WO2018054634A1

WO2018054634A1 - Vorrichtung und verfahren zum fluidstrahlschneiden mit abrasiven partikeln

Info

Publication number: WO2018054634A1
Application number: PCT/EP2017/071121
Authority: WO
Inventors: Uwe Iben
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2018-03-29
Also published as: DE102016218057A1

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum abrasiven Fluidstrahlschneiden oder zum abrasiven Fluidstrahlentschichten, mit einer Hochdruckdüse (5) zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls (20), der auf das zu schneidende oder zuentschichtende Werkstück (22) in der Weise gerichtet werden kann, dass das Werkstück (22) durchtrennt oder entschichtet wird. Zwischen der Hochdruckdüse (5) und dem Werkstück (22) ist zumindest in den Bereichen, in denen das Werkstück (22) durch den Hochdruckfluidstrahl (20) durchtrennt oder entschichtet werden soll, eine Partikelschicht (24) angeordnet, die beim Fluidstrahlschneiden oder Fluidstrahlentschichten vom Hochdruckfluidstrahl (20) durchdrungen wird, wobei die Partikelschicht (24) abrasive Partikel (31) enthält.

Description

Beschreibung

Titel

Vorrichtung und Verfahren zum Fluidstrahlschneiden mit abrasiven Partikeln Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fluidstrahlschneiden mit abrasiven Partikeln, wie es beispielsweise zum Entschichten oder Schneiden von Werkstoffen Anwendung findet.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren zum kontinuierlichem Fluidstrahlschneiden, vorzugsweise zum Wasserstrahlschneiden, seit langer Zeit bekannt. Dazu ist eine Düse vorgesehen, die eine Austrittsöffnung zur Erzeugung eines engen Wasserstrahls oder Fluidstrahl erzeugt. Das Fluid, mit dem geschnitten werden soll, wird mittels einer Hochdruckpumpe auf einen sehr hohen Druck verdichtet von einigen 100 MPa, bspw. 600 MPa. Durch die Düse wird der Fluidstrahl kontinuierlich ausgestoßen, so dass damit insbesondere spröde Werkstoffe wie Keramiken und Glas, aber auch Metall oder Kunststoff zerschnitten werden können. Um den Fluidstrahl entlang der gewünschten

Schnittlinie zu bewegen wird dabei entweder die Düse oder das Werkstück bewegt. Mittels einer solchen Vorrichtung ist es auch möglich, einen Werkstoff mechanisch zu entschichten, wenn dieser beispielsweise mit Farbe oder einer Keramik beschichtet ist. Durch eine geeignete Wahl des Fluiddrucks und von Form und Abstand der Düse zum Werkstück kann erreicht werden, dass dieses nur entschichtet, nicht aber zerschnitten wird.

Zur Verbesserung der Schnitteigenschaften oder zur Verbesserung des Entschichtens ist es darüber hinaus aus beispielsweise aus der DE 69 003 233 T2 bekannt, dem Fluidstrahl Partikel zuzusetzen, um so die Wirkung des Fluidstrahls zu erhöhen. Dadurch können insbesondere sehr harte Werkstoffe besser geschnitten werden oder es kann einem niedrigeren Druck oder mit einem niedrigeren Fluid-Durchsatz die gewünschte Schnittleistung bzw. Entschichtungswirkung erreicht werden. Bei den bekannten Verfahren wird das verdichtete Fluid aus einer Düsenöffnung mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen und gelangt in ein sogenanntes Kollimatorrohr, wo es mit den abrasiven Partikeln vermischt wird. Anschließend tritt der Fluidstrahl zusammen mit den Partikeln auf das Werkstück, aus dem entsprechend Material abgetragen wird.

