Projekt 23757/01

Entwicklung eines Energie sparenden Verfahrens zum Hochenergiewasserstrahlen

Projektträger

Piller Entgrattechnik GmbH
Einsteinstr. 11
71254 Ditzingen
Telefon: 07152/9977-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zielsetzung des Projektes ist die Entwicklung eines umweltfreundlichen Verfahrens zur Bearbeitung metallischer Oberflächen mit Wasserstrahlen. Dieses wird mit einer hydraulischen Anlage realisiert. Es wird mit gepulsten Wasserstrahlen gearbeitet, womit eine Energie- und Kostenersparnis bezüglich der Hochdruckpumpen zu erwarten ist. Es werden keine chemischen Zusatzstoffe verwendet und das abgetragene Material kann sortenrein aus dem Strahlwasser herausgefiltert werden. Das Strahlwasser wird wieder verwendet; es entstehen geringere Wiederaufbereitungskosten. Aufgrund der gesamten Kostenreduktion könnte diese umweltfreundliche Oberflächenbearbeitung eine breite Umsetzung in der Industrie finden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt basiert auf Untersuchungen zur Erzeugung von hochenergetischen pulsierenden Wasserstrahlen. Diese können in sehr kurzer Zeit z. B. metallische Oberflächen aufrauen. Der Strahlzerfall in Tropfen wird durch das Anbringen von Resonanzkammern an der Düse erreicht. Der Wasserstrahl soll in sehr kurzer Zeit in große Tropfen zerfallen, deren Aufschlag Ermüdungserscheinungen im Material der zu bearbeitenden Oberfläche erzeugt. In einem ersten AiF-geförderten Projekt wurde ein Simulationsmodell erstellt, welches die Formgebung der Düse optimierte. In der 1. Phase des folgenden DBU-Projekts konnte die Erzeugung der Pulsation im Strahl im Gegensatz zu vorherigen Ansätzen mithilfe von achsensymmetrischen Resonanzkammern erzeugt werden. Daher geht das Projekt hinsichtlich der Erzeugung der Pulsation beim Hochdruck-Wasserstrahlen über den Stand der Technik hinaus. Konventionelle Methoden verwenden zum Beispiel Blenden, um eine Pulsation im austretenden Strahl zu erzeugen. Anhand der Simulationsergebnisse wurden erste Versuche mit Prototypen der Düsen durchgeführt, die einen deutlich höheren Abtrag leisteten.


Ergebnisse und Diskussion

Die Versuchsdüsen sind aus mehreren Teilen zusammengefügt. Die Innenkontur der Düse wird aus einem 1,5mm dicken Stahlblech erodiert, welches zwischen zwei verschraubte Metallplatten eingespannt wird. Anders als bei einem rotierenden Herstellungsprozess (bohren, drehen) kann die Düse Hinterschnitte in der Innenkontur besitzen. Dieses ermöglicht die Gestaltung der kreisförmigen Resonanzkammern. Für den Versuch wurde der Abtrag von vier Düsen bei gleichem Arbeitsdruck (500bar) verglichen. Der Hochdruckwasserstrahl wurde mit sich verringernder Vorschubgeschwindigkeit über das Prüfblech ge-führt, um die Behandlungsintensität zu variieren. Drei Düsen waren mit Resonanzkammern unterschiedlicher Abmessung ausgestattet. Die Resonanzebene der Düsen lag orthogonal zur Bewegungsrichtung. Alle erprobten Düsen hatten den gleichen Düsenquerschnitt. Die vier Abtragsbahnen der Düsen zeigen auf dem Prüfobjekt unterschiedliche Strukturen. Über einen Gesamtweg von 150 mm beginnt der Materialabtrag der Düse ohne Resonanzkammern bei ca. 140 mm. Die Tiefe des Abtrags ist so gering dass er nicht messbar ist. Im Gegensatz dazu beginnt der Abtrag von zwei der Düsen mit Resonanzkammern wesentlich früher. Hier ist der Abtrag nicht nur an der Oberfläche sichtbar, sondern die Tiefe ist auch messbar.

Die Versuchsreihe zeigt, dass über die Änderung der Düsengeometrie erhebliche Änderungen in der Abtragsleistung erreicht werden. Eine Gegenüberstellung der jeweils aufgewendeten hydraulischen Leistung zu der damit verbundenen kinetischen Energie zeigt das Einsparpotential.

Bei allen vier durchgeführten Versuchen wurden unterschiedliche Konturen abgetragen. Die Unterschiede in den eingesetzten Düsen lagen in den Resonanzkammer-Radien, die den Strahlzerfall im Wesentlichen beeinflussen. Damit kann die Kammergeometrie der Anwendung angepasst werden und ein höhe-rer Wirkungsgrad erreicht werden. Dieser zeigt sich in Energieersparnis sowie im Wasserverbrauch - der Volumenstrom bleibt unverändert, aber die Bearbeitungszeit sinkt.

Aus der Gegenüberstellung der Messungen ergibt sich, dass im Vergleich zur Ausgangsgeometrie das gleiche Bearbeitungsergebnis mit deutlich geringerem Energieaufwand erreicht werden kann ( 1/26,7 entsprechend 3,78 % Energieaufwand der Ausgangsgeometrie). Die verwendete hydraulische Anlage hat eine Nennleistung von 43 kW. Setzt man die erreichbare Energieersparnis entsprechen den Versuchser-gebnissen an, so ergibt sich bei einer durchschnittlichen Betriebszeit von 6 Stunden täglich pro Arbeitstag eine Ersparnis in der Bearbeitungszeit von ca. 5,6 Stunden. Die damit verbundene Energieersparnis be-trägt rechnerisch 248 kWh pro Tag. Der reale Fertigungsprozess wird diese Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit nur durch eine Anpassung der Verkettung innerhalb der Produktion ausnützen können. Das Rechenbeispiel zeigt jedoch, dass sich durch Pulsation ein erhebliches Einsparpotential gegenüber einem kontinuierlichen Wasserstrahl ergibt. Somit wird eine erhebliche Reduzierung der in einer vergleichenden Gesamtbilanz der Verfahren anzusetzenden Emissionen erreicht.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Veröffentlichungen erfolgen in der zweiten Projektphase, die im Mai 2007 bewilligt wurde.


Fazit

Im Sinne der Nachhaltigkeit kann diese Technologie mit einer großen Anwendungsbreite im Bereich der gesamten Oberflächenbearbeitung von Metallen eingesetzt werden und führt zu einer Verringerung des Wasserverbrauchs und zu einer Vermeidung von Abwasser und Schlamm. Durch die einfache Handhabung der Reststoffe kann diese Technologie den gesamten Aufbereitungsaufwand der Reststoffe reduzieren. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse wäre es möglich, Anwendungsgebiete, die bisher nur mit umweltbelastenden Verfahren bearbeitet werden können, neu für die Wasserdruckstrahlbearbeitung zu erschließen, z. B. die Entlackung von Oberflächen. Daraus ergibt sich ein insgesamt hoher volkswirtschaftlicher Nutzen des Verfahrens.

Ziel des weiterführenden Projektes ist außerdem, eine vermarktbare Produktpalette von Düsen und Be-arbeitungsmaschinen zu entwickeln, die durch konkurrenzfähige Bearbeitungszeiten eine breite Anwen-dung dieses umweltfreundlichen Bearbeitungsverfahrens ermöglichen.

Übersicht

Fördersumme

60.600,00 €

Förderzeitraum

14.12.2005 - 01.08.2007

Bundesland

Baden-Württemberg

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik