Titel:

Vorrichtung zur erosiven Bearbeitung und/oder zur Reinigung eines Werkstoffs oder einer Werkstückoberfläche mittels mindestens eines Hochdruck- Fluidstrahls sowie Ver- fahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur erosiven Bearbeitung und/oder zur Reinigung eines Werkstoffs oder einer Werkstückoberfläche mittels mindestens eines Hochdruck- Fluidstrahls mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 201 797 AI geht eine Vorrichtung zum Was- serstrahlschneiden von Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl, Stein, Glas, Fliesen, Keramik, Lebensmitteln oder Kunststoffen hervor, die eine Hochdruckpumpe und eine Düse umfasst. Die Hochdruckpumpe dient der Erzeugung eines über die Düse abzugebenden Hochdruckfluidstrahls, insbesondere eines Hochdruckwasserstrahls. Um die Antriebsleistung der Hochdruckpumpe klein zu halten und die Schaffung komplexer dreidimensionaler Strukturen innerhalb der Werkstoffe mittels des Hochdruckfluidstrahls zu ermöglichen, wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Erzeugen von durch die Düse austretenden Fluidim- pulsen aufweist, wobei die Fluidimpulse dazu ausgebildet sind, eine vorgegebene Menge von Partikeln vom Werkstoff abzutragen. Über die angegebene Vorrichtung soll ein diskontinuierlicher, d. h. insbesondere ein periodisch unterbrochener Fluidstrahl, erzeugbar sein, der bei vergleichsweise niedrigem Förderdruck der Hochdruckpumpe eine hohe Abtragwirkung besitzt. Durch die gezielt frequentierten Pulsstöße bzw. Fluidimpulse kommt es zu einem sich selbstverstärkenden Effekt, d. h. zu einem verbes- serten Materialabtrag in der Schnittkante, da diese nicht durch den Fluidstrahl verstopft wird. Zugleich ermöglichen die Fluidimpulse das Schneiden und/oder Einbringen einer dreidimensionalen Geometrie in den Werkstoff. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Einrichtung zum Erzeugen der Fluidimpulse mindestens ein Ventil, das nach Art eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine ausgebildet sein soll. Zur Betätigung des Ventils ist vorzugsweise ein Magnetaktor oder Piezoaktor vorgesehen.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur erosiven Bearbeitung und/oder Reinigung eines Werkstoffs oder einer Werkstückoberfläche anzugeben, die einen noch geringeren Energiebedarf besitzt. Ferner soll ein Verfahren zum energiesparenden Betrieb der Vorrichtung angegeben werden.

Zur Lösung der Aufgabe werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene Vorrichtung ist zur erosiven Bearbeitung und/oder zur Reinigung, insbesondere gepulsten Reinigung, eines Werkstoffs oder einer Werkstückoberfläche mittels mindestens eines Hochdruck- Fluidstrahls einsetzbar. Zur Abgabe eines Hochdruck- Fluidstrahls umfasst die Vorrichtung eine Düse, der zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruck- Fluidstrahls eine Einrichtung mit mindestens einem Ventil vorgeschaltet ist. Erfindungsgemäß ist das Ventil als Servoventil ausgebildet und besitzt einen axial verschiebbaren Ventilkolben zur Verbindung eines Ventilzulaufs mit einem Ventilablauf, so dass über die axiale Lage des Ventilkolbens der Durchfluss durch das Ventil vorgebbar ist.

In der Ausführung als Servoventil benötigt das Ventil der Einrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruck- Fluidstrahls, insbesondere im Vergleich zu einem Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, eine sehr geringe Schaltenergie. Dies wiederum führt zu einem deutlich verringerten Energiebedarf der Vorrichtung und des Schneid- bzw. Reinigungsprozesses. Zugleich kann über den gepulsten Hochdruck- Fluidstrahl eine komplexe Geometrie in den Werkstoff bzw. das Werkstück eingebracht und/oder eine effektive Reinigung der jeweiligen Oberfläche erzielt werden.

Der gepulste Hochdruck- Fluidstrahl setzt sich vorzugsweise aus einem kontinuierlich erzeugten Strahlanteil und einem diskontinuierlich erzeugten Strahlanteil zusammen. Hierzu wird in bestimmten zeitlichen Abständen der Durchfluss durch das Ventil erhöht bzw. verringert. Alternativ kann auch ein rein diskontinuierlich erzeugter Fluidstrahl ohne kontinuierlichem Strahlanteil als gepulster Hochdruck- Fluidstrahl eingesetzt werden.