Die Zugabe des Abrasivmittels zu dem Fluid, beispielsweise von Siliziumkarbidpartikeln, führt jedoch innerhalb des Schneidkopfs bzw. des Kollimatorrohrs zu einem massiven Verschleiß, was zu einem regelmäßigen Austausch der strahlführenden Komponenten der Hochdruckdüse zwingt. Die dadurch bedingten Wartungsintervalle für den Austausch der entsprechenden Komponenten erhöhen die Kosten und führen zu einem Stillstand der Maschine in regelmäßigen Abständen. Darüber hinaus ist eine kontinuierliche und definierte Dosierung des Abrasivmittels während des Streitprozesses technisch schwierig und führt so unter Umständen zu einem ungleichmäßigen Schnittbild des Werkstücks.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fluidstrahlschneiden mit abrasiven Partikeln können die Vorteile, die das Fluidstrahlschneiden mittels Partikel bietet, erreicht werden, ohne dass es zu einem erhöhten Verschleiß innerhalb der Hochdrückdüse kommt und somit die Bauteile der Hochdruckdüse länger verwendet können. Dazu weist die Vorrichtung zum abrasiven Fluidstrahlschneiden oder zum abrasiven Fluidstrahlent- schichten eine Hochdruckdüse zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls auf, wobei der Hochdruckfluidstrahl auf das zu schneidende oder zu entschichtende Werkstück gerichtet werden kann, so dass das Werkstück durchtrennt bzw. entschichtet wird. Zwischen der Hochdruckdüse und dem Werkstück ist zumindest in den Bereichen, in denen das Werkstück durch den Hochdruckfluidstrahl durchtrennt oder entschichtet werden soll, eine Partikelschicht angeordnet, die beim Fluidstrahlschneiden oder Fluidstrahlentschichten vom Hochdruckfluidstrahl durchdrungen wird, wobei die Partikelschicht abrasive Partikel enthält.

Durch das Vorsehen der Partikelschicht können die Partikel nur dahin gebracht werden, wo sie tatsächlich benötigt werden und sie werden erst dann mit dem

Hochdruckfluidstrahl vermischt, wenn dieser die Hochdruckdüse bereits verlassen hat. Dadurch kann die Schnitt- oder die Entschichtungswirkung des Hoch- druckfluidstrahls verbessert werden, ohne dass es zu einem erhöhten Verschleiß innerhalb der Hochdruckdüse kommt, da keine Teile der Hochdruckdüse mit den Partikeln in Berührung kommen.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Partikelschichten neben den abrasiven Partikeln ein Bindemittel, das die Partikel zusammenhält. Dadurch wird bei geeigneter Wahl des Bindemittels eine Masse geschaffen, die sich ein- fach auf das Werkstück aufbringen lässt, so dass die Partikel an den gewünschten Stellen und in der gewünschten Anzahl und Dichte zur Verfügung stehen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Partikelschicht als flexibles Band ausgebildet, das ein Trägermaterial aufweist, auf dem die abrasiven Parti- kel aufgebracht sind. Das Band ist dabei vorzugsweise relativ zum Werkstück oder zum Hochdruckfluidstrahl bewegbar, so dass stets ein Bereich des Bandes in den Hochdruckfluidstrahl gehalten werden kann, auf dem noch Partikel vorhanden sind. Dabei kann das Band in vorteilhafter Weise über eine erste Umlenkrolle und eine zweite Umlenkrolle bewegt werden, so dass es ähnlich wie das Band einer Schreibmaschine durch den Fluidstrahl gezogen werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Partikelschicht durch eine Beschichtung des Werkstücks in den zu schneidenden oder zu entschichtenden Bereichen ausgebildet. Es kann auch in vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Partikelschicht in Form einer Matte ausgebildet ist, die ebenfalls aus einem

Trägermaterial besteht mit darauf aufgebrachten Partikeln. Eine Beschichtung des Werkstücks in den zu schneidenden Bereichen ist einerseits aufwändiger als das Vorsehen einer Matte, da es große Teile des Werkstücks oder das gesamte Werkstück bedeckt, anderseits wird so weniger abrasives Mittel benötigt. Eine Matte mit entsprechend präparierten Partikeln, die entweder biegeweich oder in Form einer versteiften Platte ausgebildet sein kann, ist hingegen einfach aufzubringen, jedoch kann eine solche Matte in der Regel nur einmal verwendet werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum abrasiven Fluidstrahlschneiden oder zum abrasiven Fluidstrahlentschichten mit einer Hochdruckdüse zur Erzeugung eines Hochdruckfluidstrahls werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

Bereitstellen des zu durchtrennenden oder zu entschichtenden Werkstücks und der Hochdruckdüse,

Anordnung der Partikelschicht zwischen der Hochdruckdüse und dem Werkstück zumindest in den Bereichen, die durch den Hochdruckfluidstrahl bearbeiten werden sollen,

Richten des Hochdruckfluidstrahls auf das zu schneidende oder zu ent- schichtende Werkstück in der Weise, dass das Werkstück durchtrennt oder entschichtet werden kann,

Erzeugen eines Hochdruckfluidstrahls mittels der Hochdruckdüse so, dass der Hochdruckfluidstrahl die Partikelschicht durchdringt und dabei die in der Partikelschicht befindlichen abrasiven Partikel zur Unterstützung des Schneid- oder Entschichtungsvorgangs herauslöst.

