EP3271121B1 - Vorrichtung und verfahren zum schneiden eines schneidguts mit hilfe eines fluids - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum schneiden eines schneidguts mit hilfe eines fluids Download PDF

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EP3271121B1
EP3271121B1 EP16701462.0A EP16701462A EP3271121B1 EP 3271121 B1 EP3271121 B1 EP 3271121B1 EP 16701462 A EP16701462 A EP 16701462A EP 3271121 B1 EP3271121 B1 EP 3271121B1
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EP
European Patent Office
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pressure
fluid line
operating mode
switching valve
generating unit
Prior art date
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Active
Application number
EP16701462.0A
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English (en)
French (fr)
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EP3271121B8 (de
EP3271121A1 (de
Inventor
Volker Bilke
Andrzej Karpinski
Thomas Opfermann
Holger Werth
Günther Elsigan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
Uhde High Pressure Technologies GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
Uhde High Pressure Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, Uhde High Pressure Technologies GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
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Publication of EP3271121B1 publication Critical patent/EP3271121B1/de
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Publication of EP3271121B8 publication Critical patent/EP3271121B8/de
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    • B24C7/0023—Equipment for feeding abrasive material; Controlling the flowability, constitution, or other physical characteristics of abrasive blasts the abrasive material being fed in a liquid carrier with control of feed parameters, e.g. feed rate of abrasive material or carrier of feed pressure
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    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/004—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor by means of a fluid jet

Definitions

  • the invention relates to a device for cutting a material to be cut by means of a fluid, in particular for water jet cutting, the device having a pressure generating unit and an outlet nozzle in fluid communication with the pressure generating unit via a fluid line, the pressure generating unit providing for pressurizing the fluid in the fluid line and wherein the device further comprises a pulsation damper for damping pressure fluctuations in the fluid line, such as from US2985050A known.
  • the US2985050A also forms the basis for the preamble of claim 10.
  • Such waterjet cutting devices are well known in the art.
  • the water is set by means of the pressure generating unit under a high pressure of up to 7,000 bar and conveyed through an outlet nozzle. In the outlet nozzle, the water accelerates to high speeds, so that a water jet is formed, with which the cutting material is acted upon for cutting the same.
  • an abrasive material such as fine garnet sand is added to the water jet.
  • the water jet cutting over other cutting methods such as laser cutting or sawing, offers a number of technical advantages, such as cutting without heat input, so that no distortion in the material to be cut is to be feared.
  • a particularly important advantage of the water jet cutting is also that the water jet itself can produce its initial hole in the cutting material from which the cutting material is cut. The generation of this initial opening is also referred to as "Piercen" of the material to be cut.
  • Waterjet cutting can basically be used to cut almost all common materials.
  • a special feature arises when cutting slices of glass, glass fiber reinforced plastic and carbon fiber reinforced plastic.
  • Schneidgut piercing is carried out for the preparation of the initial opening at a lower pressure than the subsequent cutting operation, otherwise damage to the material to be cut, in particular a cracking or jumping of the material to be cut in the area of the opening, threatens.
  • controllable pressure generating units are typically used which can provide at least two different output pressures, a low piercing pressure, and a high pressure to cut the crop.
  • the water pressure generated by the pressure generating unit is typically subject to a pulsation, ie a small variation over time.
  • this pulsation is usually damped with a pulsation damper or buffer volume firmly integrated into the fluid line.
  • this pulsation damper leads disadvantageously to the fact that the switching of the device between the low pressure piercing and the high pressure for cutting takes a comparatively long time.
  • the device or the method should be relatively simple, inexpensive, durable and efficient to implement.
  • the object of the present invention is achieved by a device for cutting a material to be cut by means of a fluid, in particular for water jet cutting, the device comprising a pressure generating unit and an outlet nozzle in fluid communication with the pressure generating unit via a fluid line, the pressure generating unit for pressurizing the fluid into the fluid line is provided and wherein the device further comprises a pulsation damper for damping pressure fluctuations in the fluid line and further wherein the device comprises at least one switching valve such that the pulsation damper depending on the switching position of the switching valve can be coupled to the fluid line and decoupled from the fluid line.
  • the device according to the invention has the advantage over the prior art that rapid switching between different pressures is made possible, so that, in particular, a quick change between piercing and cutting of glass, fiberglass-reinforced plastic and carbon-fiber reinforced plastic is realizable. As a result, for example, a much faster cutting a variety of separate workpieces made possible from a plate-shaped material to be cut.
  • the acceleration the change between piercing and cutting is achieved in that the pulsation damper is not firmly integrated into the fluid line as in the prior art, but can be decoupled via the switching valve selectively or temporarily from the fluid line.
  • the pulsation damper is disconnected from the fluid line and the pressure generating unit is downshifted or regulated to the lower working pressure.
  • the fluid line then relaxes through the open discharge nozzle and the lower working pressure in the fluid line is available almost immediately. In particular, it is not necessary to first wait for the complete pressure reduction in the pulsation damper.
  • the pressure generating unit is switched up or regulated to the high working pressure and the pulsation damper is switched on.
  • the high working pressure is available very quickly and it is not only the slowly progressing pressure build-up in the pulsation damper to be awaited.
  • the device according to the invention thus enables a faster switching between different pressures. At the same time a clean cutting of cut material is possible in a known manner, since the device still has a pulsation damper for damping the pressure pulsation in the fluid line.
  • the pulsation damper is not constantly subjected to different working pressures and thus sees significantly fewer load cycles, whereby the life of the pulsation damper is significantly increased.
  • the fluid comprises in particular water.
  • the material to be cut preferably comprises glass, glass fiber reinforced plastic, carbon fiber reinforced plastic, ceramics, natural stone and other materials with similar behavior.
  • the pulsation damper is also referred to as a buffer volume and typically has a volume of 2 to 5 liters.
  • the pressure generating unit is a pressure generating unit with controllable output pressure, which is operable at least in a first operating mode with a first working pressure and in a second operating mode with a second working pressure, wherein the first working pressure is greater than the second Working pressure is.
  • the device is between a first operating mode provided for cutting the material to be cut, in which the pressure generating unit provides the first working pressure and the pulsation damper is coupled to the fluid line by means of the switching valve, and a second operating mode intended for initial perforation of the material to be cut (also referred to as "piercing") in which the pressure generating unit provides the second working pressure and the pulsation damper is decoupled from the fluid line by means of the switching valve, is switchable.
  • a first operating mode provided for cutting the material to be cut
  • the pressure generating unit provides the first working pressure and the pulsation damper is coupled to the fluid line by means of the switching valve
  • a second operating mode intended for initial perforation of the material to be cut also referred to as "piercing”
  • the pressure generating unit provides the second working pressure and the pulsation damper is decoupled from the fluid line by means of the switching valve
  • the first working pressure preferably comprises a pressure between 2,000 and 6,000 bar, more preferably between 3,000 and 4,000 bar, while the second working pressure preferably comprises a pressure between 400 and 900 bar, more preferably between 600 and 800 bar.
  • the pressure generating unit comprises a pressure booster and / or a high pressure pump, in particular a hydraulically driven high pressure pump, an electromechanically driven high pressure pump or a high pressure pump with crank mechanism.
  • the pressure generating unit comprises a hydraulic unit that drives a double-acting pressure booster, which operates in an oscillating operation to convert the pressure generated by a backing pump to high pressure of 2,000 to 6,000 bar or 400 to 900 bar.
  • the pressure fluctuations in the fluid line, which arise due to the oscillating operation of the pressure booster, are attenuated or compensated by the pulsation damper, at least in the first operating mode.
  • the pulsation damper comprises for this purpose in particular a pressure storage chamber.
  • the device has a switchable expansion valve, which on the input side is in fluid communication with the fluid line and on the output side in particular is at ambient pressure.
  • the pressure generating unit when switching over the device from the first operating mode (cutting) to the second operating mode (piercing), not only can the pressure generating unit be shut down and the pulsation damper decoupled from the fluid line, but additionally also the depressurizing valve can be opened for a short time.
