Beschreibung

5 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Beaufschlagen eines Werkstücks mit einem mit Druck beaufschlagten flüssigen Medium. Die Vorrichtung enthält ein Düsenmodul, das einen Modulkörper mit einer darin ausgebildeten Kammer hat, und umfasst eine Einrichtung für das Zuführen eines mit Druck beaufschlagten flüssigen Mediums in die Kammer. Darüber hinaus 10 betrifft Erfindung auch ein Verfahren zum Erzeugen wenigstens eines Flu- idstrahls.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der WO 2009/144073 A1 bekannt. Dort ist das Reinigen von Werkstücken in einer Reinigungsanlage beschrieben, in 15 der ein Werkstück durch eine in eine Längsrichtung erstreckte Spaltdüse mit einem kontinuierlichen Fluidstrom beaufschlagt wird. Dabei wird z. B. mit einem Druck von bis zu 100 bar beaufschlagtes flüssiges Reinigungsmedium durch eine Düsenöffnung hindurch auf das Werkstück geführt.

20 Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung für das Beaufschlagen eines Werkstücks mit mindestens einem Fluidstrahl bereitzustellen und ein Verfahren für das Erzeugen von mindestens einem Fluidstrahl anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit der in Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung und 25 dem in Anspruch 25 angegebenen Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung für das Beaufschlagen eines Werkstücks mit einem mit Druck beaufschlagten flüssigen Medium enthält ein Dü- 30 senmodul, das einen Modulkörper mit einer darin ausgebildeten Kammer hat, und weist einer Einrichtung für das Zuführen eines mit Druck beaufschlagten flüssigen Mediums in die Kammer auf. Die Kammer in dem Modulkörper ist durch eine Kammerwand begrenzt, die zum Erzeugen von wenigstens einem Fluidstrahl aus dem flüssigen Medium mindestens eine Öffnung für das Austreten des flüssigen Mediums aus der Kammer aufweist. Bevorzugt ist die Kammerwand dabei eine die Kammer begrenzende Wand, in der mindestens eine Öffnung für das Austreten des flüssigen Mediums aus der Kammer durch eine Düse ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt insbesondere der Gedanke zugrunde, dass mit Fluid- strahlen aus einem fluiden Medium, insbesondere mit pulsierenden Fluid- strahlen aus einem fluiden Medium Bearbeitungsrückstände auf Werkstücken, wie Fette oder Kühlschmiermittel aber auch partikuläre Rückstände besser entfernt werden können.

Unter einem pulsierenden Fluidstrahl aus einem fluiden Medium wird dabei ein Fluidstrahl verstanden, bei dem der Massenstrom des fluiden Mediums als Funktion der Zeit variiert. In einem solchen pulsierenden Fluidstrahl wird das Fluid im Unterschied zu einem kontinuierlich strömenden Fluidstrahl z. B. mit einer wechselnden Strömungsgeschwindigkeit und/oder mit Unterbrechungen bewegt.

Das Entfernen von Bearbeitungsrückständen auf Werkstücken ist u. a. bei Werkstücken wie Motorenkomponenten, z. B. Zylinderköpfen von Bedeutung. Dort werden bei der mechanischen Bearbeitung Kühl Schmierstoffe eingesetzt und es entstehen Späne. Hierdurch werden solche Werkstücke verunreinigt. Diese Verunreinigungen können Störungen bei nachfolgenden Montageprozessen hervorrufen und die technische Funktionalität von Systemen beeinträchtigen, die aus entsprechenden Werkstücken hergestellt sind. Verunreinigungen mit Kühlschmierstoffen und Spänen in Zylinderkopfbohrungen und Einspritzdüsen bergen bei Verbrennungsmotoren die Gefahr von Motorschä- den, die irreparabel sind. Um einen pulsierenden Fluidstrahl zu erzeugen, schlägt die Erfindung vor, dass die Kammer in dem Modulkörper durch eine Membran begrenzt ist, die für das Einleiten von Schallwellen in das flüssige Medium mit wenigstens einem Schwingungserzeuger schwingungsgekoppelt ist.