Im Unterschied zum Schneiden mittels eines kontinuierlichen Hochdruck- Fluidstrahls kann beim Schneiden mittels eines gepulsten Hochdruck- Fluidstrahls eine sehr saubere Schneidkante selbst bei Werkstoffen, wie beispielsweise kohlefaser- oder glasfaserverstärkten Kunststoffen, erreicht werden. Dies hat sich bislang immer als schwierig erwiesen. Darüber hinaus kann die vorgeschlagene Vorrichtung zum Schneiden vieler weiterer Werkstoffe, wie beispielsweise Metall, Keramik, Stein oder Holz, eingesetzt werden. Durch den selbstverstärkenden Effekt der Fluidimpulse ist die Verwendung ab- rasiver Mittel entbehrlich. Dies wiederum hat zur Folge, dass der Verschleiß im Bereich der Düse verringert, die Standzeit der Vorrichtung erhöht wird und die Betriebskosten massiv reduziert werden.

Das als Servoventil ausgeführte Ventil der Einrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruck- Fluidstrahls bildet aufgrund des axial verschiebbaren Ventilkolbens zugleich ein Schieberventil aus. Denn der Durchfluss durch das Ventil wird durch die axiale Lage des Ventilkolbens vorgegeben. Das heißt, dass in Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkobens ein bestimmter Strömungsquerschnitt freigegeben oder verschlossen wird, wobei vorzugsweise der Ventilkolben eine beliebige Stellung zwischen einer Schließstellung und einer maximalen Öffnungsstellung einnehmen kann, so dass der Durchfluss stetig veränderbar ist.

Als Schieberventil vermag das Ventil der Einrichtung keine so hohen Anforderungen in Bezug auf die Dichtigkeit wie beispielsweise ein als Sitzventil ausgebildetes Einspritzventil einer Brennkraftmaschine zu erfüllen. Dies ist jedoch auch nicht erforderlich, da eine Strahlunterbrechung von etwa 95% als ausreichend angesehen wird. Versuche haben gezeigt, dass sich mit der vorgeschlagenen Vorrichtung beim Schneiden von kohlefaserverstärkten Kunststoffen bis zu 80% Energie einsparen lassen. Zudem werden saubere Schneidkanten erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung begrenzt der Ventilkolben einen Steuerraum, der mit dem Ventilzulauf hydraulisch verbunden und über ein Pilotventil entlastbar ist. Bei geschlossenem Pilotventil herrscht demnach im Steuerraum der gleiche hydraulische Druck wie im Ventilzulauf. Wird das Pilotventil geöffnet, sinkt der Druck im Steuerraum, so dass der Ventilkolben über den höheren Druck im Ventilzulauf in Richtung des Steuerraums verschoben wird und sich der Durchfluss durch das Ventil ändert. Die axiale Verschiebung des Ventilkolbens wird dabei bevorzugt allein über die vorherrschenden hydraulischen Druckverhältnisse bewirkt, so dass der Einsatz einer den Ventilkolben in Öffnungs- oder in Schließrichtung belastenden Feder entbehrlich ist. Zur axialen Verschiebung des Ventilkolbens muss demnach keine Akto- rik zur Überwindung der Federkraft einer Feder vorgesehen werden, wodurch der Energiebedarf der Vorrichtung weiter herabgesetzt wird.

Des Weiteren bevorzugt besitzt der Ventilkolben mindestens einen Kanal zur hydraulischen Verbindung des Steuerraums mit dem Ventilzulauf. Der mindestens eine Kanal kann beispielsweise durch eine Axialbohrung im Ventilkolben realisiert werden. Darüber hinaus können auch mehrere solcher Bohrungen vorgesehen sein. Vorzugsweise ist der Durchmesser des mindestens einen Kanals derart gewählt, dass der effektive Strömungsquerschnitt des einen Kanals oder der mehreren Kanäle in Summe kleiner als der durch das Pilotventil freigebbare effektive Strömungsquerschnitt ist. Dadurch ist gewährleistet, dass der Druck im Steuerraum bei geöffnetem Pilotventil schnell abfällt und der Durchfluss durch das Ventil impulsartig erhöht wird.