  • the opening of the expansion valve ensures that the pressure in the fluid line drops even faster from the first working pressure to the second working pressure.
  • the switching time can be reduced, for example, to 0.3 seconds.
  • the emergency valve which is provided anyway in high pressure systems, used or be connected accordingly.
  • the device comprises a mixing chamber for adding abrasive material to the fluid, wherein the mixing chamber is arranged along the main flow direction of the fluid behind the outlet nozzle and wherein the mixing chamber communicates with a reservoir for abrasive material.
  • the outlet nozzle acts as a Venturi nozzle, whereby the abrasive material is automatically sucked into the water jet by negative pressure.
  • the admixture of abrasive materials such as quartz sand, corundum, garnet or the like, has the advantage over the pure water cutting that the cutting performance is increased and thus harder materials can be cut.
  • the pulsation damper comprises a closed pressure storage chamber, which has only a single access opening, wherein the one access opening is connected via the switching valve to the fluid line.
  • a single access opening in the sense of the present invention means in particular that only a single not permanently closed opening, which is in fluid communication with the fluid line, is provided.
  • the pulsation damper comprises a closed pressure accumulator chamber which can be switched in parallel with the fluid line and has two access openings, wherein the one access opening is via the one switching valve can be coupled to the fluid line and can be decoupled from the fluid line and wherein the other access opening can be coupled via a further switching valve to the fluid line and can be decoupled from the fluid line.
  • the fluid advantageously flows through the pulsation damper, so that a better damping effect can be achieved.
  • the device comprises a further pulsation damper, which can be coupled to the fluid line via at least one further switching valve and can be decoupled from the fluid line.
  • the further pulsation damper (in particular exclusively) is coupled to the fluid line in the second operating mode. In this way, the pressure fluctuations, which can no longer be compensated by the disconnected pulsation damper in the second operating mode, are damped by the further pulsation damper. It is conceivable that the pulsation dampers are different in size.
  • Another object of the present invention is a method for cutting a material to be cut by means of a fluid, in particular for water jet cutting, wherein a fluid is pressurized by means of a pressure generating unit, wherein the pressurized fluid is passed through a fluid conduit to an outlet nozzle and wherein the Cutting material is acted upon by the emerging from the outlet nozzle fluid, characterized in that the method optionally in a first operating mode, in which a pulsation damper is coupled by means of a switching valve to the fluid line, and a second operating mode, in which the pulsation damper means of the switching valve of the Fluid line is disconnected, is executed.
  • the method according to the invention also permits a substantially faster changeover between the first and the second operating mode compared to the prior art, since in the second operating mode the pulsation damper is decoupled from the fluid line. In this way, in particular a switching between cutting and piercing when processing glass, glass fiber reinforced plastic and carbon fiber reinforced plastic is accelerated.
  • the second operating mode is preferably used for the initial perforation of the material to be cut, while the first operating mode is used for the subsequent cutting of the material to be cut.
  • Another advantage is that the pulsation damper is not constantly subjected to different working pressures and thus sees significantly fewer load cycles, whereby the life of the pulsation damper is significantly increased.
  • a first working pressure is provided by the pressure generating unit and in the second operating mode, a second working pressure is provided by the pressure generating unit, wherein the first working pressure is greater than the second working pressure.
  • piercing of materials such as glass, fiberglass reinforced plastic and carbon fiber reinforced plastic is enabled using the lower second working pressure without fear of cracking or cracking of these materials.
  • the first working pressure preferably comprises a pressure between 2,000 and 6,000 bar, more preferably between 3,000 and 4,000 bar
  • the second working pressure preferably comprises a pressure between 400 and 900 bar, more preferably between 600 and 800 bar.
  • the switching valve is closed and wherein the switching valve is opened during the transition from the second operating mode to the first operating mode. If, for example, a cut in the material to be cut which is carried out with the high first working pressure has been completed and the material to be cut is "pierced" at a new location, the pulsation damper is disconnected from the fluid line and the pressure generating unit is downshifted or regulated to the lower second working pressure , Through the open outlet nozzle, the fluid line is relaxed and the lower second working pressure is then immediately available in the fluid line.
  • the pressure generating unit is switched up to the high first working pressure and the pulsation damper is switched on.
  • the high working pressure is available very quickly and it is not only the slowly progressing pressure build-up in the pulsation damper to be awaited. It has been found that switching times of about 1 second and less can be achieved in this way.
  • the switching valve is first closed and then the pressure generating unit is controlled such that the pressure in the fluid line drops from the first working pressure to the second working pressure, and / or wherein at the transition from the second operating mode in the first Operation mode, the pressure generating unit is initially controlled such that the pressure in the fluid line from the second working pressure to the first working pressure increases, and then the switching valve is opened.
  • an expansion valve in fluid communication with the fluid line is opened at least temporarily.
  • the pressure generating unit correspondingly be switched off and the pulsation damper decoupled from the fluid line, but additionally also the depressurization valve can be opened for a short time.
  • the opening of the expansion valve ensures that the pressure in the fluid line drops even faster from the first working pressure to the second working pressure. As a result, the switching time can be reduced, for example, to 0.3 seconds.
  • the emergency valve which is provided anyway in high pressure systems, used or be connected accordingly.
  • the pulsation damper has two access openings, wherein a switching valve must be switched for each access opening in order to connect or disconnect the pulsation damper.
  • the device has a further pulsation damper, which is connected to the fluid line in the second operating mode by means of a further switching valve.
  • the further pulsation damper always performs a damping of the pressure in the fluid line at the lower second working pressure.
  • the further pulsation damper is therefore preferably connected to the fluid line exclusively in the second operating mode. This prevails in the Further pulsation damper usually only the lower second working pressure, while in the pulsation damper usually only the higher first working pressure prevails.
  • the pulsation damper or the further pulsation damper is then switched on.
  • the device has a cutting valve behind the outlet nozzle.
  • the cutting valve When switching from the first operating mode to the second operating mode, the cutting valve is held open, in particular, so that a pressure reduction in the fluid line can take place through the cutting valve.
  • the switching valve and / or the further switching valve preferably comprises an electromotively actuated valve, an electromagnetically actuated valve, a pneumatically actuated valve or a hydraulically actuated valve.
  • FIG. 1 1 is a schematic view of an apparatus 1 and a method for cutting a material to be cut 2 by means of a fluid according to an exemplary first embodiment of the present invention.
  • the device 1 has a pressure generating unit 3, with which water is pressurized.
  • the pressurized water is conducted by means of a fluid line 4 to an outlet nozzle 5.
  • the water is greatly accelerated due to the large pressure difference between the pressure in the interior of the fluid line 4 and the ambient pressure and forms a water jet 6.
  • a mixing chamber 7 is further formed, in which the water with an abrasive material. 9 , here in the form of a fine-grained quartz sand, is mixed.
  • the mixing chamber 7 is connected to a reservoir 8, in which the abrasive material 9 is kept.
  • the abrasive material 9 is automatically drawn into the water jet 6 by negative pressure.
  • the staggered with the abrasive material 9 water jet 6 then strikes the cut material to be cut 2.
  • the cut material 2 comprises a glass.
  • An advantage of water jet cutting is that the water jet 6 can generate its own initial bore in the material to be cut 2, from which the material to be cut 2 is cut.
  • the generation of this initial opening is also referred to as "Piercen" of the cutting material 2.
  • the device 1 is designed for this purpose and is controlled by an electronic control unit 10 such that the device 1 is provided either in a first operating mode, which is provided for cutting the cutting material 2, and in a second operating mode, which is provided for piercing the cutting material 2, is operated.
  • the first operating mode the pressure generating unit 3 is controlled such that in the fluid line 4, a high first working pressure between 3,000 and 4,000 bar is generated, while in the second Operating mode, the pressure generating unit 3 is controlled such that in the fluid line 4, a lower second working pressure between 600 and 800 bar is generated.
  • the device 1 in particular has a cutting valve. Through the open cutting valve, the water jet 6 exits, wherein the water jet 6 is interrupted when closing the cutting valve. In this way, for example, a safety shutdown done.
  • the pressure generating unit comprises a hydraulic unit 11, which drives a double-acting pressure booster 12.