Hierdurch ist es möglich, pulsierende Fluidstrahlen aus einem mit einem Druck p beaufschlagten Medium zu erzeugen, der z. B. zwischen 0,5 bar und 3,5 bar oder auch zwischen 3,5 bar und 60 bar liegen kann, ohne dass der bei den sogenannten mechanisch angetriebenen Impulsdüsen auftretende Druckverlust auftritt, der eine reinigende Wirkung von flüssigem Medium bei diesen Drücken herabsetzt. Anders als bei dem Erzeugen von Mikroblasen in flüssigem Medium für das Beaufschlagen der Oberfläche eines Werkstücks mit Ultraschallwellen in einem Fluidstrahl wird hier die Reinigungswirkung des pulsierenden Fluidstrahls durch Unterbrechungen des Fluidstrahls nicht beeinträchtigt.

Um den pulsierenden Fluidstrahl mit vergleichsweise geringem Energieeinsatz, d. h. effizient zu erzeugen, ist es von Vorteil, wenn die Membran eine der Kammerwand mit mindestens einer Öffnung für das Austreten von flüssi- gem Medium aus der Kammer zugewandte Oberfläche hat. In der Wand ist dabei möglichst wenigstens eine Düse ausgebildet, die mindestens eine Öffnung für das Austreten von flüssigem Medium als ein Fluidstrahl aus der Kammer hat, der das Werkstück beaufschlagt. Diese wenigstens eine Düse dient insbesondere dazu, Druck in Bewegungsenergie zu verwandeln. Eine Idee der Erfindung ist es dabei insbesondere, dass der Modulkörper als ein Kasten ausgebildet ist und die Membran eine Kastenwand ist, die als ein Blechteil, als ein plattenförmiges Kunststoffteil oder als eine Glasplatte gestaltet ist. Die Dicke der Membran beträgt bevorzugt 0,2 mm bis 3 mm. Die Kammerwand mit der mindestens einer Öffnung für das Austreten von flüssi- gem Medium aus der Kammer durch eine Düse liegt bevorzugt dieser Membran gegenüber. Diese Kammerwand kann insbesondere eine Kastenwand sein. Mit pulsierenden Fluidstrahlen lässt sich z. B. eine Reinigungswirkung für Werkstücke erreichen, die bei kontinuierlichen Fluidstrahlen das Beaufschlagen der Werkstücke mit entsprechenden fluiden Medien erfordert, die unter einem hohen Druck stehen, der bis zu 3000 bar betragen kann, was deshalb sehr energieintensiv ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht für das Abfangen bzw. Aufnehmen von auf die Membran wirkenden Druckkräften eine Stützstruktur vor, die z. B. an dem Modulkörper abgestützt ist. Die Stützstruktur ist bevorzugt als ein entlang der Membran erstreckter Kreuzrahmen gestaltet, der eine der Membran zugewandte Stützfläche für das Aufnehmen von die Membran beaufschlagenden Druckkräften hat. Der Kreuzrahmen der Stützstruktur hat dabei möglichst mehrere Rahmenöffnungen. Die Stützfläche ist vorteil- hafter Weise zusammenhängend und läuft um eine Rahmenöffnung oder um mehrere Rahmenöffnungen um.