Vorteilhafterweise ist der Ventilkolben als Stufenkolben ausgeführt und besitzt eine dem Ventilzulauf zugewandte erste Stirnfläche, die kleiner als eine dem Ventilzulauf abgewandte zweite Stirnfläche zur Begrenzung des Steuerraums ist. Die beiden Stirnflächen stellen hydraulisch wirksame Steuerflächen dar, die in Abhängigkeit vom jeweils gewählten Flächenverhältnis eine Druckverstärkung ermöglichen. Die zur axialen Verschiebung des Ventilkolbens erforderliche Kraft wird demzufolge nochmals verringert, so dass ein Ventil mit hoher Dynamik geschaffen wird.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das Pilotventil elektromagnetisch oder piezo- elektrisch betätigbar ist. Das heißt, dass das Pilotventil einen Magnetaktor oder einen

Piezoaktor umfasst. Besonders bevorzugt ist das Pilotventil als Magnetventil ausgebildet, da ein solches einfach und kostengünstig herzustellen ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, das die Einrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruck- Fluidstrahls einen Fluidspeicher zur Versorgung des Ventils mit Fluid umfasst. Im Fluidspeicher kann Fluid zwischengespeichert werden, um die Erzeugung eines gepulsten Hochdruck- Fluidstrahls bei kontinuierlicher Versorgung der Einrichtung mit Fluid zu ermöglichen. Der konstruktive Aufbau der Einrichtung kann auf diese Weise vereinfacht werden.

Ferner bevorzugt ist zur Förderung des Fluids auf Hochdruck eine Hochdruckpumpe vorgesehen, die Bestandteil der Einrichtung ist oder der Einrichtung vorgeschaltet ist. Die Hochdruckpumpe dient einerseits der Komprimierung des Fluids und andererseits der Förderung des komprimierten Fluids in Richtung der Düse. Vorzugsweise ist die Hochdruckpumpe über einen Elektromotor antreibbar. Ein solcher ist kompaktbauend und ermöglicht eine präzise Einstellung der Fördermenge der Hochdruckpumpe.

Bei dem auf Hochdruck geförderten Fluid handelt es sich vorzugsweise um Wasser. Der Einsatz von Wasser als Schneidmittel trägt zu einer hohen Umweltfreundlichkeit der Vorrichtung bei. Das heißt, dass die Vorrichtung umweltfreundlich betreibbar ist.

Bei dem darüber hinaus vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruck- Fluidstrahls das Ventil der Einrichtung getaktet betätigt. Die Taktfrequenz beträgt vorzugsweise 40 bis 200 Hz. Die vergleichsweise hohe Frequenz der Fluidimpulse führt zu einer Verbesserung des Schneidprozesses, insbesondere beim Schneiden von kohlefaserverstärkten Kunststoffen. Versuche haben gezeigt, dass bei zugleich deutlich verringertem Energiebedarf saubere Schneidkanten erzielbar sind. Der Arbeitsdruck kann bei vorstehend genannter Taktfrequenz zwischen 500 und 1500 bar liegen. Für spezielle Anwendun- gen, beispielsweise zum Schneiden besonders fester Materialien und/oder bei großen Schneidtiefen, kann der Arbeitsdruck bis zu 4.000 bar betragen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beige- fügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein Ventil der Vorrichtung der Fig. 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die Darstellung der Fig. 1 beschränkt sich auf die wesentlichen Komponenten einer er- findungsgemäßen Vorrichtung. Diese sind eine Düse 1 zur Abgabe eines Hochdruck-

Fluidstrahls sowie eine Einrichtung 2 zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruck- Fluidstrahls. Die Einrichtung 2 umfasst hierzu ein Ventil 3, das als Servoventil ausgeführt ist und nachfolgend in Zusammenhang mit der Fig. 2 näher beschrieben wird. Dem Ventil 3 ist ein Fluidspeicher 10 vorgeschaltet, dem über eine Hochdruckpum- pe 11 unter hohem Druck stehendes Fluid, vorliegend Wasser, zuführbar ist. Der Fluidspeicher 10 und die Hochdruckpumpe 11 sind wie das Ventil 3 Bestandteile der Einrichtung 2. Diese umfasst ferner einen Elektromotor 12 zum Antrieb der Hochdruckpumpe 11. Die Hochdruckpumpe 11 kann über den Elektromotor 12 kontinuierlich angetrieben werden, so dass dem Fluidspeicher 10 kontinuierlich Fluid zugeführt wird.