Wird für das erfindungsgemäße Verfahren ein flexibles Band verwendet, das die abrasiven Partikel enthält, so kann dieses relativ zum Hochdruckfluidstrahl so bewegt werden, dass die gewünschte Anzahl an Partikeln abhängig von der Be- arbeitungsgeschwindigkeit und der Beschaffenheit des Werkstücks zur Verfügung steht. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass der Fluidstrahl nicht kontinuierlich auf das Werkstück trifft, sondern in rascher zeitlicher Folge unterbrochen wird, so dass ein gepulster Hochdruckfluidstrahl entsteht. Ein gepulster Hochdruckfluidstrahl hat den Vorteil, dass der Werkstoff bereits mit niedrigerem Druck und mit weniger Fluid zerschnitten bzw. entschichtet werden kann, als dies bei einem kontinuierlichen Fluidstrahl der Fall ist, und sich der Energiebedarf der Fluidstrahlanlage entsprechend deutlich reduziert. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.

Zeichnung

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik dargestellt. Es zeigt

Figur 1 eine Vorrichtung zum abrasiven Fluidstrahlschneiden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist,

Figur 2 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fluidstrahlschneiden bzw. Fluidstrahlentschichten,

Figur 2a das flexible Band, das in dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 verwendet wird, in einer vergrößerten Darstellung,

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 3a in einer schematischen Darstellung das Material der erfindungsgemäßen Partikelschicht in einer vergrößerten Darstellung,

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Figur 4a die in der Vorrichtung nach Figur 4 verwendete Matte, die die abrasiven Partikel enthält. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist eine Vorrichtung zum abrasiven Fluidstrahlschneiden gezeigt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Fluid, das zum Fluidstrahl- schneiden verwendet wird, wird in einem Fluidtank 1 zur Verfügung gestellt und durch eine Hochdruckpumpe 2 verdichtet. Das verdichtete Fluid, beispielsweise Wasser, wird über eine Hochdruckleitung einer Hochdruckdüse 5 zugeführt, die ein Kollimatorrohr 7 umfasst, in dem ein das verdichtete Fluid aufnehmender Druckraum 8 ausgebildet ist. Das Kollimatorrohr 7 wird von einem Düsenkörper 10 begrenzt, in dem eine Längsbohrung ausgebildet ist, die in eine in einem Fokussierrohr 14 ausgebildete Längsbohrung übergeht, wobei das Fokussierrohr 14 koaxial zum Kollimatorrohr 7 angeordnet ist. Das Kollimatorrohr 7, der Düsenkörper 10 und das Fokussierrohr 14 werden durch eine Verbindungshülse 12 koaxial zueinander gehalten.

Im Fokussierrohr 14 ist eine Mischkammer 18 ausgebildet, in die ein Abrasivzu- fuhrkanal 17 mündet, der in der Verbindungshülse 12 und dem Fokussierrohr 14 ausgebildet ist. Über den Abrasivzufuhrkanal 17 können abrasive Partikel dem verdichteten Fluid, das innerhalb des Fokussierrohrs 14 strömt, beigemischt wer- den, so dass aus dem Fokussierrohr 14 letztlich ein Fluidhochdruckstrahl austritt, der neben dem Hochdruckfluid abrasive Partikel enthält. Der mit den abrasiven Partikeln vermischte Hochdruckfluidstrahl 20 trifft auf das Werkstück 22 und durchtrennt dieses, wie in der Figur 1 schematisch dargestellt. Auf diese Weise können mit hoher Effektivität Schnitte in beliebiger Form an einem harten Werk- stück durchgeführt werden, aber auch an Kunststoffen, Holz und ähnlichen

Werkstoffen.

