförmige Schlitz (Kerbe) so auf den Durch­ messer der kreisförmigen ebenen Oberfläche ausgerichtet, daß der resultierende Flachstrahl vertikal ausgerichtet ist (fluchtet) auf eine Längsachse der Düse. Bei einer an­ deren Ausführungsform kann der keilförmige Schlitz (Kerbe) so versetzt sein, daß er nicht auf den Durchmesser der Oberfläche des zweiten Endes ausgerichtet ist (fluchtet), so daß ein "Seitenfeuer"-Flachstrahl entsteht, der aus der Düse unter einem Winkel, bezogen auf die Längsachse der Düse, austritt. Ein solcher Seitenfeuer-Flachstrahl kann auch erzeugt werden durch Schleifen des keilförmigen Schlitzes in einem Winkel relativ zur Längsachse der Düse, so daß die Achse der Düse nicht in der Ebene des Schlitzes liegt.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der keilförmige Schlitz in einem Winkel relativ zu der Längsachse der Düse vorliegen, so daß die Achse der Düse in der Ebene des Schlitzes verläuft. Dadurch entsteht ein "gewinkelter" Flachstrahl.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie hier erläu­ tert wird, ist die Düse in einem Aufnahmekegel so montiert (befestigt), daß dann, wenn ein Volumen des unter Druck stehenden Fluids die Düse passiert, der Aufnahmekegel der Düse entgegenwirkt, wodurch bewirkt wird, daß die Innen­ wände der Düse in der Nähe der und bei der Austrittsöff­ nung in einem Druckbeanspruchungs-Zustand vorliegen. Die­ ser Zustand erhöht die Beständigkeit der Düse gegen Ermü­ dung und Verschleiß.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Düse herge­ stellt durch maschinelles Ausheben einer konischen Bohrung aus einem Rohling aus geglühtem (vergütetem) rostfreiem Stahl. Die innere Oberfläche der Düse wird oberflächenbe­ handelt durch Hineindrücken einer kegelförmigen Form in die konische Bohrung, wodurch Maschinenbearbeitungsmarkie­ rungen eliminiert werden und die Qualität der inneren Oberfläche verbessert wird. Der Teil wird dann wärmebehan­ delt, wobei vorher oder nachher die äußere Oberfläche der Düse oberflächenbehandelt werden kann. Wenn der Teil ein­ mal wärmebehandelt worden ist, wird ein keilförmiger Schlitz aus dem zweiten Ende der Düse maschinell ausgeho­ ben bis zu einer ausreichenden Tiefe, so daß die Gestalt der Austrittsöffnung definiert ist durch die Überkreuzung der konischen Bohrung mit dem keilförmigen Schlitz.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Düse, die ein Element einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erläutert;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Düse gemäß Fig. 1, die in einem Aufnahmekegel montiert (befestigt) ist;

Fig. 3 eine Erläuterung einer Oberfläche, die erfin­ dungsgemäß gereinigt wird unter Verwendung der Düse gemäß Fig. 1;

Fig. 4a-c Diagramme, welche den Einfluß der Änderung des Innenkonuswinkels der Düse der Fig. 1 auf die Energieverteilung eines resultierenden Flach­ strahls erläutern;

Fig. 5a-c Diagramme, welche den Einfluß der Änderung des äußeren Keilwinkels der Düse gemäß Fig. 1 auf die Gestalt des resultierenden Flachstrahls er­ läutern;

Fig. 6a-b ebene Bodenansichten, welche alternative Ausfüh­ rungsformen der Düse gemäß Fig. 1 erläutern;

Fig. 7a-c Diagramme, welche Front- und Seitenansichten von drei alternativen Ausführungsformen der Düse ge­ mäß Fig. 1 und die resultierenden Flachstrahlen erläutern; und

Fig. 8 eine ebene Draufsicht auf einen Schleifaufsatz (Schleifbearbeitungsvorrichtung), die zur Her­ stellung der Düse gemäß Fig. 1 verwendet wird.

Häufig ist es erwünscht und erforderlich, einen harten Überzug (Beschichtung), wie z. B. einen Klebstoff, Farban­ strich oder thermischen Sprühüberzug von einer darunter­ liegenden Oberfläche, beispielsweise Düsentriebwerks- Komponenten, zu entfernen. Nach der Reinigung einer sol­ chen Oberfläche ist es erwünscht, eine zu 100% saubere Oberfläche zu erhalten und eine Überzugsschicht zu entfer­ nen, ohne die darunterliegende Oberfläche zu beschädigen. Dies wird bei einer Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung erzielt durch Anwendung eines Verfahrens und eines Systems, in denen Ultrahochdruck-Fluid-Flachstrahlen ver­ wendet werden.