  • the double-acting pressure booster 12 has in a known manner a piston 13 which operates in an oscillating operation and by means of check valves 14 by a forepump (not shown) to generate pressure generated in the water depending on the operating mode to the first or second working pressure.
  • the device 1 has a pulsation damper 15 (also referred to as buffer volume).
  • the pulsation damper 15 comprises a pressure storage chamber for this purpose.
  • the pulsation damper 15 is now connected to the fluid line 4 via a switching valve 16.
  • the pulsation damper 15 is thus coupled to the fluid line 4 (switching valve 16 is open) or decoupled from the fluid line 4 (switching valve 16 is closed).
  • the switching valve 16 preferably comprises an electromotively actuated valve, an electromagnetically actuated valve, a pneumatically actuated valve or a hydraulically actuated valve which is switched by the control electronics 10 when changing between the first and second operating modes.
  • the pulsation damper 15 has only a single access opening 17, via which the interior of the pulsation damper 15 is in fluid communication via the switching valve 16 with the fluid line 5 (only with open switching valve 16).
  • the device 1 When the material to be cut 2 is cut, the device 1 is operated in the first operating mode, while the pressure generating unit 3 supplies the first working pressure in the fluid line 4.
  • the switching valve 16 is also open, so that the pressure pulsations in the fluid line 4 are damped by the pulsation damper 15 , In the pulsation damper 15 thus also prevails on average also the first working pressure.
  • the cutting material 2 must first be pierced at this new location to prepare the water jet 6.
  • the device 1 must therefore change from the first operating mode to the second operating mode, so that the first working pressure is reduced to the second working pressure and the material to be cut 2 is not destroyed during piercing.
  • the control electronics 10 When switching from the first operating mode to the second operating mode, the control electronics 10 initially closes the switching valve 16. The first working pressure is thus stored in the pulsation damper 15. Subsequently, the pressure generating unit 3 is controlled down or regulated by the control electronics 10, so that relaxation takes place via the cutting valve and not the first working pressure, but instead the lower second working pressure in the fluid line 4 is provided.
  • the pressure of the fluid line 4 decreases comparatively quickly to the second working pressure, since not a drop in pressure in the pulsation damper 15 must be waited or the pressure in the pulsation damper 15 initially counteracts the drop in pressure and the volume the fluid line 4 is comparatively small compared to the volume of the pulsation damper 15.
  • the change from the first operating state to the second operating state thus takes less than one second.
  • the cutting material 2 can now be pierced.
  • no pulsation damper 15 is available for damping pressure fluctuations.
  • this fact is not critical for the piercing process.
  • the emergency valve (not shown), which is provided anyway in each high-pressure circuit, can be opened by the control electronics 10 for a short time (only after the switching valve 16 is closed) ) to accelerate the decrease in the pressure in the fluid line 4.
  • the system switches from the second operating mode back into the first operating mode.
  • the pressure generating unit 3 is first controlled or regulated by the control electronics 10 such that the pressure in the fluid line 4 increases from the second working pressure to the first working pressure.
  • the switching valve 16 is opened. This switching process is much faster than in the prior art, since the increased first working pressure in the Pulsation damper 15 already exists and does not need to be rebuilt by the pressure generating unit 3.
  • the material to be cut 2 can now be cut and pressure fluctuations in the fluid line 4 are again attenuated in the usual way by the pulsation damper 15.
  • the switching valve 16 is always connected only when on both sides of the switching valve 16, almost the first working pressure prevails.
  • the switching valve 16 is thus subject to only a relatively low wear.
  • the pulsation damper 15 is excluded from large pressure fluctuations between the first and second working pressures, since the pulsation damper 15 always essentially has the first working pressure.
  • the pulsation damper 15 of the present device 1 is therefore not subject to large load cycles and thus has a much longer life.
  • the device 1 preferably has a pressure measuring device which either directly measures the pressure within the fluid line via a sensor in the fluid line 4 or determines the pressure in the fluid line 4 indirectly, for example via the position of the hydraulic unit 11. It is also conceivable that the pressure in the pulsation damper 15 is monitored.
  • FIG. 2 1 is a schematic view of an apparatus 1 and a method of cutting a material to be cut 2 by means of a fluid according to an exemplary second embodiment of the present invention.
  • the second embodiment is almost identical to that in FIG. 1 described in the second embodiment, in contrast to the first embodiment, only the pulsation damper 15 is provided with two access openings 17 and accordingly via two switching valves, a switching valve 16 and another switching valve 16 ', with the fluid line 4 can be coupled.
  • both switching valves 16, 16 ' are opened, while in the second operating state both switching valves 16, 16' are closed.
  • both switching valves 16, 16 'are closed the fluid line 4 acts as a bypass to the pulsation damper 15.
  • the only difference to the operation of the in FIG. 1 Illustrated device 1 must be in the in FIG. 2 illustrated device 1 always both switching valves 16, 16 'are controlled by the control electronics 10.
  • FIG. 3 is a schematic view of an apparatus 1 and a method of cutting a crop 2 by means of a fluid according to an exemplary third embodiment Embodiment of the present invention shown.
  • the third embodiment is again almost identical to that in FIG FIG. 1 described in the third embodiment, in contrast to the first embodiment, in addition a separate further pulsation damper 15 'is provided which can be coupled via a separate additional switching valve 16' to the fluid line 4 or decoupled from the fluid line 4.
  • a separate further pulsation damper 15 ' is provided which can be coupled via a separate additional switching valve 16' to the fluid line 4 or decoupled from the fluid line 4.
  • FIG. 3 illustrated device 1 works exactly like the in FIG.

Landscapes

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Schneiden eines Schneidguts mit Hilfe eines Fluids, insbesondere zum Wasserstrahlschneiden, wobei die Vorrichtung eine Druckerzeugungseinheit und eine mit der Druckerzeugungseinheit über eine Fluidleitung in Fluidverbindung stehende Austrittsdüse aufweist, wobei die Druckerzeugungseinheit zum Unterdrucksetzen des Fluids in der Fluidleitung vorgesehen ist und wobei die Vorrichtung ferner einen Pulsationsdämpfer zum Dämpfen von Druckschwankungen in der Fluidleitung aufweist, wie z.B. aus der US2985050A bekannt.
  • Die US2985050A bildet auch die Basis für den Oberbegriff des Anspruchs 10.
  • Solche Wasserstrahlschneidvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Das Wasser wird dabei mittels der Druckerzeugungseinheit unter einen hohen Druck von bis zu 7.000 bar gesetzt und durch eine Austrittsdüse gefördert. In der Austrittsdüse beschleunigt das Wasser auf hohe Geschwindigkeiten, so dass sich ein Wasserstrahl bildet, mit welchem das Schneidgut zum Schneiden desselben beaufschlagt wird. Optional wird dem Wasserstrahl ein Abrasivmaterial, wie beispielsweise feiner Granatsand beigemischt. Es ist bekannt, dass das Wasserstrahlschneiden gegenüber anderen Schneidverfahren, wie Laserschneiden oder Sägen, eine Reihe von technischen Vorteilen bietet, wie beispielsweise ein Schneiden ohne Wärmeeintrag, so dass kein Verzug im Schneidgut zu befürchten ist. Ein besonders wichtiger Vorteil des Wasserstrahlschneidens ist zudem, dass der Wasserstrahl sich seine Anfangsbohrung im Schneidgut, von welcher aus das Schneidgut geschnitten wird, selbst erzeugen kann. Die Erzeugung dieser Anfangsöffnung wird auch als "Piercen" des Schneidguts bezeichnet.
