Verfahren zum Flüssigkeitsstrahlschneiden

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Flüssigkeitsstrahlschneiden, wie es vorzugsweise zum Zerteilen von festen Werkstoffen angewandt wird.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Flüssigkeitsstrahlschneiden von festen Werkstoffen seit längerer Zeit bekannt. Hierbei wird vorzugsweise Wasser mit einer Verdichtereinheit auf einen sehr hohen Druck verdichtet, der üblicherweise einige tausend bar beträgt. Die Flüssigkeit strömt anschließend durch eine Düse, tritt durch eine Austrittsöffnung aus und bildet dadurch einen Flüssigkeitsstrahl, der auf den zu zerteilenden Werkstoff gerichtet wird. Auf Grund der hohen Geschwindigkeit und des hohen Impulses des Wassers, zertrümmert der Wasserstrahl den Werkstoff im Bereich des Flüssigkeitsstrahls und zerteilt ihn dadurch. Mit diesem Verfahren lassen sich feste Werkstoffe zerteilen, beispielsweise Metall, Glas, Kunststoff, Holz und ähnliche Werkstoffe. Da die Verdichtung des Wassers viel Energie benötigt und der Flüssigkeitsstrahl bzw. der Wasserstrahl im Dauerstrich betrieben wird, ist diese Werkstoff bearbeitung nur mit einer hohen Leistung möglich, die bei den üblichen bekannten Anlagen einige zehn Kilowatt betragen kann. Entsprechend hoch sind die Betriebskosten einer solchen Anlage und aufgrund der großen Abmessungen solcher Anlagen auch die benötigte Stellfläche.

Um die Wirkung des Wasserstrahls zu verbessern ist es ebenfalls bekannt, Abrasivstoffe dem Wasserstrahl zuzumischen, die vom Wasser mitgerissen werden und mit hoher Energie auf die Bauteiloberfläche auftreffen und so die Wir- kung des Wasserstrahls verbessern. Durch die Zumischung der Abrasivstoffe werden allerdings die Kosten weiter erhöht und das verbrauchte Wasser lässt sich nicht mehr ohne Weiteres in den Kreislauf zurückführen, da die Abrasivstoffe erst in einem aufwendigen Verfahren herausgefiltert werden müssten und zu vermehrtem Verschleiß in der Anlage führen.

Aus der DE 10 2013 201 797 AI ist eine Vorrichtung zum Flüssigkeitsstrahlschneiden bekannt, die zum Zerteilen des Werkstoffs keinen kontinuierlichen Wasserstrahl verwendet, sondern einen gepulsten Wasserstrahl, bei dem der Flüssigkeitsstrahl in regelmäßigen Abständen unterbrochen wird. Der gepulste Flüssigkeitsstrahl hat insbesondere den Vorteil, dass die Schneideinrichtung mit einem relativ geringen Druck auskommt und vor allem deutlich energieeffizienter ist als die bekannten Dauerstrahlschneidverfahren. Für eine optimale Wirkung des Flüssigkeitsstrahlschneidens sind die Betriebsparameter jedoch von entscheidender Bedeutung.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Flüssigkeitsstrahlschneiden weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein effizientes und energiesparendes Schneidverfahren gewährleistet ist, was zusätzlich zu einer verbesserten Schnittkante führt, sodass besonders glatte Schnittkanten erreichbar sind. Dazu weist das Verfahren zum Flüssigkeitsstrahlschneiden eine Verdichtereinheit auf, die eine Flüssigkeit zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls verdichtet und eine Düse, die mit der Verdichtereinheit verbunden ist. Die Düse weist eine Austrittsöffnung auf, durch die die verdichtete Flüssigkeit in Form eines Flüssigkeitsstrahls austritt, und mit einer Unterbrechereinheit, die eine Strömung der verdichteten Flüssigkeit zu der Austrittsöffnung unterbrechen oder freigeben kann. Dabei werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Die Flüssigkeit wird durch die

Verdichtereinheit verdichtet, die Austrittsöffnung wird an das zu bearbeitende Werkstück bis auf eine Bearbeitungsdistanz herangeführt, der Flüssigkeitsstrahl wird durch die Unterbrechereinheit abwechselnd freigegeben und unterbrochen, wobei gleichzeitig die Düse gegenüber dem Werkstück in einer Bearbeitungsrich- tung bewegt wird. Hierbei ist die Pulsdauer des Flüssigkeitsstrahls weniger als 1000 us.