Ultrahochdruck-Fluidstrahlen können allgemein erzeugt wer­ den durch positive Hochdruck-Verdrängerpumpen (nicht dar­ gestellt) und sie können Drucke bis zu 3870 bar (55 000 psi) und mehr erreichen. Das durch die Pumpe erzeugte, un­ ter Druck stehende Fluid wird in der Regel in einem Sam­ melrohr gesammelt, aus dem das Fluid durch die Düse einer Vorrichtung (nicht dargestellt) geführt wird, wodurch ein Ultrahochdruck-Strahl erzeugt wird, der zur Durchführung einer speziellen Aufgabe (Arbeit) verwendet werden kann.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik erfolgt die Entfer­ nung eines harten Überzugs (Beschichtung) durch Anwendung von Chemikalien oder durch maschinelle Bearbeitung und Schleifen der Oberfläche. Diese Verfahren sind jedoch Be­ schränkungen unterworfen hinsichtlich der Umweltschutzbe­ lange und in bezug auf Schwierigkeiten, die auftraten bei dem Versuch der Automatisierung oder Entwicklung einer Ap­ paratur zum Abschleifen eines Überzugs (Beschichtung) von einer Oberfläche mit einer nicht-standardisierten Gestalt, beispielsweise einem Brennergehäuse oder einer Ver­ brennungskammer, die durch ihre Verwendung verformt sein kann.

Die Fig. 1 und 2 erläutern eine bevorzugte Ausführungsform einer Düse, wie sie in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird. Eine Düse 12 weist ein erstes Ende 14, ein zweites Ende 16, eine äußere Oberfläche 18 und eine innere Oberfläche 20 auf. Die innere Oberfläche 20 ist definiert durch eine konische Bohrung 22, die sich von dem ersten Ende 14 bis zu dem zweiten Ende 16 er­ streckt, wodurch eine Eintrittsöffnung 24 und eine Aus­ trittsöffnung 26 in dem ersten Ende 14 bzw. in dem zweiten Ende 16 erzeugt werden. Ein keilförmiger Schlitz (Kerbe) 28 erstreckt sich von dem zweiten Ende 16 in Richtung auf das erste Ende 14 bis zu einer solchen Tiefe 44, daß der Schlitz (die Kerbe) 28 und die konische Bohrung 22 einan­ der überschneiden (kreuzen). Die Gestalt der Austrittsöff­ nung 26 ist deshalb definiert durch diese Überkreuzung zwischen der konischen Bohrung 22 und dem keilförmigen Schlitz (Kerbe) 28. Wenn ein Volumen des unter Druck ste­ henden Fluids die Düse 12 passiert und aus der Austritts­ öffnung 26 austritt, bewirkt die Gestalt der Austrittsöff­ nung 26, daß das unter Druck stehende Fluid in Form eines Flachstrahls mit einer im wesentlichen linearen Auftreff­ fläche aus der Düse austritt.

Wie in Fig. 2 erläutert, ist die Düse 12 bei einer bevor­ zugten Ausführungsform innerhalb eines Aufnahmekegels 30 montiert (befestigt), der eine Düsenmutter 31 aufweist. Wenn das Fluid den Aufnahmekegel 30 und die Düse 12 pas­ siert, drückt der Aufnahmekegel 30 gegen die Düse 12, wo­ durch die innere Oberfläche 20 der Düse 12 in der Nähe der und an der Austrittsöffnung 26 in einen Druckbeanspruch­ ungs-Zustand versetzt wird. Dadurch, daß die Düse 12 eher im komprimierten Zustand als im gespannten Zustand vor­ liegt, ist sie beständiger gegen Ermüdung und Verschleiß.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die äußere Ober­ fläche 18 der Düse 12 konisch, so daß das zweite Ende 16 eine im wesentlichen kreisförmige ebene Oberfläche 45 auf­ weist, wie in Fig. 6a dargestellt. Der keilförmige Schlitz (Kerbe) 28 ist ausgerichtet auf (fluchtet mit) den Durch­ messer der kreisförmigen Oberfläche 45, so daß er durch das Zentrum 47 des zweiten Endes 16 hindurchgeht. Als Folge davon tritt der Flachstrahl des unter Druck stehen­ den Fluids aus der Düse 12 in eine Richtung aus, die im wesentlichen ausgerichtet ist auf (fluchtet mit) die Längsachse 50 der Düse 12. Dieser Flachstrahl kann als "gerader" Flachstrahl 49 bezeichnet werden, wie in Fig. 7a dargestellt. Ein gerader Flachstrahl 49 kann in verschie­ denen Fällen nützlich sein, beispielsweise bei der Reini­ gung oder bei der Entfernung eines Überzugs (Beschich­ tung), wie nachstehend näher erläutert.