In die der Membran gegenüberliegende Kammerwand können eine Vielzahl von Düsen integriert sein. Die Düsen können insbesondere als eine Bohrung in der Kammerwand gestaltet sein. Um die Membran in Schwingungen zu versetzen, ist es von Vorteil, wenn an den wenigstens einen Schwingungserzeuger eine mit der Membran fest verbundene Sonotrode angeschlossen ist. Um zu vermeiden, dass die Schwingungen der Membran auf die übrigen Wände des Modulkörpers übertragen werden, ist es von Vorteil, wenn zwi- sehen der Stützstruktur und der Membran ein schwingungsdämpfender Elastomerkörper ausgebildet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stützstruktur mit der Membran wenigstens eine einseitig geöffnete Wabe bildet. In dieser Wabe ist dann der wenigstens eine Schwingungserzeuger angeordnet. Indem an den wenigstens einen Schwingungserzeuger eine mit der Membran fest verbundene Sonotrode angeschlossen ist, lässt sich ein effizientes Übertragen von Schwingungen aus dem Schwingungserzeuger auf die Membran erreichen.

Der wenigstens eine Schwingungserzeuger kann z. B. für das Erzeugen von Schallwellen einer Frequenz v ausgelegt sein, die zwischen 20 kHz und 45 kHz, insbesondere zwischen 22 kHz und 38 kHz liegt. Die Einrichtung für das Zuführen eines mit Druck beaufschlagten flüssigen Mediums in die Kammer kann auch eine Pumpe aufweisen, die flüssiges Medium aus einem Fluidbehälter durch eine Leitung ansaugt, mit einem Druck p beaufschlagt und der Kammer durch eine Leitung zuführt, die in die Kammer mündet.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Verwendung einer vorstehend angegebenen Vorrichtung für das sogenannte Entfetten von Werkstücken. Darüber hinaus erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Verfahren für das Be- aufschlagen eines Werkstücks mit mindestens einem pulsierenden Fluid- strahl, bei dem in einer Kammer flüssiges Medium z. B. mit einem Druck 0,5 bar < p < 3,5 bar oder bevorzugt mit einem Druck 3,5 bar <p < 60 bar beaufschlagt wird und/oder bei dem das flüssige Medium in der Kammer mit Schallwellen der Frequenz v beaufschlagt wird, die zwischen 8 kHz und 45 kHz, bevorzugt zwischen 22 kHz und 38 kHz liegt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schemati- scher Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anlage mit einer Vorrichtung für das Behandeln von Werkstücken mit pulsierenden Fluidstrahlen aus einem Düsenmodul; Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts III des Düsenmoduls aus

Fig. 1 ; Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Werkstücken in der Anlage zugewandte Seite des Düsenmoduls; und

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Düsenmodul-Schnittebene IV-IV aus Fig. 1 .

Die Anlage 10 in Fig. 1 ist eine Reinigungsanlage, die für das Reinigen von Werkstücken 12 dient, die in einem Werkstückaufnahmebereich 14 in einer fluiddichten Behandlungskammer 16 angeordnet sind. In der Anlage 10 gibt es eine Vorrichtung 18 für das Beaufschlagen eines in dem Werkstückauf- nahmebereich 14 angeordneten Werkstücks 12 mit pulsierenden Fluidstrah- len 20.

Für das Erzeugen der pulsierenden Fluidstrahlen 20 enthält die Vorrichtung 18 ein Düsenmodul 22, das einen Modulkörper 24 mit einer darin ausgebilde- ten Kammer 26 hat. Der Modulkörper 24 ist dabei kastenförmig gestaltet. Er hat die Form eines sogenannten Spritzkastens. Die Kammer 26 ist ein quaderförmiger Hohlraum, der von sechs Wandflächen begrenzt ist. Die Vorrichtung 18 umfasst eine Einrichtung 28 für das Zuführen eines mit Druck beaufschlagten flüssigen Mediums 30 aus einem Fluidbehälter 32 in die Kammer 26. Die Einrichtung 28 hat eine Pumpe 34, die aus dem Fluidbehälter 32 flüssiges Medium 30 durch eine Leitung 38 ansaugt und mit einem Fluid- druck beaufschlagt durch eine Druckleitung 40 und ein darin angeordnetes Filter 42 in die Kammer 26 bewegt. Alternativ oder zusätzlich zu dem Filter 42 kann die Einrichtung 28 auch eine Entgasungseinheit enthalten, in der das durch die Druckleitung 40 bewegte flüssige Medium 30 von darin aufgenommenen gasförmigen Bestandteilen befreit wird.