In Figur 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum abrasiven Fluidstrahlschneiden bzw. abrasiven Fluidsrahlentschichten dar- gestellt. Die Hochdruckdüse 5 beinhaltet nur das Kollimatorrohr 7 und einen Düsenkörper 10, durch dessen Bohrung der Hochdruckfluidstrahl austritt, jedoch kein Kolimatorrohr, da in dieser Hochdruckdüse keine Partikel mit dem Fluid- strahl vermischt werden. Vielmehr trifft der Hochdruckfluidstrahl 20 auf ein flexibles Band 30, das sich zwischen der Hochdruckdüse 5 und dem Werkstück 22 be- findet. Das flexible Band 30 besteht aus einem Trägermaterial, wie in Figur 2a dargestellt, das beispielsweise ein Kunststoffgewebe ist, mit darauf angeordneten Partikeln 31, die die abrasive Wirkung entfalten. Trifft der Hochdruckfluid- strahl 20 auf das flexible Band 30, so durchdringt er das Trägermaterial 35 und reißt dabei die Partikel 31 mit, die die abrasive Wirkung des Fluidstrahls erhöhen und damit dessen Schnittwirkung bzw. Entschichtungswirkung am Werkstück 22.

Um stets die gewünschte Anzahl von abrasiven Partikeln 31 im Fluidstrahl zur Verfügung zu haben, muss das flexible Band 30 gegenüber dem Hochdruckfluid- strahl bewegt werden. Dies erfolgt bei der Vorrichtung nach der Figur 2 durch zwei Umlenkrollen, eine erste Umlenkrolle 26 und eine zweite Umlenkrolle 27, über die das flexible Band 30 geführt ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass das flexible Band auf der ersten Umlenkrolle 26 aufgewickelt ist und durch Drehen von erster Umlenkrolle 26 und zweiter Umlenkrolle 27 auf die zweite Umlenkrolle 27 aufgewickelt wird. Beide Umlenkrollen 26, 27 werden dabei durch Haltearme 29 in ihrer Position gehalten. Durch das Bewegen des flexiblen Bandes kann sichergestellt werden, dass stets die gewünschte Anzahl an abrasiven Partikeln 31 im Hochdruckfluidstrahl 20 zur Verfügung steht, wobei das Trägermaterial 35 hier das Gewebe so beschaffen ist, dass es durch den Hochdruckfluidstrahl ohne Weiteres durchdrungen wird, um die Schneidwirkung des Hochflu- idstrahls nicht zu beeinträchtigen. Die abrasiven Partikel 31 können beispielsweise Siliziumkarbid- oder Siliziumoxidpartikel sein, aber auch andere Partikel, über deren Größe und Härte die Wirkung sehr genau eingestellt werden kann.

In Figur 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zum abrasiven Fluid- strahlschneiden dargestellt. Das Werkstück 22, das hier ebenfalls als rechteck- förmige Platte dargestellt ist, soll entlang einer rechteckigen Schnittlinie ausgeschnitten werden. Dazu wird entlang der beabsichtigten Schnittlinie eine Partikelschicht 24 aufgebracht, die aus abrasiven Partikeln besteht und einem Bindemittel 33, das die abrasiven Partikel 31 zusammenhält und so eine formbare und auf der Oberfläche des Werkstücks haftende Masse ergibt. Über die Dicke der Partikelschicht 24 und über die Anzahl und Größe der Partikel innerhalb der Partikelschicht lässt sich die abrasive Wirkung einstellen und so die Schnitt- oder die Entschichtungswirkung an diesen Stellen verbessern. Das Auftragen der Partikelschicht 24 nur in den Bereichen, in denen der Hochdruckfluidstrahl das Werk- stück 22 zerschneiden oder entschichten soll, erlaubt einen sehr sparsamen Umgang mit den abrasiven Partikeln, so dass nur wenig Material für die gewünschte Schnittwirkung eingesetzt werden muss.