Bei einer Ausführungsform, wie sie in Fig. 6b dargestellt ist, ist der keilförmige Schlitz (Kerbe) 28 so versetzt, daß er nicht mehr ausgerichtet ist auf (fluchtet mit) den Durchmesser der kreisförmigen Oberfläche 45 des zweiten Endes 16. Als Folge davon tritt der Flachstrahl aus der Düse 12 aus unter einem Winkel, bezogen auf die Längsachse 50 der Düse 12. Ein solcher Flachstrahl kann als "Seiten­ feuer"-Flachstrahl 51 bezeichnet werden, wie in Fig. 7b dargestellt. Ein Seitenfeuer-Flachstrahl 51 kann auch er­ zeugt werden durch Schleifen des keilförmigen Schlitzes (Kerbe) 28 in einem Winkel relativ zur Längsachse 50 der Düse 12, so daß die Achse 50 der Düse 12 nicht in der Ebene des Schlitzes (Kerbe) 28 liegt. Seitenfeuer-Flach­ strahlen 51 können bei verschiedenen Gelegenheiten nütz­ lich sein, beispielsweise wenn es erforderlich ist für die Reinigung oder Entfernung von Mörtelschlamm aus den Seiten eines engen, tiefen Bereiches, beispielsweise einer Fuge zwischen zwei Betonblöcken.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform, sie in Fig. 7c dargestellt ist, kann der keilförmige Schlitz (Kerbe) 28 unter einem Winkel relativ zur Längsachse 50 der Düse 12 vorliegen, so daß die Achse 50 der Düse 12 in der Ebene des Schlitzes (Kerbe) 28 liegt. Dadurch entsteht ein "gewinkelter" Flachstrahl 53, der, wie angenommen wird, bei verschiedenen Gelegenheiten nützlich ist.

Wie vorstehend erläutert, liegt das aus der Düse 12 aus­ tretende, unter Druck stehende Fluid in Form eines Flach­ strahls mit einer im wesentlichen linearen Auftrefffläche vor, deren Breite variiert mit Änderungen der Geometrie der Düse. Zu Erläuterungszwecken kann die Auftrefffläche als schmales Rechteck oder als Oval mit einem sehr hohen Aspektverhältnis von beispielsweise 100 : 1, das eine Haupt­ achse und eine Nebenachse aufweist, angesehen werden. Die geometrische Form des Flachstrahls kann kontrolliert wer­ den durch Einstellung der geometrischen Form der Düse, wo­ bei unterschiedliche geometrische Formen mehr erwünscht sind je nach der durchzuführenden Arbeit (Aufgabe). So ist es beispielsweise bei der Reinigung oder Entfernung eines harten Überzugs häufig erwünscht, eine Materialschicht von einer darunterliegenden Oberfläche selektiv zu entfernen, ohne die darunterliegende Oberfläche zu beschädigen. Es ist auch erwünscht und häufig erforderlich, eine zu 100% saubere Oberfläche zu erzeugen. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist es durch Fuhren des Flachstrahls 32, der durch die be­ vorzugte Ausführungsform der hier erläuterten Düse 12 ge­ bildet wird, über eine Oberfläche 56, die gereinigt werden soll, in Richtung 60 der Hauptachse der Auftrefffläche des Flachstrahls möglich, eine Materialschicht 62 gleichmäßig und vollständig zu entfernen, wodurch die mit der Verwen­ dung von Chemikalien oder mit dem Schleifen verbundenen Probleme vermieden werden.