Die dem Werkstückaufnahmebereich 14 in der Anlage 10 zugewandte Kammerwand 44 des Modulkörpers 24 ist als ein massives Plattenelement gestal- tet, das z. B. aus Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff besteht und das eine erste Kastenwand bildet. Auch die seitlichen Kammerwände 46, 48 der Kamme 26 und die Deckenwände (nicht gezeigt) des Modulkörpers 24 sind als massive Plattenelemente aus z. B. Aluminium, Edelstahl oder Kunststoff ausgeführt. Die der Kammerwand 44 gegenüberliegende Kammerwand 50 ist eine Membran, die als ein dünnes Blechelement gestaltet ist, das z. B. eine Dicke hat, die zwischen 0,2 mm und 1 ,5 mm liegt. Die Kammerwand 50 ist auf ihrer der Kammerwand 44 abgewandten Seite mit einer kreuzrahmen- förmigen Stützstruktur 52 zwischen den Plattenelementen der Deckenwände und der Kammerwände 46, 48 des Modulkörpers 24 eingespannt.

Die Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Düsenmoduls 22. Die Kammer 26 ist mit einer umlaufenden Elastomerdichtung 54 zwischen einem an der Kammerwand 50 anliegenden Elastomerkörper 56 und den Decken- und Seitenwänden 46, 48 abgedichtet. Zwischen der kreuzrahmen- förmigen Stützstruktur 52 und der Kammerwand 50 ist ein weiterer Elastomerkörper 58 ausgebildet, der dazu dient, auf die Kammerwand 50 wirkende Druckkräfte in der Kammer 26 auf die Stützstruktur 52 zu übertragen, um diese damit abzufangen.

Die Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine einem zu reinigenden Werkstück 12 in der Anlage 10 zugewandte Seite des Düsenmoduls 22. In der Wand 44 des Modulkörpers 24 gibt es eine Vielzahl von Düsen 59. Die Düsen 59 sind als Ausnehmungen in der Kammerwand 44 gestaltet. Sie dienen dazu, Druck in Bewegungsenergie zu verwandeln. Die Düsen 59 sind Bohrungen, welche die Kammerwand 44 durchsetzen. Die Düsen 59 haben jeweils dem Werkstückaufnahmebereich 14 in der Anlage 10 zugewandte Düsenöffnungen 60 für das Austreten eines Fluidstrahls 20 von flüssigem Medium 30 aus der Kammer 26. Auf ihrer in die der Kammer 26 weisenden Seite haben die Düsen 59 trichterförmige Eintrittsöffnungen 62.

Die Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die Düsenmodul-Schnittebene IV-IV aus Fig. 1 . Die Stützstruktur 52 ist als ein entlang der Kammerwand 50, d. h. der Membran erstreckter Kreuzrahmen mit einem äußeren Rahmenabschnitt 64, der durch mehrere Stegabschnitte 66 versteift ist. Die kreuzrahmenförmige Stützstruktur 52 übergreift die Kannnnerwand 50 des Modulkörpers 24. Der Kreuzrahmen der Stützstruktur 52 hat mehrere Rahmenöffnungen 53. Die kreuzrahmenförmige Stützstruktur 52 hat eine der Kammerwand 50, d. h. der Membran zugewandte Stützfläche 51 für das Aufnehmen von Druckkräften F _p , mit denen die Kammerwand 50, d. h. die Membran durch den Druck p des flüssigen Mediums in der Kammer 26 beaufschlagt wird. Die Stützfläche 51 der Stützstruktur 52 ist zusammenhängend und läuft um die mehreren Rahmenöffnungen 53 um. Mit der Kammerwand 50 bildet die kreuzrahmenförmige Stützstruktur 52 mehrere einseitig geöffnete Waben 67, in denen jeweils ein Schwingungserzeuger 68 angeordnet ist. Die Schwingungserzeuger 68 haben jeweils eine Sonotrode 70, die in einem Zentrumsbereich einer jeden Wabe 67 an die Kammerwand 50, d. h. die Membran angeschlossen ist, und enthalten einen mit der Sonotrode 70 gekoppelten piezoelektrischen Antrieb 72, der mit einem Frequenz-Generator 74 verbunden ist. Dem Boden einer jeden Wabe 67 liegt dabei die Kammerwand 44 des Modulkörpers 24 gegenüber.

