Projekt 23757/02

Entwicklung eines energiesparenden Verfahrens zum Hochenergiewasserstrahlen (2. Phase)

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 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 erzeugen. In einem ersten Projekt wurde ein Simulationsmodell erstellt, welches die Formgebung der Düse optimierte. In der 1. Phase des folgenden Projekts konnte die Erzeugung der Pulsation im Strahl, im Gegensatz zu vorherigen Ansätzen, mithilfe von achsen-symmetrischen Resonanzkammern erzeugt werden. Daher geht das Projekt hinsichtlich der Erzeugung der Pulsation über den Stand der Technik hinaus. Anhand der Simulationsergebnisse wurden erste Versuche mit Prototypen der Düsen durchgeführt, die einen deutlich höheren Abtrag leisteten.
Konventionelle Methoden verwenden zum Beispiel Blenden, um eine Pulsation im austretenden Strahl zu erzeugen.


Ergebnisse und Diskussion

Die Versuchsdüsen bestehen aus mehreren Teilen. Die Innenkontur der Düse wird aus einem 1,5 mm dicken Stahlblech erodiert, welches zwischen zwei verschraubten 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. Die Resonanzebene der Düsen lag orthogonal zur Bewegungsrichtung. Alle Düsen hatten den gleichen Düsenquerschnitt, wobei eine keine Resonanzkammern besaß. Die vier Abtragsbahnen der Düsen zeigen 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 können. Eine Gegenüberstellung der jeweils aufgewendeten hydraulischen Leistung zu der damit verbundenen kinetischen Energie zeigt das Einsparpotential.
Das effizientere Düsen-Prototyp wurde in einem weiteren Versuch im Freien aufgebaut. Ziel dieses Versuchs war die optische Auswertung des Strahlzerfalls mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera aufzunehmen und anschließend auszuwerten. Die Auswertung der Filme mit Auflösungen (Bilderrate) bis zu 12500 pro Sekunde haben keine brauchbare Ergebnisse geliefert, da die Vorgänge in der Strömung der Düse unter Betriebsbedingungen mit dieser Methode nicht verwertbar waren. Durch eine Umskalierung wurde ein größeres Modell erstellt. Dadurch verlangsamen die physikalische Prozesse innerhalb der Düse. Die Auswertung der Aufnahmen des vergrößerten Modells zeigt eine gute Übereinstimmung der Pulsationsfrequenz im Wasserstrahl des Versuchsmodells und im Simulationsmodell. Anhand dieser Ergebnisse konnten die Randbedingungen für die Strömungssimulation für das parametrisierte Modell unverändert übernommen werden. Das parametrisierte Modell dient als Basis für den folgenden Optimierungsprozess.
In der Optimierungssoftware-Umgebung wurden Geometrieerzeugung, Strömungssimulation, Auslesen der Simulationsergebnisse sowie die Auswertung der Ergebnisse zu einem Prozess vereint. Dadurch konnte das vorgegebene Ziel (Maximierung der Pulsations-Druckamplitude), durch Simulationen in einer vorgegebenen Anzahl von Modellvarianten erreicht werden. Durch mehrere Simulationsläufe konnten die Geometrie-Parameter und Massenströme für unterschiedliche Betriebspunkte in einem Diagramm zusammengefasst werden. Dieses bildet die Basis für die Auslegung von Düsenkammern für bestimmte Anwendungen und Druckbereiche.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Messeauftritt: parts2clean - Internationale Leitmesse für Reinigung in Produktion und Instandhaltung, Messe Stuttgart, 28. - 30.10.2008
Patentierung der Zwei-Kammer-Düse mit modularem Aufbau


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 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 Bearbeitungsmaschinen zu entwickeln, die durch konkurrenzfähige Bearbeitungszeiten eine breite Anwendung dieses umweltfreundlichen Bearbeitungsverfahrens ermöglichen.