  • Das Wasserstrahlschneiden kann grundsätzlich zum Schneiden nahezu aller gängigen Werkstoffe verwendet werden. Eine Besonderheit ergibt sich jedoch beim Schneiden von Schneidgut aus Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Bei derlei Schneidgut wird das Piercen zur Herstellung der Anfangsöffnung mit bei einem niedrigeren Druck durchgeführt, als der nachfolgende Schneidvorgang, da andernfalls eine Beschädigung des Schneidguts, insbesondere ein Reißen oder Springen des Schneidguts im Bereich der Anfangsöffnung, droht. Aus diesem Grund werden typischerweise steuerbare Druckerzeugungseinheiten verwendet, welche wenigstens zwei verschiedenartige Ausgangsdrücke bereitstellen können, einen niedrigen Druck zum Piercen, sowie einen hohen Druck zum Schneiden des Schneidguts. Der von der Druckerzeugungseinheit erzeugte Wasserdruck unterliegt typischerweise einer Pulsation, d.h. einer geringen zeitlichen Schwankung. Um einen möglichst sauberen Schnitt zu erzeugen, wird diese Pulsation üblicherweise mit einem in die Fluidleitung fest eingebundenen Pulsationsdämpfer bzw. Puffervolumen gedämpft. Dieser Pulsationsdämpfer führt jedoch in nachteiligerweise dazu, dass das Umschalten der Vorrichtung zwischen dem niedrigen Druck zum Piercen und dem hohen Druck zum Schneiden vergleichsweise lange dauert.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schneiden von Schneidgut mit Hilfe eines Fluids bereitzustellen, bei welcher bzw. welchem ein deutlich schnelleres Umschalten zwischen Piercen und Schneiden ermöglicht wird. Zudem soll die Vorrichtung bzw. das Verfahren vergleichsweise einfach, kostengünstig, langlebig und effizient realisierbar sein.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Schneiden eines Schneidguts mit Hilfe eines Fluids, insbesondere zum Wasserstrahlschneiden, wobei die Vorrichtung eine Druckerzeugungseinheit und eine mit der Druckerzeugungseinheit über eine Fluidleitung in Fluidverbindung stehende Austrittsdüse aufweist, wobei die Druckerzeugungseinheit zum Unterdrucksetzen des Fluids in der Fluidleitung vorgesehen ist und wobei die Vorrichtung ferner einen Pulsationsdämpfer zum Dämpfen von Druckschwankungen in der Fluidleitung aufweist und wobei ferner die Vorrichtung wenigstens ein Schaltventil derart aufweist, dass der Pulsationsdämpfer je nach Schaltstellung des Schaltventils an die Fluidleitung ankoppelbar und von der Fluidleitung abkoppelbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein schnelles Umschalten zwischen verschiedenen Drücken ermöglicht wird, so dass insbesondere ein schneller Wechsel zwischen Piercen und Schneiden von Schneidgut aus Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff realisierbar ist. Hierdurch wird beispielsweise ein deutlich schnelleres Ausschneiden einer Vielzahl von separaten Werkstücken aus einem plattenförmigen Schneidgut ermöglicht. Die Beschleunigung des Wechsels zwischen Piercen und Schneiden wird dadurch erreicht, dass der Pulsationsdämpfer nicht wie beim Stand der Technik fest in die Fluidleitung eingebunden ist, sondern über das Schaltventil wahlweise bzw. zeitweise von der Fluidleitung abgekoppelt werden kann. Wenn beispielsweise ein Schnitt im Schneidgut, der mit einem hohen Arbeitsdruck ausgeführt wird, fertiggestellt wurde und das Schneidgut an einer neuen Stelle "gepierct" werden soll, wird der Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abgekoppelt und die Druckerzeugungseinheit auf den niedrigeren Arbeitsdruck herunter geschaltet oder geregelt. Die Fluidleitung entspannt sich sodann über die offene Austrittsdüse und es steht der niedrigere Arbeitsdruck in der Fluidleitung nahezu sofort zur Verfügung. Insbesondere muss nicht erst der vollständige Druckabbau im Pulsationsdämpfer abgewartet werden. Umgekehrt wird beispielsweise, wenn nach dem Piercen des Schneidguts mit einem niedrigen Arbeitsdruck auf einem hohen Arbeitsdruck zum Schneiden des Schneidguts von der gepiercten Stelle aus, gewechselt werden soll, die Druckerzeugungseinheit auf den hohen Arbeitsdruck hoch geschaltet oder geregelt und der Pulsationsdämpfer zugeschaltet. Auf diese Weise steht der hohe Arbeitsdruck sehr schnell zur Verfügung und es muss nicht erst der langsam fortschreitende Druckaufbau im Pulsationsdämpfer abgewartet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht folglich ein schnelleres Umschalten zwischen verschiedenen Drücken. Gleichzeitig wird in bekannter Weise ein sauberes Schneiden von Schneidgut ermöglicht, da die Vorrichtung dennoch einen Pulsationsdämpfer zum Dämpfen der Druckpulsation in der Fluidleitung aufweist. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Pulsationsdämpfer nicht ständig mit verschiedenen Arbeitsdrücken beaufschlagt wird und somit deutlich weniger Lastzyklen sieht, wodurch die Lebensdauer des Pulsationsdämpfers erheblich gesteigert wird. Das Fluid umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere Wasser. Das Schneidgut umfasst vorzugsweise Glas, glasfaserverstärkter Kunststoff, kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, Keramik, Naturstein und andere Materialien mit ähnlichem Verhalten. Der Pulsationsdämpfer wird auch als Puffervolumen bezeichnet und hat typischerweise ein Volumen von 2 bis 5 Liter.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckerzeugungseinheit eine Druckerzeugungseinheit mit steuerbarem Ausgangsdruck ist, welcher wenigstens in einem ersten Betriebsmodus mit einem ersten Arbeitsdruck und in einem zweiten Betriebsmodus mit einem zweiten Arbeitsdruck betreibbar ist, wobei der erste Arbeitsdruck größer als der zweite Arbeitsdruck ist. Vorzugsweise ist die Vorrichtung zwischen einem zum Schneiden des Schneidguts vorgesehenen ersten Betriebsmodus, in welchem die Druckerzeugungseinheit den ersten Arbeitsdruck bereitstellt und der Pulsationsdämpfer mittels des Schaltventils an die Fluidleitung angekoppelt ist, und einem zum initialen Durchlöchern des Schneidguts (auch als "Piercen" bezeichnet) vorgesehenen zweiten Betriebsmodus, in welchem die Druckerzeugungseinheit den zweiten Arbeitsdruck bereitstellt und der Pulsationsdämpfer mittels des Schaltventils von der Fluidleitung abgekoppelt ist, umschaltbar ist. Es hat sich völlig überraschend und nicht vorhersehbar gezeigt, dass das Piercen von Schneidgut, wie beispielsweise Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, mit dem niedrigeren Arbeitsdruck auch dann erfolgreich durchführbar ist, wenn in diesem zweiten Betriebsmodus überhaupt kein Pulsationsdämpfer in die Fluidleitung eingebunden ist bzw. der zumindest eine Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung mittels des wenigstens einen Schaltventils abgekoppelt ist. Die hierdurch zwangsläufig in der Fluidleitung während des zweiten Betriebsmodus auftretenden Druckschwankungen können demnach in Kauf genommen werden, um die Umschaltzeit zwischen erstem und zweitem Betriebsmodus zu verkürzen. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise Umschaltzeiten von ungefähr 1 Sekunde und kleiner zu erreichen sind. Der erste Arbeitsdruck umfasst vorzugsweise einen Druck zwischen 2.000 und 6.000 bar, besonders bevorzugt zwischen 3.000 und 4.000 bar, während der zweite Arbeitsdruck vorzugsweise einen Druck zwischen 400 und 900 bar, besonders bevorzugt zwischen 600 und 800 bar umfasst.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die der Druckerzeugungseinheit einen Druckübersetzer und/oder eine Hochdruckpumpe, insbesondere eine hydraulisch angetriebene Hochdruckpumpe, eine elektromechanisch angetriebene Hochdruckpumpe oder eine Hochdruckpumpe mit Kurbeltrieb umfasst. Bevorzugt umfasst die Druckerzeugungseinheit eine Hydraulikeinheit, die einen doppelwirkenden Druckübersetzer antreibt, der in einem oszillierenden Betrieb läuft, um den von einer Vorpumpe erzeugten Druck auf Hochdruck von 2.000 bis 6.000 bar oder 400 bis 900 bar umzusetzen. Die Druckschwankungen in der Fluidleitung, welche durch den oszillierenden Betrieb des Druckübersetzers entstehen, werden zumindest im ersten Betriebsmodus durch den Pulsationsdämpfer gedämpft bzw. kompensiert. Der Pulsationsdämpfer umfasst hierfür insbesondere eine Druckspeicherkammer.