Der Frequenz-Generator 74 dient für das Erzeugen von Ultraschallwellen in der Kammer 26. Mit dem Spannungssignal des Frequenz-Generators 74 ist es möglich, die piezoelektrischen Antriebe 72 der Schwingungserzeuger 68 in einem einstellbaren Frequenzbereich und mit einer einstellbaren Amplitude zu Schwingungen mit Schwingungsfrequenzen v zu erregen, die z. B. zwischen 8 kHz und 45 kHz liegen. Diese Schwingungen werden dabei mittels der an der Kammerwand 50 befestigten Sonotroden 70 über an den Ab- schnitten der Böden der Waben 67 der Kammerwand 50 als phasengleiche Ultraschallsignale auf mit Druck beaufschlagtes flüssiges Medium 30 in der Kammer 26 übertragen. Die Sonotroden 70 sind auf der Kammerwand 50, d. h. der Membran festgeklebt. Sie bewirken das zueinander synchrone Schwingen der Abschnitte der Böden der Waben 67. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Sonotroden 70 an der Kammerwand 50 z. B. festzuschrauben. In mit Druck beaufschlagtem flüssigen Medium 30 in der Kammer 26 werden hierdurch Ultraschallwellen erzeugt, die das im Wesentlichen gleichförmige Pulsieren eines aus den Düsenöffnungen 60 der Düsen 59 in der Kammerwand 44 des Modulkörpers 24 austretenden Fluidstrahls 20 mit der mittels des Frequenz-Generators 74 eingestellten Schwingungsfrequenz bewirken.

Aufgrund dieser Ultraschallwellen wird das aus den Düsenöffnungen 60 austretende flüssige Medium in Tropfen bzw. Tropfenpakete 76 zerlegt. Diese Tropfen bzw. Tropfenpakete 76 haben einen gegenüber einem kontinuierli- chen Fluidstrahl erhöhten Impuls, der beim Auftreffen der Tropfen bzw. Tropfenpakete 76 auf die Werkstückoberfläche 71 des Werkstücks 12 übertragen wird. Damit wird z. B. ein sehr energieeffizientes Reinigen von Werkstücken 12 ermöglicht, da sich dann mit einem in Bezug auf das Erzeugen von kontinuierlichen Fluidstrahlen verringerten Arbeitsdruck p in der Kammer 26 eine gleiche Reinigungswirkung der Oberfläche von Werkstücken 12 erzielen lässt.

In einer modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung 18 ist die Kammerwand 50 als eine Wand gestaltet, die mehrere Membranen enthält, die den unterschiedlichen Sonotroden 70 zugeordnet sind und die jeweils den Abschnitt der Böden 61 der entsprechenden Waben 67 bilden.

Um zu gewährleisten, dass die Kammer 26 bei einem Betrieb der Anlage 10 vollständig mit dem flüssigem Medium 30 befüllt ist, hat der Modulkörper 24 in der Kammerwand 48 ein Entlüftungsventil 78, durch das Gasblasen, die in der Kammer 26 in dem flüssigem Medium 30 aufsteigen, aus der Kammer 26 entweichen können.

