Thema Masterprojekt

Weiterentwicklung und Applikation eines Fein-Abrasivmischkopfes für das Wasserabrasivinjektorstrahlschneiden (WAIS)

Hintergrund / Ziele

Die industrielle Entwicklung fordert immer leichter und kleiner werdenden Maschinen sowie Bauteile. Präzisionsanforderungen beim Wasserstrahlschneiden werden durch die schnell fortschreitende Miniaturisierung der globalen Fertigung ständig erhöht. Um das Verfahren wettbewerbsfähig zu halten, werden filigranere Schnitte benötigt. Der Schnittspalt einer herkömmlichen Abrasivwasserstrahlschneidanlage beträgt zwischen 0,5 mm und 0,8 mm. Vor allem beim Schneiden von Konturen mit spitzwinkligen Ecken und kleinen Radien führt dies zu enormen Geometriefehlern. Darum zielt diese Masterarbeit, durch konstruktive Veränderungen des Schneidkopfes, unter gleichzeitiger Ausnutzung unterschiedlichster Feststoffe, auf eine Verringerung des Schneidstrahls (Schnittbreite) hin zu 0,3 mm - 0,5 mm beim WAIS ab.

Schneidkopfaufbau und Anforderungen

Der grundsätzliche Aufbau eines Schneidkopfes beim WAIS setzt sich aus folgenden Teilen zusammen:

  • Wasserstrahlventil mit Druckluft- und Hochdruckwasserzufuhr

  • Kollimationsrohr

  • Abrasivmischkopf

Im Wesentlichen besteht der Abrasivmischkopf aus zwei Schneiddüsen (Wasserdüse, Fokussierdüse) und einer zylindrischen Mischkammer mit einer seitlichen Bohrung für die Zuführung des Abrasivmittels. Der Mischkopf wird maschinenseitig mit dem Kollimationsrohr verschraubt (Hochdruckwasser- und Druckluftzufuhr). Im Kollimationsrohr wird das Wasser mit einem Druck von ca. 3000 bar beaufschlagt und anschließend in der Wasserdüse zu einem feinen Strahl gebündelt sowie beschleunigt. Der Wasserstrahl passiert die Mischkammer, wird mit Abrasivmittel angereichert und gelangt schließlich zur Fokussierdüse. Diese dient zur Bündelung des austretenden Wasserabrasivstrahls und bestimmt letztendlich die Schnittfugenbreite.

Der Abrasivmischkopf dient zur genauen Ausrichtung der zwei Düsen zueinander und zum Erzeugen eines angebrachten Strömungsverhältnisses des Wasser-Feststoffgemenges in der Mischkammer.

Des Weiteren hat er die Aufgabe, das Abrasivmittel angemessen und möglichst gleichgerichtet zum Wasserstrahl zuzuführen. Dies setzt eine möglichst steile Feststoffzufuhr voraus. Gleichzeitig sollte der Abstand von der Wasserdüse zur Fokussierdüse möglichst gering sein, um das Auffächern des Strahls und die damit verbundenen Energieverluste zu verringern. Der Konstruktionsanspruch besteht also darin, einen idealen Kompromiss zwischen spitzwinkliger Abrasivmittelzuführung und möglichst geringem Düsenabstand (Mischkammerhöhe) zu finden. Darüber hinaus spielt die Gestaltung der Mischkammergeometrie eine bedeutende Rolle.

Herausforderung

Darüber hinaus ist das Verfahren beim Feinschneiden durch die geringen Düsendurchmesser sehr instabil und anfällig für Verstopfungen. Um eine industrielle Anwendung zu ermöglichen muss die Prozesssicherheit erhöht werden.

Ausblick

Zur Erzielung einer verringerten Schnittbreite und zur Steigerung der Prozesssicherheit wurde eine Neukonstruktion des Schneidkopfes anhand eines CAD- Modells umgesetzt und extern angefertigt. Diese wird innerhalb der zweiten Projektphase diversen Messreihen unterzogen und dient als Basis für weitere Konstruktionen. Nach den aktuellen Messreihen und Schneidtests ist jedoch bekannt, dass die Ausrichtung der Düsen zueinander eine bedeutende Rolle für das Feinschneiden spielt. Darum werden weitere Mischkopfkonstruktionen mit einer Feineinstellung ausgestattet, die eine Ausrichtung der Düsen zueinander im eingebauten Zustand ermöglicht.

Bearbeiterin: Corinna Fath
Kontakt

Beginn: 01.August 2011
Ende: 31. Januar 2013