Es wird angenommen, daß die Wirksamkeit der Entfernung ei­ nes harten Überzugs 62 gemäß der vorliegenden Erfindung beeinflußt wird durch den Abstand 58 oder die Distanz zwi­ schen der Austrittsöffnung 26 und der zu reinigenden Ober­ fläche 56, die Geschwindigkeit, mit welcher der Flach­ strahl über die zu reinigende Oberfläche 56 geführt wird, die Länge 66 und den Durchmesser 68 der Beruhigungskammer 64 oder den Bereich zwischen der letzten auftretenden Strömungsstörung und der Eintrittsöffnung 24 und die Ener­ gieverteilung des Flachstrahls. Wenn man jeden dieser Punkte nacheinander betrachtet, so liegt bei einer bevor­ zugten Ausführungsform der Abstand 58, wie in Fig. 3 dar­ gestellt, zwischen 1,27 und 2,54 cm (0,5-1 inch), wobei, wie angenommen wird, optimale Ergebnisse erzielt werden, wenn dieser Abstand 1,91 cm (0,75 inch) beträgt. Wenn ein Flachstrahl 32 zuerst aus der Düse austritt, erscheint er glasartig. Wenn der Abstand 58 vergrößert wird, reißt der Flachstrahl 32 Luft mit sich, so daß das Hochdruck-Fluid in Tröpfchen zerfällt. Es wird angenommen, daß bei dem be­ vorzugten Bereich für den Abstand 58 von 1,27 bis 2,54 cm (0,5-1 inch) der Fluid-Flachstrahl 32 besteht aus Hochge­ schwindigkeits-Tröpfchen, die in der Ausbreitung von ela­ stischen Hochfrequenz-Wellen resultieren, die zu einer Zerlegung des Überzugs (Beschichtung) führen. Wenn der Ab­ stand 58 weiter vergrößert wird, so werden die Tröpfchen, wie angenommen wird, langsamer, wodurch die Wirksamkeit des Flachstrahls in bezug auf die Entfernung eines harten Überzugs 62 gemäß der vorliegenden Erfindung vermindert wird. Es wird daher angenommen, daß es zweckmäßig ist, einen ausreichenden Abstand 58 zu haben, so daß eine Tröpfchenbildung erzeugt wird, wobei der Abstand 58 jedoch klein genug ist, um zu bewirken, daß die Tröpfchen sich noch mit einer hohen Geschwindigkeit bewegen.

Wie oben angegeben, wird die Wirksamkeit des Flachstrahls beeinflußt durch die Geschwindigkeit, mit welcher der Flachstrahl 32 über die zu reinigende Oberfläche 56 ge­ führt wird, wie in Fig. 3 dargestellt. Bei einer bevorzug­ ten Ausführungsform liegt die Wanderungsgeschwindigkeit zwischen 10,16 und 40,64 m/min (400-1600 inches/min), wo­ bei leicht optimale Ergebnisse auftreten bei 30,48 m/min (1200 inches/min). Bei niedrigen Wanderungsgeschwindigkei­ ten von beispielsweise weniger als 5,08 m/min (200 in­ ches/min) entsteht eine nicht akzeptable Streifenbildung auf dem Substrat oder der zu reinigenden Oberfläche 56. Dieses Problem wird vermieden durch Anwendung der oben an­ gegebenen Wanderungsgeschwindigkeiten und dadurch, daß man den Flachstrahl mehrmals über die Oberfläche 56 hinweg­ führt. Wenn beispielsweise die gegebene Aufgabe darin be­ steht, eine harten Überzugsschicht 62 von einer zylindri­ schen Verbrennungskammer zu entfernen, deren Längsachse in einer vertikalen Richtung liegt, kann ein Flachstrahl in einer vertikalen Richtung über die innere Oberfläche der Verbrennungskammer geführt werden, während die Kammer sich um ihre Achse dreht, wobei der Flachstrahl mit einer aus­ gewählten Geschwindigkeit jeweils um eine kleine Strecke von beispielsweise 1,27 bis 12,7 mm (0,05-0,5 inch) wei­ terbewegt wird. Diesem Schema folgt man für einen voll­ ständigen Zyklus, wobei ein Zyklus definiert ist als eine Bewegung von einem Ende der Verbrennungskammer bis zu dem anderen Ende und zurück zu dem ersten Ende. Ein solcher Zyklus kann dann wiederholt werden, bis die Ver­ brennungskammer in dem erforderlichen Umfang gereinigt ist.