Die Vorrichtung 18 für das Beaufschlagen eines in dem Werkstückaufnah- mebereich 14 angeordneten Werkstücks 12 mit pulsierenden Fluidstrahlen 20 weist für das Abdecken der Waben 67 mit den darin angeordneten Schwingungserzeugern 68 eine Schutzabdeckung 80 auf. Diese Schutzab- deckung 80 schützt die Schwingungserzeuger 68 in der Anlage 10 vor Dampfschwaden, Spritzwasser und hoher Luftfeuchtigkeit. Um das Eindringen von Feuchtigkeit und fluiden Medien unter die Schutzabdeckung 80 zu unterbinden und die darin angeordneten Schwingungserzeuger 68 zu schüt- zen, ist es von Vorteil, in das mit der Schutzabdeckung 80 überdeckte Volumen 82 Sperrluft oder auch Kühlgase einzuleiten.

Zu bemerken ist, dass in einer modifizierten Ausführungsform der Vorrichtung 18 die als eine Membran gestaltete Kammerwand 50 des Modulkörpers 24 auch zwischen dem düsentragenden Teil des Modulkörpers 24 und der Stützstruktur 52 dichtend eingeklemmt werden kann.

Zu bemerken ist auch, dass die vorstehend beschriebenen Beispiele für eine Vorrichtung 18 für das Beaufschlagen eines in dem Werkstückaufnahmebe- reich 14 angeordneten Werkstücks 12 mit pulsierenden Fluidstrahlen 20 ausgezeichnet für ein Nachrüsten von in industriellen Fertigungseinrichtungen installierten Anlagen für das Behandeln von Werkstücken, insbesondere für das Reinigen von Werkstücken geeignet sind. Die Erfindung erstreckt sich auch auf Abwandlungen und Weiterbildungen der vorstehend beschriebenen Anlage und der vorstehend beschriebenen Beispiele für eine Vorrichtung 18 für das Beaufschlagen eines in dem Werkstückaufnahmebereich 14 angeordneten Werkstücks 12 mit pulsierenden Fluidstrahlen 20, in denen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen kombiniert sind.

Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugte Merkmale der Erfindung festzuhalten: Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 18 für das Beaufschlagen eines Werkstücks 12 mit einem mit Druck beaufschlagten flüssi- gen Medium 30. Die Vorrichtung umfasst ein Düsenmodul 22, das einen Modulkörper 24 mit einer darin ausgebildeten Kammer 26 hat, und weist eine Einrichtung 28 für das Zuführen eines mit Druck beaufschlagten flüssigen Mediums 30 in die Kammer 26 auf. Die Kammer 26 in dem Modulkörper 24 ist für das Erzeugen von wenigstens einem Fluidstrahl 20 aus dem flüssigen Medium 30 durch eine Kammerwand 44 begrenzt, in der mindestens eine Öffnung 60 für das Austreten des flüssigen Mediums 30 aus der Kammer 26 ausgebildet ist. Diese Öffnung ist bevorzugt eine Öffnung einer Düse 59.

Bezugszeichenliste

10 Anlage

12 Werkstück

14 Werkstückaufnahmebereich

16 Behandlungskammer

18 Vorrichtung

20 Fluidstrahl

22 Düsenmodul

24 Modulkörper

26 Kammer

28 Einrichtung

30 flüssiges Medium

32 Fluidbehälter

34 Pumpe

38 Leitung

40 Druckleitung

42 Filter

44, 46, 48 Kammerwand

50 Kammerwand (Membran)

51 Stützfläche

52 Stützstruktur

53 Rahmenöffnung

54 Elastomerdichtung

56 Elastomerkörper

58 Elastomerkörper

59 Düse

60 Öffnung

61 Boden

62 Eintrittsöffnung

64 Rahmenabschnitt

66 Stegabschnitte 67 Wabe

68 Schwingungserzeuger

70 Sonotrode

71 Werkstückoberfläche

72 piezoelektrischer Antrieb

74 Frequenz-Generator

76 Tropfen bzw. Tropfenpakete

78 Entlüftungsventil

80 Schutzabdeckung

10 82 Volumen