In Figur 4 ist eine weitere Vorrichtung zum abrasiven Fluidstrahlschneiden gezeigt. Die Partikelschicht 24 ist hier in Form einer Matte 32 ausgebildet. Die Matte 32 besteht aus einem Trägermaterial 37, beispielsweise in Form eines Gewebes oder in Form einer Kunststoffmatte, wobei auf das Trägermaterial 37 abrasi- ve Partikel 31 aufgebracht sind. Die Matte 32 bedeckt den Bereich des Werkstücks 22, der durch den Hochdruckfluidstrahl bearbeitet werden soll. So ist ein beliebiger Schnitt bzw. eine beliebige Entschichtung des Werkstücks 22 möglich, ohne dass das Werkstück 22 speziell vorbereitet werden muss. Insbesondere beim Entschichten eines Werkstücks 22 kann so eine große Fläche des Werkstücks 22 mit abrasiven Partikeln bedeckt werden, indem einfach eine entsprechend große Matte 32 aufgelegt wird. Das Trägermaterial 37 der Matte 32 ist so zu wählen, dass der Hochdruckfluidstrahl dieses ohne nennenswerte Beeinträchtigung des Hochdruckfluidstrahls durchdringen kann. In Figur 4a ist dazu noch einmal eine Ansicht der Matte 32 gezeigt mit den abrasiven Partikeln 31.

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zum abrasiven Fluidstrahlschneiden oder zum abrasiven Fluidstrahlentschichten, mit einer Hochdruckdüse (5) zur Erzeugung eines Hoch- druckfluidstrahls (20), der auf das zu schneidende oder zu entschichtende Werkstück (22) in der Weise gerichtet werden kann, dass das Werkstück (22) durchtrennt oder entschichtet wird,

dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen der Hochdruckdüse (5) und dem Werkstück (22) zumindest in den Bereichen, in denen das Werkstück (22) durch den Hochdruckfluidstrahl (20) durchtrennt oder entschichtet werden soll, eine Partikelschicht (24) angeordnet ist, die beim Fluidstrahlschneiden oder Fluidstrahlentschichten vom Hochdruckfluidstrahl (20) durchdrungen wird, wobei die Partikelschicht (24) abrasive Partikel (31) enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelschicht (24) neben den abrasiven Partikeln (31) ein Bindemittel (33) enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelschicht als flexibles Band (30) ausgebildet ist, das ein Trägermaterial (35) aufweist, auf dem die abrasiven Partikel (31) aufgebracht sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Band (30) relativ zum Werkstück (22) und/oder zum Hochdruckfluidstrahl (20) bewegbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Band (30) über eine erste Umlenkrolle (26) und eine zweite Umlenkrolle (27) durch den Hochdruckfluidstrahl (20) bewegbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelschicht (24) durch eine Beschichtung des Werkstücks (22) in den zu schneidenden und/oder zu entschichtenden Bereichen ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelschicht (24) in Form einer Matte (32) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Matte (32) ein Trägermaterial (35) umfasst, auf dem die Partikel (31) aufgebracht sind.

9. Verfahren zum abrasiven Fluidstrahlschneiden oder zum abrasiven Fluid- strahlentschichten mit einer Hochdruckdüse (5) zur Erzeugung eines Hoch- druckfluidstrahls (20), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Bereitstellen des zu durchtrennenden oder zu entschichtenden Werkstücks (22) und der Hochdruckdüse (5),

Anordnen einer Partikelschicht (24) zwischen der Hochdruckdüse (5) und dem Werkstück (22) zumindest in den Bereichen, die durch den Hoch- druckfluidstrahl (20) bearbeitet werden sollen,

Richten des Hochdruckfluidstrahls (20) auf das zu schneidende oder zu entschichtende Werkstück (22) in der Weise, dass das Werkstück (22) durchtrennt oder entschichtet werden kann,

Erzeugen eines Hochdruckfluidstrahls (20) mittels der Hochdruckdüse (5) so, dass der Hochdruckfluidstrahl (20) die Partikelschicht (24) durchdringt und dabei die in der Partikelschicht (24) befindlichen abrasiven Partikel (31) zur Unterstützung des Schneid- oder Entschichtungsvorgangs herauslöst.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelschicht (24) durch die Beschichtung des Werkstücks (22) ausgebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelschicht (24) in Form eines flexiblen Bandes (30) ausgebildet ist, das in Abhängigkeit von der Bearbeitungsgeschwindigkeit und der Beschaffenheit des Werkstücks (22) durch den Hochdruckfluidstrahl (20) bewegt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck- fluidstrahl (20) kontinuierlich auf das Werkstück (22) trifft.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck- fluidstrahl (20) in zeitlich rascher Folge unterbrochen wird, so dass ein gepulster Hochdruckfluidstrahl (20) entsteht.