Durch die kurze Pulsdauer des Flüssigkeitsstrahls werden folgende Effekte er- zielt: Der auf die Werkstückoberfläche prallende Flüssigkeitsstrahlpuls löst aus der Oberfläche des Werkstücks Material, das durch die Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls weggeschwemmt wird. Der darauffolgende Flüssigkeitsstrahl muss nun nicht mehr durch die bereits vorhandene Flüssigkeit hindurch das Werkstück bearbeiten, sondern findet seinen Weg direkt auf die Werkstückoberfläche und kann die weitere Bearbeitung fortsetzen. Je nach Werkstück und je nach den sonstigen Betriebsparametern kann das herausgelöste Material des Werkstücks auch zu einer Verstärkung des Schneideffekts führen, wenn einzelne Partikel nicht mit der Bearbeitungsflüssigkeit weggeschwemmt werden, sondern im Bereich des Schnittes verbleiben. Durch den nachfolgenden Flüssigkeitsstrahlpuls wird dieses Material in das Werkstück gedrückt und führt zu einer Verstärkung der Schnittwirkung, ähnlich wie die Zugabe von einem Abrasivmedium bei dem bekannten Dauerstrich-Flüssigkeitsstrahlschneiden. Die gepulste Beaufschlagung hat darüber hinaus den Vorteil, dass es zu Kavitationseffekten an der Oberfläche des Werkstücks kommt, was den Materialabtrag weiter verstärkt.

Die Qualität der Schnittkanten wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls verbessert, da die Bearbeitungsflüssigkeit nicht mehr zur Seite entweichen muss und dadurch die Schnittkanten beschädigt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Pulsdauer 50 bis

500 με, wobei der Flüssigkeitsstrahl durch die Unterbrechereinheit periodisch zur Erzeugung von Flüssigkeitspulsen in vorteilhafter Weise geöffnet und geschlossen wird. Werden die Flüssigkeitspulse periodisch erzeugt, kann mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit das Werkstück in Bearbeitungsrichtung bewegt werden, sodass eine Schnittlinie im Werkstück entsteht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden zwischen 25 und 500 Flüssigkeitspulse pro Sekunde erzeugt, die Flüssigkeitspulse also mit einer Frequenz von 25 bis 500 Hz auf das Werkstück gespritzt. Die Frequenz der Flüssig- keitspulse richtet sich nach der Bearbeitungsgeschwindigkeit, also der Ge- schwindigkeit, mit der sich die Düse relativ zum Werkstück bewegt und nach der Dicke und den Materialeigenschaften des Werkstücks.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abstand der Düsenöffnung zur Werkstückoberfläche während der Bearbeitung 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise 1 bis 2 mm. Durch diesen Abstand wird eine effiziente Bearbeitung des Werkstücks sichergestellt, ohne dass das zurückspritzende Wasser zu einer Beschädigung der Düse führen könnte.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Düse relativ zum Werkstück mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 1200 mm/min bewegt, wobei die Vorschubgeschwindigkeit von der Dicke des Werkstücks und den Materialeigenschaften des Werkstücks abhängt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Flüssigkeitspulse mit kurzem zeitlichem Abstand ausgeführt und eine darauffolgende Gruppe von Flüssigkeitspulsen mit einem Zeitabstand, der größer als der Zeitabstand der Flüssigkeitspulse der einzelnen Gruppen ist. Dadurch werden durch die Flüssigkeitspulse einzelne Bursts gebildet, die zeitlich voneinander beabstandet sind, was bei bestimmten Werkstoffen zu einer besseren Bearbeitung und einer saubereren Schnittkante führt. Dies hat seine Ursache auch darin, dass die Bearbeitungsflüssigkeit im Gegensatz zur Dauerstrichbearbeitung nicht zur Seite entweichen muss.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Düse einen Düsenkörper mit einer Längsbohrung auf, wobei die Längsbohrung einen Druckraum bildet, in den die verdichtete Flüssigkeit zugeführt wird. Die Unterbrechereinheit wird durch eine innerhalb des Druckraums längsbeweglich angeordnete Düsennadel gebildet, die durch ihre Längsbewegung die Austrittsöffnung öffnet und schließt. Durch diese beispielsweise aus der Kraftstoffhochdruckeinspritzung bekannte Düse lassen sich präzise Flüssigkeitspulse in der gewünschten Dauer und mit der gewünschten Frequenz erzeugen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Zeichnung

In der Zeichnung ist zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahren Folgendes dargestellt:

In Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahl-Schneidverfahrens, in

Figur 2 eine ebenfalls schematische Darstellung der Düse zum Flüssigkeitsstrahlschneiden und die

Figuren 3a, 3b und 3c zeigen verschiedene zeitliche Verläufe des Flüssigkeitsstrahls, ebenfalls in einer schematischen Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen

Flüssigkeitsstrahlschneidverfahrens dargestellt. In einem Tank 1 wird die Flüssigkeit vorgehalten, die zum Flüssigkeitsstrahlschneiden Verwendung findet, beispielsweise gereinigtes Wasser, jedoch auch andere Flüssigkeiten denkbar. Die Flüssigkeit wird aus dem Flüssigkeitstank 1 über eine Leitung 2 einer