Die Länge 66 und der Durchmesser 68 der Beruhigungskammer 64 stromaufwärts von der Düse 12 beeinflussen ebenfalls die Qualität des Flachstrahls 32 und die Wirksamkeit der Überzugsentfernung. Eine Länge 66 der Beruhigungskammer 64, wie in Fig. 2 dargestellt, kann definiert werden als der Abstand zwischen dem Punkt 65 entlang des Strömungswe­ ges, welcher der letzten Strömungsstörung vor dem Eintritt des Fluids in die Düse entspricht, und der Eintrittsöff­ nung 24. Der letzte Strömungsstörungspunkt 65 steht in der Regel im Zusammenhang mit einer Ultrahochdruck-Fluid- Quelle oder er kann irgendeine scharfe Krümmung oder Ände­ rung des Durchmessers 68 des Strömungsweges sein, die von einer geraden, glatten Bohrung verschieden ist. Es ist für den Fachmann auf diesem Gebiet klar, daß divergierende Be­ reiche des Strömungsweges nachteilige Druckgradienten her­ vorrufen, die zu einer Aufteilung und turbulenten Strömung führen, die eine Verschlechterung der Qualität des Flach­ strahls hervorrufen und sein Leistungsvermögen beeinträch­ tigen können. Die Länge 66 und der Durchmesser 68 der Beruhigungskammer 64 sind daher, wie angenommen wird, signifikant für das Leistungsvermögen des Flachstrahls bei der Entfernung von Überzügen (Beschichtungen). Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Länge 66 der Beruhi­ gungskammer 64 zwischen 10,16 und 15,24 cm (4-6 inches), wobei angenommen wird, daß akzeptable Ergebnisse auch er­ zielt werden, wenn diese Länge 66 mindestens 1,91 cm (0,75 inch) beträgt. Es wird ferner angenommen, daß akzeptable Ergebnisse erzielt werden, wenn der Durchmesser 68 der Be­ ruhigungskammer 64 zwischen 0,32 und 0,95 cm (1/8-3/8 in­ ches) liegt. Es ist für den Fachmann klar, daß eine Anzahl von Düsen 12 ausgerichtet sein kann auf und gemeinsam hin­ weggeführt werden kann über eine Oberfläche, um eine grö­ ßere Fläche schneller und wirksamer zu reinigen.

Wie in den Fig. 4a-c dargestellt, kann die geometrische Form der Düse 12 geändert werden, um die resultierende geometrische Form und die Energieverteilung des Flach­ strahls zu steuern. So ist es beispielsweise, wie bei der oben dargestellten Reinigung erläutert, zweckmäßig, eine gleichmäßige Energieverteilung entlang der Breite des Flachstrahls zu haben, die in einer gleichmäßigen Vertei­ lung der Energie über die zu reinigende Oberfläche 56 re­ sultiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in Fig. 4a dargestellt ist, beträgt der Innenwinkel 34a der konischen Bohrung 22 90° zur Erzielung einer gleichmä­ ßigen Energieverteilung 36a des Flachstrahls, so daß die Energie im Zentrum 40a an den Enden 42a des Flachstrahls die gleiche ist. Bei einer anderen Ausführungsform, wie sie in Fig. 4b dargestellt ist, beträgt der Innenwinkel 34b der konischen Bohrung 22 weniger als 90°, beispiels­ weise 60°, wodurch eine Energieverteilung 36b resultiert, die in einem Zentrum 40b des Flachstrahls konzentriert ist und zu den Enden 42b des Flachstrahls hin abnimmt. Bei ei­ ner anderen alternativen Ausführungsform, wie sie in Fig. 4c dargestellt ist, ist der Innenwinkel 34c der konischen Bohrung 22 größer als 90°, er beträgt beispielsweise 105°, was zu einer Energieverteilung 36c führt, die an den Enden 42c des Flachstrahls konzentriert ist und minimal ist im Zentrum 40c des Flachstrahls. Jede dieser Konfigurationen hat ihre eigenen Anwendungsbereiche. So ist beispielsweise die gleichmäßige Energieverteilung, wie sie in Fig. 4a dargestellt ist, bevorzugt für viele Reinigungsarbeiten, weil sie gleichmäßig entlang ihrer Breite auf die zu reinigende Oberfläche 56 einwirkt.

Wie in den Fig. 5a-c dargestellt, können Änderungen des äußeren Winkels 33 des keilförmigen Schlitzes (Kerbe) 28 vorgenommen werden zur Steuerung der Gestalt und Dicke des Flachstrahls. Wie in Fig. 5a dargestellt, ergibt ein klei­ ner Keilwinkel 33a einen breitwinkligen Flachstrahl 35, während ein großer Keilwinkel 33c, wie in Fig. 5c darge­ stellt, einen engwinkligen Flachstrahl 37 ergibt. Obgleich nicht dargestellt, nimmt die Dicke des Flachstrahls auch zu mit steigendem Keilwinkel. Auch hier haben verschiedene Konfigurationen verschiedene Anwendungsbereiche, wobei beispielsweise ein engwinkliger Flachstrahl, wie er bei­ spielsweise erzeugt wird durch den breitwinkligen Keilwin­ kel in Fig. 5c in bezug auf die Energiezuführung zu einem Ziel stärker konzentriert ist, was erforderlich sein kann, wenn der Abstand zwischen der Düse 12 und der zu reinigen­ den Oberfläche 56 verhältnismäßig groß ist.