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ein schaltbares Entspannungsventil aufweist, welches eingangsseitig in Fluidverbindung mit der Fluidleitung steht und ausgangsseitig insbesondere auf Umgebungsdruck liegt. Optional ist es möglich, beim Umschalten der Vorrichtung vom ersten Betriebsmodus (Schneiden) zum zweiten Betriebsmodus (Piercen) nicht nur die Druckerzeugungseinheit entsprechend herunter zu steuern und den Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abzukoppeln, sondern zusätzlich auch noch das Entspannungsventil kurzzeitig zu öffnen. Das Öffnen des Entspannungsventils sorgt dafür, dass der Druck in der Fluidleitung noch schneller vom ersten Arbeitsdruck auf den zweiten Arbeitsdruck abfällt. Hierdurch kann die Umschaltzeit beispielsweise auf 0,3 Sekunden reduziert werden. Als Entspannungsventil kann beispielsweise das Notventil, welches in Hochdruckanlagen ohnehin vorgesehen ist, verwendet bzw. entsprechend beschaltet werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Mischkammer zur Beimengung von Abrasivmaterial zum Fluid aufweist, wobei die Mischkammer entlang der Hauptströmungsrichtung des Fluids hinter der Austrittsdüse angeordnet ist und wobei die Mischkammer mit einem Reservoir für Abrasivmaterial in Verbindung steht. Die Austrittsdüse fungiert als Venturidüse, wodurch das Abrasivmaterial durch Unterdruck automatisch in den Wasserstrahl eingesaugt wird. Die Beimischung von Abrasivmaterialien, wie Quarzsand, Korund, Granat oder dergleichen, hat gegenüber dem Reinwasserschneiden den Vorteil, dass die Schneidleistung erhöht wird und somit härtere Materialien geschnitten werden können.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Pulsationsdämpfer eine geschlossene Druckspeicherkammer umfasst, welche nur eine einzige Zugangsöffnung aufweist, wobei die eine Zugangsöffnung über das Schaltventil an die Fluidleitung angebunden ist. In vorteilhafter Weise wird somit zum Ankoppeln und Abkoppeln des Pulsationsdämpfers nur ein einziges Schaltventil benötig. Die hierdurch erzielte Minimierung der Anzahl benötigter Schaltventile macht die Vorrichtung kostengünstig, wartungsfreundlich und langlebig, da die in den Hochdruckkreislauf eingebundenen Schaltventile einem vergleichsweise hohen Verschleiß unterliegen. Die Bezeichnung "eine einzige Zugangsöffnung" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere, dass nur eine einzige nicht dauerhaft verschlossene Öffnung, welche in Fluidverbindung mit der Fluidleitung steht, vorgesehen ist.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Pulsationsdämpfer eine der Fluidleitung parallel schaltbare geschlossene Druckspeicherkammer mit zwei Zugangsöffnungen aufweist, wobei die eine Zugangsöffnung über das eine Schaltventil an die Fluidleitung ankoppelbar und von der Fluidleitung abkoppelbar ist und wobei die andere Zugangsöffnung über ein weiteres Schaltventil an die Fluidleitung ankoppelbar und von der Fluidleitung abkoppelbar ist. Bei dieser Ausführungsform strömt das Fluid vorteilhafterweise durch den Pulsationsdämpfer, so dass eine bessere Dämpfungswirkung erzielt werden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen weiteren Pulsationsdämpfer umfasst, welcher über wenigstens ein weiteres Schaltventil an die Fluidleitung ankoppelbar und von der Fluidleitung abkoppelbar ist. Denkbar ist, dass der weitere Pulsationsdämpfer (insbesondere ausschließlich) im zweiten Betriebsmodus an die Fluidleitung angekoppelt ist. Auf diese Weise können die Druckschwankungen, welche im zweiten Betriebsmodus nicht mehr durch den abgekoppelten Pulsationsdämpfer kompensiert werden können, durch den weiteren Pulsationsdämpfer gedämpft werden. Denkbar ist, dass die Pulsationsdämpfer unterschiedlich groß sind.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Schneiden eines Schneidguts mit Hilfe eines Fluids, insbesondere zum Wasserstrahlschneiden, wobei ein Fluid mittels einer Druckerzeugungseinheit unter Druck gesetzt wird, wobei das unter Druck gesetzte Fluid durch eine Fluidleitung zu einer Austrittsdüse geleitet wird und wobei das Schneidgut mit dem aus der Austrittsdüse austretenden Fluid beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wahlweise in einem ersten Betriebsmodus, in welchem ein Pulsationsdämpfer mittels eines Schaltventils an die Fluidleitung angekoppelt ist, und einem zweiten Betriebsmodus, in welchem der Pulsationsdämpfer mittels des Schaltventils von der Fluidleitung abgekoppelt ist, ausgeführt wird.
  • Analog zur vorstehend bereits diskutierten erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht auch das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik einen wesentlichen schnelleren Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus, da im zweiten Betriebsmodus der Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abgekoppelt wird. Auf diese Weise wird insbesondere ein Umschalten zwischen Schneiden und Piercen beim Bearbeiten von Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff beschleunigt. Vorzugsweise wird zum initialen Durchlöchern des Schneidguts der zweite Betriebsmodus verwendet, während zum anschließenden Schneiden des Schneidguts der erste Betriebsmodus verwendet wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Pulsationsdämpfer nicht ständig mit verschiedenen Arbeitsdrücken beaufschlagt wird und somit deutlich weniger Lastzyklen sieht, wodurch die Lebensdauer des Pulsationsdämpfers erheblich gesteigert wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im ersten Betriebsmodus ein erster Arbeitsdruck von der Druckerzeugungseinheit bereitgestellt wird und im zweiten Betriebsmodus ein zweiter Arbeitsdruck von der Druckerzeugungseinheit bereitgestellt wird, wobei der erste Arbeitsdruck größer als der zweite Arbeitsdruck ist. Vorteilhafterweise wird bei der Verwendung des niedrigeren zweiten Arbeitsdruck ein Piercen von Materialien wie Glas, glasfaserverstärktem Kunststoff und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff ermöglicht, ohne dass ein Reißen oder Springen dieser Materialien zu befürchten ist. Der erste Arbeitsdruck umfasst vorzugsweise einen Druck zwischen 2.000 und 6.000 bar, besonders bevorzugt zwischen 3.000 und 4.000 bar, während der zweite Arbeitsdruck vorzugsweise einen Druck zwischen 400 und 900 bar, besonders bevorzugt zwischen 600 und 800 bar umfasst.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass beim Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus das Schaltventil geschlossen wird und wobei beim Übergang vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus das Schaltventil geöffnet wird. Wenn beispielsweise ein Schnitt im Schneidgut, der mit dem hohen ersten Arbeitsdruck ausgeführt wird, fertiggestellt wurde und das Schneidgut an einer neuen Stelle "gepierct" werden soll, wird der Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abgekoppelt und die Druckerzeugungseinheit auf den niedrigeren zweiten Arbeitsdruck herunter geschaltet oder geregelt. Durch die offene Austrittsdüse wird die Fluidleitung entspannt und der niedrigere zweite Arbeitsdruck steht sodann in der Fluidleitung sofort zur Verfügung. Umgekehrt wird beispielsweise, wenn nach dem Piercen des Schneidguts mit dem niedrigen zweiten Arbeitsdruck auf den hohen ersten Arbeitsdruck zum Schneiden des Schneidguts von der gepiercten Stelle aus, gewechselt werden soll, die Druckerzeugungseinheit auf den hohen ersten Arbeitsdruck hoch geschaltet und der Pulsationsdämpfer zugeschaltet. Auf diese Weise steht der hohe Arbeitsdruck sehr schnell zur Verfügung und es muss nicht erst der langsam fortschreitende Druckaufbau im Pulsationsdämpfer abgewartet werden. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise Umschaltzeiten von ungefähr 1 Sekunde und kleiner zu erreichen sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass beim Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zunächst das Schaltventil geschlossen und anschließend die Druckerzeugungseinheit derart gesteuert wird, dass der Druck in der Fluidleitung vom ersten Arbeitsdruck auf den zweiten Arbeitsdruck absinkt, und/oder wobei beim Übergang vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus zunächst die Druckerzeugungseinheit derart gesteuert wird, dass der Druck in der Fluidleitung vom zweiten Arbeitsdruck auf den ersten Arbeitsdruck ansteigt, und anschließend das Schaltventil geöffnet wird. Durch das zeitversetzte Steuern der Druckerzeugungseinheit und Schalten des Schaltventils wird erreicht, dass die Druckdifferenz am Schaltventil stets vergleichsweise gering gehalten wird. Hierdurch wird dem Verschleiß am Schaltventil vorteilhafterweise entgegengewirkt und die Langlebigkeit und die Wartungsfreundlichkeit der Vorrichtung stark erhöht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass beim Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus ein mit der Fluidleitung in Fluidverbindung stehendes Entspannungsventil zumindest zeitweise geöffnet wird. Optional ist es möglich, beim Umschalten der Vorrichtung vom ersten Betriebsmodus (Schneiden) zum zweiten Betriebsmodus (Piercen) nicht nur die Druckerzeugungseinheit entsprechend herunter zu schalten und den Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abzukoppeln, sondern zusätzlich auch noch das Entspannungsventil kurzzeitig zu öffnen. Das Öffnen des Entspannungsventils sorgt dafür, dass der Druck in der Fluidleitung noch schneller vom ersten Arbeitsdruck auf den zweiten Arbeitsdruck abfällt. Hierdurch kann die Umschaltzeit beispielsweise auf 0,3 Sekunden reduziert werden. Als Entspannungsventil kann beispielsweise das Notventil, welches in Hochdruckanlagen ohnehin vorgesehen ist, verwendet bzw. entsprechend beschaltet werden.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mittels eines weiteren Schaltventils zwischen einem ersten Betriebsmodus, in welchem ein Pulsationsdämpfer an die Fluidleitung angekoppelt ist, und einem zweiten Betriebsmodus, in welchem der Pulsationsdämpfer von der Fluidleitung abgekoppelt ist, umgeschaltet wird. Bei dieser Ausführungsform weist der Pulsationsdämpfer zwei Zugangsöffnungen auf, wobei für jede Zugangsöffnung ein Schaltventil geschaltet werden muss, um den Pulsationsdämpfer an- oder abzukoppeln.
  • Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung einen weiteren Pulsationsdämpfer auf, welcher der Fluidleitung im zweiten Betriebsmodus mittels eines weiteren Schaltventils zugeschaltet wird. Es ist denkbar, dass der weitere Pulsationsdämpfer stets ein Dämpfen des Drucks in der Fluidleitung beim niedrigeren zweiten Arbeitsdruck vollführt. Der weitere Pulsationsdämpfer wird der Fluidleitung daher vorzugsweise ausschließlich im zweiten Betriebsmodus zugeschaltet. Damit herrscht im weiteren Pulsationsdämpfer in der Regel lediglich der niedrigere zweite Arbeitsdruck, während im Pulsationsdämpfer in der Regel lediglich der höhere erste Arbeitsdruck herrscht. Je nach Betriebsmodus wird sodann der Pulsationsdämpfer oder der weitere Pulsationsdämpfer zugeschaltet.
  • Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein Schneidventil hinter der Austrittsdüse auf. Beim Umschalten vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus wird das Schneidventil insbesondere offen gehalten, damit ein Druckabbau in der Fluidleitung durch das Schneidventil erfolgen kann.
  • Für den Fachmann versteht sich von selbst, dass als Fluid zum Schneiden des Schneidguts nicht nur Wasser oder mit Abrasivmaterial versetztes Wasser, sondern auch andere Fluide, wie beispielsweise flüssiger Ammoniak, verwendet werden können.
  • Das Schaltventil und/oder das weitere Schaltventil umfasst vorzugsweise ein elektromotorisch betätigtes Ventil, ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, ein pneumatisch betätigtes Ventil oder ein hydraulisch betätigtes Ventil.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1
    zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    Figur 2
    zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    Figur 3
    zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
  • In Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 und eines Verfahrens zum Schneiden eines Schneidguts 2 mit Hilfe eines Fluids gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
  • Die Vorrichtung 1 weist eine Druckerzeugungseinheit 3 auf, mit welcher Wasser unter Druck gesetzt wird. Das unter Druck stehende Wasser wird mittels einer Fluidleitung 4 zu einer Austrittsdüse 5 geleitet. In der Austrittsdüse 5 wird das Wasser aufgrund der großen Druckdifferenz zwischen dem Druck im Inneren der Fluidleitung 4 und dem Umgebungsdruck stark beschleunigt und bildet einen Wasserstrahl 6. Unmittelbar hinter der Austrittsdüse 5 ist ferner eine Mischkammer 7 ausgebildet, in welcher das Wasser mit einem Abrasivmaterial 9, hier in Form eines feinkörnigen Quarzsandes, vermischt wird. Die Mischkammer 7 ist hierfür mit einem Reservoir 8 verbunden, in welchem das Abrasivmaterial 9 vorgehalten wird. Durch den Venturi-Effekt im Bereich der Austrittsdüse 5 wird das Abrasivmaterial 9 durch Unterdruck automatisch in den Wasserstrahl 6 gezogen. Der mit dem Abrasivmaterial 9 versetzte Wasserstrahl 6 trifft sodann auf das zu schneidende Schneidgut 2. Im vorliegenden Beispiel umfasst das Schneidgut 2 ein Glas.
  • Ein Vorteil des Wasserstrahlschneidens ist, dass der Wasserstrahl 6 sich seine Anfangsbohrung im Schneidgut 2, von welcher aus das Schneidgut 2 geschnitten wird, selbst erzeugen kann. Die Erzeugung dieser Anfangsöffnung wird auch als "Piercen" des Schneidguts 2 bezeichnet. Beim Schneiden von Glas tritt jedoch das Problem auf, dass beim Piercen des Glases mit vollem Arbeitsdruck, das Glas zerspringt. Beim Piercen des Glases muss deshalb ein niedrigerer Arbeitsdruck als beim Schneiden des Glases verwendet werden.
  • Die Vorrichtung 1 ist hierfür derart ausgebildet und wird von einer Steuerungselektronik 10 derart angesteuert, dass die Vorrichtung 1 wahlweise in einem ersten Betriebsmodus, welcher zum Schneiden des Schneidguts 2 vorgesehen ist, und in einem zweiten Betriebsmodus, welcher zum Piercen des Schneidguts 2 vorgesehen ist, betrieben wird. Im ersten Betriebsmodus wird die Druckerzeugungseinheit 3 derart geregelt, dass in der Fluidleitung 4 ein hoher erster Arbeitsdruck zwischen 3.000 und 4.000 bar erzeugt wird, während im zweiten Betriebsmodus die Druckerzeugungseinheit 3 derart geregelt wird, dass in der Fluidleitung 4 ein niedrigerer zweiter Arbeitsdruck zwischen 600 und 800 bar erzeugt wird.
  • Hinter der Austrittsdüse 5 weist die Vorrichtung 1 insbesondere ein Schneidventil auf. Durch das geöffnete Schneidventil tritt der Wasserstrahl 6 aus, wobei beim Schließen des Schneidventils der Wasserstrahl 6 unterbrochen wird. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Sicherheitsabschaltung erfolgen.
  • Im vorliegenden Beispiel umfasst die Druckerzeugungseinheit eine Hydraulikeinheit 11, die einen doppelwirkenden Druckübersetzer 12 antreibt. Der doppelwirkender Druckübersetzer 12 weist in bekannter Weise einen Kolben 13 auf, der in einem oszillierenden Betrieb läuft und mittels Rückschlagventilen 14 einen von einer Vorpumpe (nicht gezeigt) im Wasser erzeugten Druck je nach Betriebsmodus auf den ersten oder zweiten Arbeitsdruck umzusetzen.