Verdichtereinheit 3 zugeführt, beispielsweise einer Hochdruckpumpe, wo die Flüssigkeit verdichtet wird und über eine Hochdruckleitung 4 in einen Hochdrucksammeiraum 5 eingespeist wird, wo die verdichtete Flüssigkeit vorgehalten wird. Der Hochdrucksammeiraum 5 dient dazu, Druckschwankungen auszugleichen, um so das Flüssigkeitsstrahlschneiden mit einem konstant hohen Druck durchführen zu können, ohne dass die Verdichtereinheit 3 in kurzen Zeitabständen nachgeregelt werden muss. Vom Hochdrucksammeiraum 5 führt eine Druckleitung 7 zu einer Düse 10, wobei die Düse 10 eine Unterbrechereinheit 8, hier in Form eines 2/2-Wegeventils, und eine Austrittsöffnung 11 aufweist in Form eines verengten Durchgangs für die Flüssigkeit, sodass aus der Austrittsöffnung 11 ein Flüssigkeitsstrahl 14 austritt, der scharf gebündelt ist und während des Betriebs auf ein Werkstück 15 trifft, das in einer Bearbeitungsdistanz d zur Düse 10 angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird folgendermaßen durchgeführt: In der Düse 10 liegt über die Druckleitung 7 hochverdichtete Flüssigkeit an, wobei die Unterbrechereinheit 8 zu Beginn geschlossen ist. Zur Erzeugung eines gepulsten Flüssigkeitsstrahls 14 wird die Unterbrechereinheit 8 nun in regelmäßigen Abständen geschlossen und geöffnet, sodass durch die Austrittsöffnung 11 ein gepulster Flüssigkeitsstrahl 14 austritt, der auf die Oberfläche des Werkstücks 15 trifft. Beim Auftreffen der Flüssigkeit auf dem Werkstück 15 werden die betroffenen Bereiche zertrümmert und die Bruchstücke über die abfließende Flüssigkeit weggespült. Dadurch wird das Werkstück zerteilt, wobei die Schnittlinie durch eine Bewegung des Werkstücks 15 in einer Bearbeitungsrichtung erzeugt wird, wobei auch vorgesehen sein kann, dass nicht das Werkstück 15, sondern die Düse 10 durch eine geeignete Vorrichtung relativ zum Werkstück 15 bewegt wird.

Figur 2 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Düse 10 mit dem zugehörigen Werkstück 15. Die hier gezeigte Düse 10 weist einen Düsenkörper 12 auf, in dem eine Bohrung 13 ausgebildet ist, in dem eine Düsennadel 18 längsverschiebbar angeordnet ist. Zwischen der Wand der Bohrung 13 und der Düsennadel 18 ist ein Druckraum 17 ausgebildet, in den die hochverdichtete Flüssigkeit über die Druckleitung 7 zugeführt wird. Die Düsennadel 18 wirkt mit einem Düsensitz 20 zusammen, sodass bei Anlage der Düsennadel 18 auf dem Düsensitz 20 der Druckraum 17 von der Einspritzöffnung 11 getrennt ist, die als Bohrung im Düsenkörper 10 ausgebildet ist. Hebt die Düsennadel 18 vom Düsensitz 20 ab, so fließt Flüssigkeit aus dem Druckraum 17 durch die Austrittsöffnung 11 und bildet einen Flüssigkeitsstrahl 14, der auf das Werkstück 15 trifft.

Zum Zerschneiden des Werkstücks wird die Düsennadel 18 periodisch auf und ab bewegt und gibt so den Flüssigkeitsstrahl 14 frei oder unterbricht die Flüssigkeitszufuhr zwischen zwei Einspritzungen. Das Werkstück 15 wird in Bearbeitungsrichtung 22 bewegt, wobei es unerheblich ist, ob das Werkstück oder die Düse bewegt wird oder auch beide gleichzeitig. In Figur 3a ist der zeitliche Verlauf des Flüssigkeitsstrahls schematisch dargestellt, wobei auf der Ordinate die ausgetretene Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit Q abgetragen ist und auf der Abszisse die Zeit t. Durch das Öffnen und Schließen der Unterbrechereinheit 8 wird aus der Düse 10 periodisch ein Flüssigkeitsstrahl 14 ausgestoßen, wobei die einzelnen Pulse einer Zeit t _p aufweisen und einen zeitlichen Abstand zueinander von tg. Die Pulse können, wie hier dargestellt, periodisch aufeinander folgen und alle gleich ausgebildet sein oder es können auch verschiedene Pulse erzeugt werden, wie dies in Figur 3b dargestellt ist, die unterschiedliche Zeitdauern t _pi und t _p3 aufweisen und auch unterschiedliche Zeitabstände zueinander aufweisen. Durch die unterschiedliche Formung der Einspritzpulse lässt sich beispielsweise auf eine geänderte Vorschubgeschwindigkeit reagieren, d. h. dass bei verminderter Vorschubgeschwindigkeit weniger Pulse pro Zeiteinheit erzeugt werden als bei großer Vorschubgeschwindigkeit.