Die Düse 12 wird hergestellt durch maschinelles Bearbeiten eines Rohlings 64 aus irgendeiner beliebigen hochfesten Metallegierung, beispielsweise aus gehärtetem (vergütetem) Stahl. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Düse 12 hergestellt aus dem rostfreien Stahl Carpenter Custom 455. Die konische Bohrung 22 wird maschinell aus dem Roh­ ling ausgehoben, danach wird die innere Oberfläche 20 durch Hineinpressen einer kegelförmigen Form (nicht darge­ stellt) in die konische Bohrung 22 oberflächenbehandelt, wodurch die Maschinenbearbeitungsmarkierungen eliminiert werden und die Qualität der inneren Oberfläche 20 verbes­ sert wird. Die Düse 12 wird dann bei einer gegebenen Tem­ peratur für eine gegebene Zeitspanne wärmebehandelt, um die Festigkeit des Materials zu erhöhen. Die richtige Tem­ peratur und die richtige Zeitdauer hängen ab von dem ver­ wendeten Material und sind dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt. So wird beispielsweise bei einer bevorzugten Aus­ führungsform, bei der die Düse aus Carpenter Custom 455 besteht, die Düse 4 h lang bei 482°C (900°F) behandelt und dann an der Luft abgekühlt. Die äußere Oberfläche 18 der Düse 12 kann oberflächenbehandelt werden, bevor oder nach­ dem die Düse wärmebehandelt worden ist. Bei einer bevor­ zugten Ausführungsform ist die äußere Oberfläche 18 ko­ nisch, so daß das zweite Ende 16 eine im wesentlichen kreisförmige ebene Oberfläche 45 hat.

Der keilförmige Schlitz (Kerbe) 28 wird dann aus dem Roh­ ling 64 oder der Düse 12 maschinell ausgehoben in dem zweiten Ende 16 bis zu einer ausreichenden Tiefe, so daß der Schlitz (Kerbe) 28 die durch die konische Bohrung 22 geschaffene Austrittsöffnung 26 schneidet (kreuzt). Wie in Fig. 8 dargestellt, umfaßt der Schleifaufsatz (die Schleifbearbeitungsvorrichtung) 59 zwei Diamant-Abricht­ werkzeuge 60, die so positioniert sein können, daß sie den gewünschten Winkel erzeugen, so daß dann, wenn die Ab­ richtwerkzeuge 60 gegen ein Schleifrad 62 drücken, sie den gleichen Winkel auf dem Rand des Schleifrades 62 erzeugen. Mehrere der Rohlinge 64 sind auf einem Türmchen 66 befe­ stigt, das sowohl seitlich als auch longitudinal bewegt werden kann, um den Rohling auf das Schleifrad 62 auszu­ richten. Wenn das Schleifrad 62 gegen den Rohling 64 drückt, um den keilförmigen Schlitz (Kerbe) 28, dessen Winkel dem gewünschten Winkel zwischen den Abrichtwerk­ zeugen und dem Schleifrad entspricht, zu erzeugen, werden Schmiermittel verwendet, um die Apparatur zu kühlen und eine Beschädigung zu verhindern, wobei das Verfahren und die Notwendigkeit desselben für den Fachmann auf diesem Gebiet selbstverständlich sind.

Zum Eichen des Systems wird ein erster Rohling 64 verwen­ det. Ein Operator für den Schleifaufsatz 59 schleift einen keilförmigen Schlitz (Kerbe) 28 in den Rohling und dann wird das Türmchen 66 um 90° gedreht, um die Ausrichtung des keilförmigen Schlitzes (Kerbe) 28 auf die konische Bohrung 22 zu prüfen. Diese Inspektion erfolgt mittels ei­ nes Mikroskops (nicht dargestellt). Wenn der keilförmige Schlitz (Kerbe) 28 nicht richtig ausgerichtet ist, werden Einstellungen durch Bewegen des Türmchens 66 durchgeführt. Wenn einmal die gewünschte Ausrichtung erzielt ist, können dann mehrere Düsen 12 sehr schnell hergestellt werden durch Befestigen von mehreren Rohlingen 64 auf dem Türm­ chen 66 und Schleifen des keilförmigen Schlitzes (Kerbe) 28 mittels des Schleifrades 62. Außerdem sind un­ terschiedliche Tiefen des keilförmigen Schlitzes (Kerbe) 28 erwünscht, je nach der vorgesehenen Aufgabe und Größe der Düse, bestimmt durch den Durchmesser 68 der Düse 12. Die gewünschte Tiefe wird kalibriert und überprüft durch Messung der Länge 66 der Nebenachse der Austrittsöffnung 26, die eine ovale Gestalt hat wegen der Überschneidung (Überkreuzung) des keilförmigen Schlitzes (Kerbe) 28 und der konischen Bohrung 22.