  • Durch den oszillierenden Betrieb des Kolbens 13 entstehen in der Fluidleitung 4 unerwünschte Druckpulsationen. Zur Dämpfung dieser Druckpulsationen weist die Vorrichtung 1 einen Pulsationsdämpfer 15 (auch als Puffervolumen bezeichnet) auf. Der Pulsationsdämpfer 15 umfasst hierfür eine Druckspeicherkammer.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist der Pulsationsdämpfer 15 nun über ein Schaltventil 16 an die Fluidleitung 4 angebunden. Je nach Stellung des Schaltventils 16 ist der Pulsationsdämpfer 15 somit an die Fluidleitung 4 angekoppelt (Schaltventil 16 ist offen) oder von der Fluidleitung 4 abgekoppelt (Schaltventil 16 ist geschlossen). Das Schaltventil 16 umfasst vorzugsweise ein elektromotorisch betätigtes Ventil, ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, ein pneumatisch betätigtes Ventil oder ein hydraulisch betätigtes Ventil, welches beim Wechsel zwischen erstem und zweitem Betriebsmodus von der Steuerungselektronik 10 geschaltet wird. Der Pulsationsdämpfer 15 weist lediglich eine einzige Zugangsöffnung 17 auf, über welche der Innenraum des Pulsationsdämpfers 15 in Fluidverbindung über das Schaltventil 16 mit der Fluidleitung 5 steht (nur bei geöffneten Schaltventil 16).
  • Wenn das Schneidgut 2 geschnitten wird, wird die Vorrichtung 1 im ersten Betriebsmodus betrieben, dabei liefert die Druckerzeugungseinheit 3 den ersten Arbeitsdruck in der Fluidleitung 4. Die Schaltventil 16 ist zudem geöffnet, so dass die Druckpulsationen in der Fluidleitung 4 durch den Pulsationsdämpfer 15 gedämpft werden. Im Pulsationsdämpfer 15 herrscht somit im Mittel ebenfalls der erste Arbeitsdruck. Wenn nun ein neuer Schnitt an einer neuen Stelle am Schneidgut 2 erzeugt werden soll, muss zum Ansetzen des Wasserstrahls 6 zunächst das Schneidgut 2 an dieser neuen Stelle gepierct werden. Die Vorrichtung 1 muss also vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus wechseln, so dass der erste Arbeitsdruck auf den zweiten Arbeitsdruck reduziert wird und das Schneidgut 2 beim Piercen nicht zerstört wird.
  • Beim Umschalten vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus wird von der Steuerungselektronik 10 zunächst das Schaltventil 16 geschlossen. Der erste Arbeitsdruck wird somit im Pulsationsdämpfer 15 gespeichert. Anschließend wird die Druckerzeugungseinheit 3 von der Steuerungselektronik 10 herunter gesteuert oder geregelt, so dass eine Entspannung über das Schneidventil stattfindet und nicht mehr der erste Arbeitsdruck, sondern stattdessen der niedrigere zweite Arbeitsdruck in der Fluidleitung 4 bereitgestellt wird. Durch das vorherige Abkoppeln des Pulsationsdämpfers 15 sinkt der Druck der Fluidleitung 4 vergleichsweise schnell auf den zweiten Arbeitsdruck ab, da nicht auch ein Absinken des Druckes im Pulsationsdämpfer 15 abgewartet werden muss bzw. der Druck im Pulsationsdämpfer 15 dem Absinken des Druckes zunächst entgegenwirkt und das Volumen der Fluidleitung 4 im Vergleich zum Volumen des Pulsationsdämpfers 15 vergleichsweise klein ist. Bei der beispielhaften Vorrichtung 1 dauert der Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand somit weniger als eine Sekunde. Während des zweiten Betriebsmodus kann jetzt das Schneidgut 2 gepierct werden. Es steht in diesem zweiten Betriebsmodus allerdings kein Pulsationsdämpfer 15 zum Dämpfen von Druckschwankungen zur Verfügung. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieser Umstand für den Piercing-Vorgang unkritisch ist.
  • Falls ein noch schnellerer Wechsel vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand gewünscht wird, kann optional das als Entspannungsventil fungierende Notventil (nicht dargestellt), welches ohnehin in jedem Hochdruckkreislauf vorgesehen ist, kurzzeitig durch die Steuerungselektronik 10 geöffnet werden (erst nachdem das Schaltventil 16 geschlossen ist), um das Absinken des Druckes in der Fluidleitung 4 zu beschleunigen.
  • Wenn der Piercing-Vorgang nun ausgeführt ist und von der im Piercing-Vorgang erzeugten Anfangsöffnung ausgehend das Schneidgut 2 geschnitten werden soll, wird vom zweiten Betriebsmodus zurück in den ersten Betriebsmodus gewechselt. Hierbei wird zunächst die Druckerzeugungseinheit 3 von der Steuerungselektronik 10 derart angesteuert oder geregelt, dass sich der Druck in der Fluidleitung 4 vom zweiten Arbeitsdruck auf den ersten Arbeitsdruck erhöht. Anschließend wird das Schaltventil 16 geöffnet. Dieser Umschaltvorgang verläuft deutlich schneller als beim Stand der Technik, da der erhöhte erste Arbeitsdruck im Pulsationsdämpfer 15 bereits vorliegt und nicht erst durch die Druckerzeugungseinheit 3 neu aufgebaut werden muss. Das Schneidgut 2 kann nun geschnitten werden und Druckschwankungen in der Fluidleitung 4 werden wieder in gewohnter Weise von dem Pulsationsdämpfer 15 gedämpft.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Beschaltung des Schaltventils 16 wird das Schaltventil 16 immer nur dann beschaltet, wenn auf beiden Seiten des Schaltventils 16 nahezu der erste Arbeitsdruck vorherrscht. In vorteilhafter Weise unterliegt das Schaltventil 16 somit nur einem vergleichsweise geringen Verschleiß. Zudem ist der Pulsationsdämpfer 15 von großen Druckschwankungen zwischen erstem und zweitem Arbeitsdruck ausgenommen, da im Pulsationsdämpfer 15 stets im Wesentlichen der erste Arbeitsdruck herrscht. Der Pulsationsdämpfer 15 der vorliegenden Vorrichtung 1 unterliegt demnach keinen großen Lastzyklen und weist somit eine deutlich höhere Lebensdauer auf.
  • Die Vorrichtung 1 weist vorzugsweise eine Druckmessvorrichtung auf, welche entweder über einen Sensor in der Fluidleitung 4 den Druck innerhalb der Fluidleitung direkt misst oder den Druck in der Fluidleitung 4 indirekt, beispielsweise über die Stellung der Hydraulikeinheit 11, bestimmt. Denkbar ist auch, dass der Druck im Pulsationsdämpfer 15 überwacht wird.
  • In Figur 2 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 und eines Verfahrens zum Schneiden eines Schneidguts 2 mit Hilfe eines Fluids gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die zweite Ausführungsform ist nahezu identisch mit der in Figur 1 beschriebenen ersten Ausführungsform, wobei bei der zweiten Ausführungsform im Unterschied zur ersten Ausführungsform lediglich der Pulsationsdämpfer 15 mit zwei Zugangsöffnungen 17 versehen ist und dementsprechend über zwei Schaltventile, ein Schaltventil 16 und ein weiteres Schaltventil 16', mit der Fluidleitung 4 koppelbar ist. Im ersten Betriebszustand sind beide Schaltventile 16, 16' geöffnet, während im zweiten Betriebszustand beide Schaltventile 16, 16' geschlossen sind. Wenn beide Schaltventile 16, 16' geschlossen sind, fungiert die Fluidleitung 4 als Bypass zum Pulsationsdämpfer 15. Der einzige Unterschied zur Funktionsweise der in Figur 1 illustrierten Vorrichtung 1 müssen bei der in Figur 2 illustrierten Vorrichtung 1 stets beide Schaltventile 16, 16' von der Steuerungselektronik 10 gesteuert werden.
