Entwicklung von prozessintegrierten Qualitätsmessverfahren beim Wasserstrahlschneiden unter Wasser

Diplomarbeit von Roland Volk

Einleitung:

Diese Arbeit wurde im Rahmen der grundlegenden Untersuchungen, die zur Optimierung des Schneidprozesses von HDFS (Hochdruckflüssigkeitsstrahlen) mit und ohne Zusatz von Abrasivstoffen führen sollen, durchgeführt.

Der Einsatz von HDFS hat sich in den letzten zwanzig Jahren ein breites Anwendungsfeld erworben. Gegenüber anderen Trennverfahren, wie Laser-, Plasma- und Brennschneiden, sind einige Vorteile mit dieser Technologie verbunden. Sie bestehen unter anderem in der geringen thermischen Belastung des Werkstoffes und geringem Verschleiß des Werkzeuges. Es können nahezu beliebige Konturen erzielt werden, wobei saubere Schnittkanten entstehen. Außerdem werden die Bearbeitungsstäube gebunden. Nicht zuletzt sind diese Vorteile mit oftmals erheblich geringeren Betriebskosten verbunden.

Da bis heute eine mathematische Beschreibung des Verfahrens noch nicht vorliegt, müssen die Anlagenparameter, wie Druck, Vorschub etc., empirisch optimiert werden. Gerade für eine flexible, rechnergestützte Fertigung wäre es von großem Nutzen, aufgrund von Werkstoffkennwerten die optimalen Bearbeitungskriterien festzulegen. Deshalb ist es notwendig Messsysteme zu entwickeln, welche die auftretenden Prozessparameter erfassen.

Mit Hilfe von Mikroskop und Tastschnittgerät werden die Schnittkanten untersucht, wobei die Korrelationen zu den entsprechenden Schneidparametern festgestellt werden. Parallel dazu werden die Reststrahlkraft (RSK) und das Körperschall- bzw. Schwingunsverhalten prozessintegriert gemessen. Nun wird geprüft, inwieweit diese Größen geeignet sind, die Schnittqualität vorherzusagen.

Die Ausarbeitung einer Systematik soll das Anwendungsfeld und die geeigneten Meßverfahren beleuchten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, mögliche Messverfahren für die prozessintegrierte Qualitätskontrolle darzustellen, zu bewerten sowie Korrelationen von Prozessparametern mit der Schnittkantenoberfläche festzustellen.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 3, Systematik HDFS-Prozeßkontrolle:

3.1, Anwendungsfälle und Einsatzbereiche:

Der HDFS-Technologie hat sich nach ihrer in den 8Oiger Jahren begonnenen Entwicklung ein vielfältiges Anwendungsgebiet aufgetan. Sie tritt in Konkurenz zu den anderen Materialbearbeitungs- und Trennverfahren. Nahezu alle Werkstoffe und Materialien der verschiedensten Form und Stärke können bearbeitet werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet liegt in der medizinischen Behandlung mit Gewebeschneiden und Steinzertrümmerung.

Zunächst steht der Anwender vor dem Problem, ein Werkstück von bestimmter Form mit der HDFS-Technik zu bearbeiten. In dieser Arbeit soll ein systematischer Überblick von Anwendungsfällen und Einsatzbereichen dieser Technik zu geben. Es wurde dazu ein Schema entwickelt, wie das Problem des Anwenders mit Hilfe von Diagrammen zu lösen ist.

Nach Durchlaufen dieses Schemas wird für das ausgewählte HDFS-Verfahren ein entsprechendes Meßverfahren zur Prozeßkontrolle vorgeschlagen. Zunächst soll anhand des Diagramms l gezeigt werden, welche Technologien für verschiedene Werkstofformen und Materialien zur Verfügung stehen. Beispielhaft stehen die Formen: Platte, Rohr und Klotz. Sie liegen in verschiedenen Werkstoffen vor, wobei ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal die Festigkeit darstellt. Hierin unterscheiden sich Metall, Kunststoff und Beton.

Auch die geometrische Form spielt dabei eine Rolle, was mit der Dimensionsangabe ausgedrückt wird. Grundsätzlich besteht in dem Zerschneiden von verschiedenen Plattenmaterialien kein Unterschied. In jedem Fall müssen die Prozeßparameter so eingestellt werden, daß ein Durchtrennen, bzw. Präzisionsschnitt erfolgt.

Dabei bilden die Materialfestigkeit und die Schnittbahn zwei zu beachtende Größen für die Einstellung von Führung, Vorschub sowie Schneidstrahldruck. Eine andere Werkstofform, welche besondere Techniken erfordert, ist die des Rohres. Sicher spielt auch hier der Werkstoff eine Rolle. Aus den nahezu unbegrenzten Rohrwerkstoffen wird allgemein das Metallrohr angeführt, da es vom Verfahren her kein wesentlicher Unterschied ist, weniger feste Rohrwerkstoffe zu schneiden, sieht man von der Abrasivstoffzugäbe einmal ab. Die Zugabe von Abrasivstoffen in den Strahl stellt zur Zeit noch ein technologisches Problem dar. Denn das Vermischen der Feststoffpartikel mit dem Strahl stellt hohe Anforderungen an die Verschleißfestigkeit der erforderlichen Strahlführung.

Eine ausichtsreiche Weiterentwicklung ist zur Zeit in der Probephase. Wenn diese erfolgversprechend verläuft, können auch massive, klotzförmige Teile aus Beton und Metall bearbeitet bzw. zerlegt werden.

Die genannten unterschiedlichen Werkstücke sollen nun nicht nur an Luft, sondern auch teilweise unter Wasser geschnitten werden. Unterschieden wird hierbei noch, ob mit oder ohne Abrasivmittel auszukommen ist. In dieser Arbeit ist von Interesse, welche Meßverfahren bei den jeweiligen Verfahren für eine Prozeßkontrolle in Frage kommen. Nach Bild i liefert die entsprechende Kombination aus Diagramm l einen Code, der bei einer Qualitätskontrolle mit Q, bei einer Durchschnittkontrolle mit D versehen ist. Nun muß bei der Verfahrenszuordnung noch die Schneidanordnung unterschieden werden. Es lassen sich dabei drei verschieden Kombinationen feststellen, je nachdem ob Düse oder Probe fest oder beweglich sind. Der Code 1 wird entsprechend mit A;B o. C versehen. Aus dem anschließenden Diagramm 2 werden alle möglichen Codekombinationen aufgeführt. Daraus lassen sich die Meßverfahren bestimmen.