Ein Verfahren zur Entfernung einer Materialschicht von ei­ ner darunterliegenden Oberfläche wurde vorstehend darge­ stellt und beschrieben. Aus den vorstehenden Angaben geht hervor, daß hier zum Zwecke der Erläuterung zwar bevor­ zugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, daß jedoch verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegen­ den Erfindung verlassen wird. So ist es beispielsweise klar, obgleich die Erfindung vorstehend im Zusammenhang mit der Entfernung von harten Überzügen (Beschichtungen) von Flugzeug-Komponenten beschrieben worden ist, daß auch andere Oberflächen erfindungsgemäß gereinigt werden können und andere Materialien erfindungsgemäß entfernt werden können. Die vorliegende Erfindung ist daher nicht be­ schränkt auf die hier beschriebenen Ausführungsformen, sondern definiert durch die folgenden Patentansprüche.

Claims (11)

1. Verfahren zur Entfernung einer Materialschicht von einer darunterliegenden Oberfläche, dadurch gekennzeich­ net, daß es umfaßt
das Positionieren einer Düse mit einem ersten Ende, das mit einer Eintrittsöffnung versehen ist, und einem zweiten Ende, das mit einer Austrittsöffnung versehen ist, in der Weise, daß der Abstand zwischen der Austrittsöffnung und der Oberfläche 1,27 bis 2,54 cm (0,5-1 inch) beträgt;
das Hindurchpressen eines Volumens eines unter Druck ste­ henden Fluids durch die Düse in der Weise, daß das Fluid durch die Austrittsöffnung aus der Düse als Hochdruck- Fluid-Flachstrahl austritt; und
das Führen des Flachstrahls über die Oberfläche mit einer Geschwindigkeit zwischen 10,16 und 40,64 m/min (400-1600 inches/min).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse außerdem umfaßt eine äußere Oberfläche und eine innere Oberfläche, wobei die innere Oberfläche defi­ niert ist durch eine konische Bohrung, die sich von dem ersten Ende bis zu dem zweiten Ende durch die Düse hin­ durch erstreckt, so daß das erste Ende mit der Eintritts­ öffnung und das zweite Ende mit der Austrittsöffnung ver­ sehen ist und das unter Druck stehende Fluid in die Ein­ trittsöffnung eintreten, die Düse passieren und aus der Austrittsöffnung austreten kann, um seine Aufgabe zu er­ füllen, wobei ein keilförmiger Schlitz (Kerbe) sich ab dem zweiten Ende in Richtung auf das erste Ende in der Weise erstreckt, daß die Gestalt der Austrittsöffnung definiert ist durch die Überkreuzung der konischen Bohrung mit dem keilförmigen Schlitz (Kerbe) und daß die Austrittsöffnung bewirkt, daß das unter Druck stehende Fluid aus der Düse austritt in Form eines Flachstrahls mit einer im wesentli­ chen linearen Auftrefffläche.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innenwinkel der konischen Bohrung in der Nähe der Austrittsöffnung 90° beträgt, so daß die Energie­ verteilung des Flachstrahls entlang der Breite des Flach­ strahls gleichmäßig ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem umfaßt das mehrmalige Füh­ ren des Flachstrahls über die Oberfläche, bis sie in dem gewünschten Umfang gereinigt worden ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beruhigungskammer stromaufwärts von der Düse erzeugt wird, die eine Länge von mindestens 1,91 cm (0,75 inch) und einen Durchmesser zwischen 0,32 und 0,95 cm (1/8-3/8 inches) hat, um dadurch die Qualität des Flachstrahls zu verbessern.