  • In Figur 3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 und eines Verfahrens zum Schneiden eines Schneidguts 2 mit Hilfe eines Fluids gemäß einer beispielhaften dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die dritte Ausführungsform ist wiederum nahezu identisch mit der in Figur 1 beschriebenen ersten Ausführungsform, wobei bei der dritten Ausführungsform im Unterschied zur ersten Ausführungsform zusätzlich ein separater weiterer Pulsationsdämpfer 15' vorgesehen, welcher über ein separates weiteres Schaltventil 16' an die Fluidleitung 4 ankoppelbar oder von der Fluidleitung 4 abkoppelbar ist. Die in Figur 3 illustrierte Vorrichtung 1 arbeitet exakt wie die in Figur 1 illustrierte Vorrichtung 1, wobei ausschließlich im zweiten Betriebsmodus der weitere Pulsationsdämpfer 15' mittels des weiteren Schaltventils 16' der Fluidleitung 4 zugeschaltet wird, sobald in der Fluidleitung der niedrigere zweite Arbeitsdruck herrscht, andernfalls (insbesondere im ersten Betriebsmodus) ist das weitere Schaltventil 16' geschlossen. Im weiteren Pulsationsdämpfer 15' herrscht somit ebenfalls stets der zweite Arbeitsdruck, so einerseits ein schnelles Umschalten zwischen erstem und zweiten Betriebsmodus sichergestellt ist und andererseits auch im zweiten Betriebsmodus ein Dämpfen von Druckpulsationen in der Fluidleitung 4 mittels des weiteren Pulsationsdämpfers 15' gedämpft werden. Bevor vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus gewechselt wird, wird von der Steuerungselektronik 10 das weitere Schaltventil 16' wieder geschlossen. Auch das weitere Schaltventil 16' unterliegt somit nur einem geringen Verschleiß.

Claims (15)

  1. Vorrichtung (1) zum Schneiden eines Schneidguts (2) mit Hilfe eines Fluids, insbesondere zum Wasserstrahlschneiden, wobei die Vorrichtung (1) eine Druckerzeugungseinheit (3) und eine mit der Druckerzeugungseinheit (3) über eine Fluidleitung (4) in Fluidverbindung stehende Austrittsdüse (5) aufweist, wobei die Druckerzeugungseinheit (3) zum Unterdrucksetzen des Fluids in der Fluidleitung (4) vorgesehen ist und wobei die Vorrichtung (1) ferner einen Pulsationsdämpfer (15) zum Dämpfen von in der Fluidleitung (4) auftretenden Druckschwankungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) wenigstens ein Schaltventil (16) derart aufweist, dass der Pulsationsdämpfer (15) je nach Schaltstellung des Schaltventils (16) an die Fluidleitung (4) ankoppelbar und von der Fluidleitung (4) abkoppelbar ist.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Druckerzeugungseinheit (3) eine Druckerzeugungseinheit (3) mit steuerbarem Ausgangsdruck ist, welcher wenigstens in einem ersten Betriebsmodus mit einem ersten Arbeitsdruck und in einem zweiten Betriebsmodus mit einem zweiten Arbeitsdruck betreibbar ist, wobei der erste Arbeitsdruck größer als der zweite Arbeitsdruck ist.
  3. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) zwischen einem zum Schneiden des Schneidguts (2) vorgesehenen ersten Betriebsmodus, in welchem die Druckerzeugungseinheit (3) den ersten Arbeitsdruck bereitstellt und der Pulsationsdämpfer (15) mittels des Schaltventils (16) an die Fluidleitung (4) angekoppelt ist, und einem zum initialen Durchlöchern des Schneidguts (2) vorgesehenen zweiten Betriebsmodus, in welchem die Druckerzeugungseinheit (3) den zweiten Arbeitsdruck bereitstellt und der Pulsationsdämpfer (15) mittels des Schaltventils (16) von der Fluidleitung (4) abgekoppelt ist, umschaltbar ist.
  4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckerzeugungseinheit (3) einen Druckübersetzer (12) und/oder eine hydraulisch angetriebene Hochdruckpumpe, eine elektromechanisch angetriebene Hochdruckpumpe oder eine Hochdruckpumpe mit Kurbeltrieb umfasst.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) ein schaltbares Entspannungsventil aufweist, welches eingangsseitig in Fluidverbindung mit der Fluidleitung (4) steht und ausgangsseitig insbesondere auf Umgebungsdruck liegt.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) eine Mischkammer (7) zur Beimengung von Abrasivmaterial (9) zum Fluid aufweist, wobei vorzugsweise die Mischkammer (7) entlang der Hauptströmungsrichtung des Fluids hinter der Austrittsdüse (5) angeordnet ist und die Mischkammer mit einem Reservoir für Abrasivmaterial in Verbindung steht.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Pulsationsdämpfer (15) eine geschlossene Druckspeicherkammer umfasst, welche nur eine einzige Zugangsöffnung (17) aufweist, wobei die eine Zugangsöffnung (17) über das Schaltventil (16) an die Fluidleitung (4) angebunden ist.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Pulsationsdämpfer (15) eine der Fluidleitung (4) parallel schaltbare geschlossene Druckspeicherkammer mit zwei Zugangsöffnungen (17, 17') aufweist, wobei die eine Zugangsöffnung (17) über das eine Schaltventil (16) an die Fluidleitung (4) ankoppelbar und von der Fluidleitung (4) abkoppelbar ist und wobei die andere Zugangsöffnung (17') über ein weiteres Schaltventil (16') an die Fluidleitung (4) ankoppelbar und von der Fluidleitung (4) abkoppelbar ist.
  9. Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) einen weiteren Pulsationsdämpfer (15') umfasst, welcher über wenigstens ein weiteres Schaltventil (16') an die Fluidleitung (4) ankoppelbar und von der Fluidleitung (4) abkoppelbar ist.
  10. Verfahren zum Schneiden eines Schneidguts (2) mit Hilfe eines Fluids, insbesondere zum Wasserstrahlschneiden, wobei ein Fluid mittels einer Druckerzeugungseinheit (3) unter Druck gesetzt wird, wobei das unter Druck gesetzte Fluid durch eine Fluidleitung (4) zu einer Austrittsdüse (5) geleitet wird und wobei das Schneidgut (2) mit dem aus der Austrittsdüse (5) austretenden Fluid beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wahlweise in einem ersten Betriebsmodus, in welchem ein Pulsationsdämpfer (15) mittels eines Schaltventils (16) an die Fluidleitung (4) angekoppelt ist, und einem zweiten Betriebsmodus, in welchem der Pulsationsdämpfer (15) mittels des Schaltventils (16) von der Fluidleitung (4) abgekoppelt ist, ausgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei im ersten Betriebsmodus ein erster Arbeitsdruck von der Druckerzeugungseinheit (3) bereitgestellt wird und im zweiten Betriebsmodus ein zweiter Arbeitsdruck von der Druckerzeugungseinheit (3) bereitgestellt wird, wobei der erste Arbeitsdruck größer als der zweite Arbeitsdruck ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei beim Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus das Schaltventil (16) geschlossen wird und wobei beim Übergang vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus das Schaltventil (16) geöffnet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei beim Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zunächst das Schaltventil (16) geschlossen und anschließend die Druckerzeugungseinheit (3) derart gesteuert wird, dass der Druck in der Fluidleitung (4) vom ersten Arbeitsdruck auf den zweiten Arbeitsdruck absinkt, und/oder wobei beim Übergang vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus zunächst die Druckerzeugungseinheit (3) derart gesteuert wird, dass der Druck in der Fluidleitung (4) vom zweiten Arbeitsdruck auf den ersten Arbeitsdruck ansteigt, und anschließend das Schaltventil (16) geöffnet wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus ein mit der Fluidleitung (4) in Fluidverbindung stehendes Entspannungsventil zumindest zeitweise geöffnet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei zum initialen Durchlöchern des Schneidguts (2) der zweite Betriebsmodus verwendet wird und wobei zum anschließenden Schneiden des Schneidguts (2) der erste Betriebsmodus verwendet wird.
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