Ebenso kann die Frequenz der Einspritzpulse erhöht werden, wenn die Dicke des Werkstücks zunimmt oder wenn sich die Festigkeit des Werkstücks über die Bearbeitungslänge ändert.

Die Dauer der Flüssigkeitspulse t _p beträgt weniger als 1000 με, vorzugsweise 50 bis 500 με, um je nach Werkstoff eine optimale Schnittkante zu erreichen. Besonders gut eignet sich das gepulste Flüssigkeitsstrahlschneiden zum Zerteilen von Glasfaser- oder Kohlefaserplatten (CFK) oder von Metallblechen, beispielsweise Aluminium. Gerade bei der Bearbeitung von CFK- Werkstoffen bietet das gepulste Flüssigkeitsstrahlschneiden einen deutlichen Vorteil gegenüber dem Dauerstrahl- Flüssigkeitsstrahlschneiden mit deutlich glatteren Schnittkante, d. h. das Ausfransen der Kohlefasern am Rand der Schnittkante wird weitgehend verhindert. Gleichzeitig kann der Energieeinsatz beim Zerteilen einer CFK-Platte bis zu einem Faktor 20 gesenkt werden. Darüber hinaus kommt das gepulste Wasserstrahlschneiden mit einem geringeren Druck aus. Die Flüssigkeit wird innerhalb der Düse 12 mit einem Druck von typischerweise 2500 bar vorgehalten, wobei auch eine Drucksteigerung auf 3000 bar möglich ist. Gegenüber den sonst bekannten Dauerstrich- Flüssigkeitsstrahlschneidverfahren, die üblicherweise bei bis zu 6000 bar arbeiten, ist dies deutlich reduziert und mit entsprechend geringerem Energieaufwand verbunden. Neben dem periodischen An- und Abschalten des Flüssigkeitsstrahls ist es auch möglich, die Flüssigkeitspulse in einzelnen Bursts zu gliedern, wie dies in Figur 3c dargestellt ist. Jeweils zwei Pulse folgen hier mit einem kurzen zeitlichen Abstand tai aufeinander, während bis zum nächsten Einspritzpuls eine längere Zeitdauer ta ₂ vergeht. Es können auch mehr als zwei Pulse in einem Burst zusam- mengefasst werden, sodass einzelne Gruppen von Einspritzpulsen entstehen. Dies insbesondere bei der Bearbeitung von relativ dicken Werkstoffen von Vorteil ist.

Die Bearbeitungsdistanz der Düse 10 zum Werkstück 15, in Figur 1 und Figur 2 mit d bezeichnet, beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2 mm, besonders bevorzugt 1 bis 2 mm. Bei dieser Bearbeitungsdistanz d erreicht man eine optimale Wirkung, ohne dass durch zurückspritzende Flüssigkeit mit einer Beschädigung der Düse gerechnet werden müsste.

Das gepulste Flüssigkeitsstrahlschneiden eignet sich bei CFK- Werkstoffen insbesondere für Platten mit einer Dicke bis zu 2 mm, wobei der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls ca. 150 μηη beträgt. Die verwendeten Drücke betragen etwa 2400 bar, wobei auch mit geringerem Flüssigkeitsdruck gearbeitet werden kann. Optimale Taktraten betragen mehr als 40 Hz bei einer Pulsdauer von 1000 oder weniger, wobei die Taktrate auf die Vorschubgeschwindigkeit der Bearbeitung abgestimmt werden muss, d. h. die Taktrate muss umso höher sein, je schneller die Vorschubgeschwindigkeit ist.

Der Flüssigkeitsstrahl wird zur Erzielung der Flüssigkeitspulse periodisch mittels der Unterbrechereinheit unterbrochen. Im Kontext dieser Erfindung bezeichnet der Begriff "unterbrechen" jedoch nicht notwendigerweise ein völliges Verschließen der Austrittsöffnung an der Düse. Es kann auch bedeuten, dass die Unterbrechereinheit den Flüssigkeitsstrahl nur sehr stark drosselt, jedoch zwischen den Flüssigkeitspulsen noch etwas Flüssigkeit mit geringem Druck austritt. Die beschriebenen Effekte werden auch dann erreicht, vorausgesetzt, dass die Drosselung ausreichend stark ist.