6. Verfahren zur Entfernung einer Materialschicht von einer darunterliegenden Oberfläche unter minimaler Beschä­ digung der darunterliegenden Oberfläche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es umfaßt das Hindurchpressen eines Volumens eines unter Druck stehenden Fluids durch eine Düse mit ei­ nem ersten Ende, einem zweiten Ende, einer äußeren Ober­ fläche und einer inneren Oberfläche, wobei die innere Oberfläche definiert ist durch eine konische Bohrung, die sich von dem ersten Ende durch die Düse hindurch bis zu dem zweiten Ende erstreckt, so daß das erste Ende mit der Eintrittsöffnung und das zweite Ende mit der Austrittsöff­ nung versehen sind und das unter Druck stehende Fluid durch die Eintrittsöffnung eintreten, die Düse passieren und durch die Austrittsöffnung austreten kann, um seine Aufgabe zu erfüllen, wobei sich ein keilförmiger Schlitz (Kerbe) von dem zweiten Ende in Richtung auf das erste Ende erstreckt, so daß die Gestalt der Austrittsöffnung definiert ist durch den Schnittpunkt zwischen der ko­ nischen Bohrung und dem keilförmigen Schlitz (Kerbe) und wobei die Austrittsöffnung bewirkt, daß das unter Druck stehende Fluid aus der Düse austritt in Form eines Flach­ strahls mit einer im wesentlichen linearen Auftrefffläche; und
das Führen des Flachstrahls über die zu reinigende Ober­ fläche in Richtung der Nebenachse der Auftrefffläche.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwinkel der konischen Bohrung in der Nähe der Austrittsöffnung 90° beträgt, so daß die Energieverteilung des Flachstrahls entlang der Breite des Flachstrahls gleichmäßig ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es außerdem umfaßt das Positionieren der Düse relativ zur Oberfläche in der Weise, daß der Abstand zwischen der Austrittsöffnung und der Oberfläche zwischen 1,27 und 2,54 cm (0,5-1 inch) liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachstrahl mit einer Geschwindig­ keit zwischen 10,16 und 40,64 m/min (400-600 inches/min) über die Oberfläche geführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß stromaufwärts von der Düse eine Beru­ higungskammer vorgesehen wird, die eine Länge von minde­ stens 1,91 cm (0,75 inch) und einen Durchmesser zwischen 0,32 und 0,95 cm (1/8-3/8 inches) hat, um dadurch die Qua­ lität des Flachstrahls zu verbessern.

11. Verfahren zur Entfernung von harten Überzügen (Beschichtungen) von Düsentriebswerks-Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt
die Positionierung einer Düse mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende, einer äußeren Oberfläche und einer inneren Oberfläche, wobei die innere Oberfläche definiert ist durch eine konische Bohrung, die sich von einem ersten Ende durch die Düse hindurch bis zu dem zweiten Ende in der Weise erstreckt, daß das erste Ende mit einer Ein­ trittsöffnung und das zweite Ende mit einer Austrittsöff­ nung versehen ist und ein Volumen des unter Druck stehen­ den Fluids in die Eintrittsöffnung eintreten, die Düse passieren und aus der Austrittsöffnung austreten kann, um seine Aufgabe zu erfüllen, wobei sich ein keilförmiger Schlitz (Kerbe) von dem zweiten Ende in Richtung auf das erste Ende erstreckt, so daß die Gestalt der Austrittsöff­ nung definiert ist durch den Schnittpunkt zwischen der ko­ nischen Bohrung und dem keilförmigen Schlitz (Kerbe), und wobei die Austrittsöffnung bewirkt, daß das unter Druck stehende Fluid aus der Düse austritt in Form eines Flach­ strahls mit einer im wesentlichen linearen Auftrefffläche, in der Weise relativ zu der zu reinigenden Oberfläche, daß der Abstand zwischen der Austrittsöffnung und der Oberflä­ che zwischen 1,27 und 2,54 cm (0,5-1 inch) beträgt;
das Positionieren der Düse relativ zu einer Quelle für das Hochdruck-Fluid in der Weise, daß eine Beruhigungskammer stromaufwärts von der Düse vorgesehen wird, die eine Länge von mindestens 1,91 cm (0,75 inch) und einen Durchmesser von 0,32 bis 0,95 cm (1/8-3/8 inches) hat;
das Hindurchpressen eines Volumens des unter Druck stehen­ den Fluids durch die Düse in der Weise, daß das Fluid aus der Düse austritt in Form eines Hochdruck-Fluid-Flach­ strahls;
das Führen des Fluid-Flachstrahls über die Oberfläche mit einer Geschwindigkeit zwischen 10,16 und 40,64 m/min (400-1600 inches/min); und
das mehrmalige Führen des Flachstrahls über die Oberflä­ che, bis die Oberfläche in dem gewünschten Umfang gerei­ nigt ist.