In der Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausgestaltung des Ventils 3 der Einrichtung 2 dargestellt. Das Ventil 3 ist als Servoventil ausgeführt und umfasst einen in axialer Richtung hin und her verschiebbaren Ventilkolben 4 zur Verbindung eines Ventilzulaufs 5 mit einem Ventilablauf 6. Die Bewegungsrichtung des Ventilkolbens 4 ist durch den Pfeil 13 angezeigt. Der Ventilablauf 6 wird vorliegend durch zwei sich gegenüber liegende radial verlaufende Bohrungen gebildet, während der Ventilzulauf 5 axial angeordnet ist. In Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens 4 werden demnach die als Ventilablauf 6 dienenden Bohrungen verschlossen oder zumindest teilweise freigegeben, so dass hierüber der Durchfluss durch das Ventil 3 bestimmbar ist. Die axiale Lage des Ventilkolbens 4 ist hydraulisch steuerbar. Hierzu besitzt der Ventilkolben 4 eine erste Stirnfläche 4.1, die dem Ventilzulauf 5 zugewandt ist und von Zulaufdruck beaufschlagt wird. Eine dem Ventilzulauf 5 abgewandte zweite Stirnfläche 4.2 des Ventilkolbens 4 begrenzt einen Steuerraum 8, der über ein Pilotventil 7 entlastbar ist. Solange das Pilotventil 7 geschlossen ist, herrscht im Steuerraum 8 ebenfalls Zulaufdruck, da im Ventilkolben 4 ein Kanal 9 ausgebildet ist, der den Steuerraum 8 mit dem Ventilzulauf 5 hydraulisch verbindet. Der Durchmesser Di des Kanals 9 ist kleiner als der Durchmesser D2 einer über ein Ventilschließelement 14 des Pilotventils 7 verschließbaren Abströmöffnung 16 gewählt, so dass bei geöffnetem Pilotventil 7 der Druck im Steuerraum 8 sicher und schnell abfällt. Unterstützend ist das Flächenverhältnis der beiden Stirnflächen 4.1 und 4.2 des Ventilkolbens 4 derart gewählt, dass die die axiale Verschiebung des Ventilkobens 4 bewirkende hydraulische Druckkraft verstärkt wirkt. Der Ventilkolben 4 ist hierzu gestuft ausgeführt, wobei die Stirnfläche 4.1 mit dem Durchmesser D3 deutlich kleiner als die Stirnfläche 4.2 mit dem Durchmesser D ₄ ist.

Die Betätigung des Pilotventils 7 erfolgt vorliegend elektromagentisch. Hierzu umfasst das Pilotventil 7 einen Elektromagneten 15, über dessen Magnetkraft auf einen mit dem Ventilschließelement 14 gekoppelten hubbeweglichen Anker (nicht dargestellt) eingewirkt werden kann. Hebt sich der Anker, vermag das Ventilschließelement 14 zu öffnen. Über die Abströmöffnung 16 strömt dann Fluid aus dem Steuerraum 8 ab, was einen Druckabfall im Steuerraum 8 zur Folge hat. Der an der Stirnfläche 4.1 anliegende höhere Zulaufdruck führt somit zu einer axialen Verschiebung des Ventilkolbens 4 in Richtung des Pilotventils 7, so dass ein größerer Strömungsquerschnitt des Ventilablaufs 6 freigegeben und der Durchfluss durch das Ventil 3 erhöht wird. Auf diese Weise wird ein Fluidimpuls bzw. ein gepulster Hochdruck- Fluidstrahl erzeugt.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr sind Abwandlungen möglich, die insbesondere die konkrete Ausgestaltung des Ventils 3 betreffen. Ferner kann der Arbeitsdruck variieren. Dieser hängt insbesondere vom Arbeitsmedium ab, wobei es sich vorzugsweise um Wasser handelt. Es können jedoch auch Öl- Wasseremulsionen als Arbeitsmedium eingesetzt werden.