Vorstellung der Forschungsarbeiten zum Fein- Wasserstrahlschneiden der Hochschule Aschaffenburg

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1 Vorstellung der Forschungsarbeiten zum Fein- Wasserstrahlschneiden der Hochschule Aschaffenburg B. Eng., B. Eng., Prof. Dr.-Ing. Armin Denner für Produktionstechnik

2 2 Gliederung Technologie Wasserstrahlschneiden Vorstellung des Forschungsprojekts FHProfUnt Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Fein-Wasserstrahlschneiden 3 Ausblick

3 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 3 Einteilung nach DIN 8580 Das Verfahren Wasserstrahlschneiden ist keiner DIN-Norm explizit zugeordnet kann jedoch aufgrund des Abtragprinzips in Hauptgruppe 3 der abtragenden Fertigungsverfahren (Trennen) nach DIN 8580 eingeordnet werden

4 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 4 Wie schneidet Wasser? mit Druck beaufschlagtes Wasser wird durch eine Düse mit sehr kleinem Querschnitt gepresst Hochdruckpumpen mit einer Leistung von bis zu bar Strahlgeschwindigkeiten von bis zu 3-facher Schallgeschwindigkeit hohe Energiedichte im Strahl beim Verlassen der Düse potenzielle Energie (im Düseninneren) wird in kinetische Energie umgewandelt

5 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 5 Varianten des Wasserstrahlschneidens

6 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 6 Reinwasserstrahlschneiden Anwendungsbereiche: Papier, Pappe Textilien Gummi Leder Lebensmittel

7 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 7 Reinwasserstrahlschneiden Zum Schneiden von härteren Materialien wird dem Wasser Abrasivmittel (bspw. Granatsand) mit unterschiedlicher Härte, unterschiedlicher Korngröße in unterschiedlicher Menge beigemischt. Abrasivstrahlschneiden

8 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 8 Wasserabrasiv - Injektor - strahlschneiden Anwendungsbereiche: Glas Alumminium Edelstahl Stein Strahlzusammensetzung: 89% Luft 10% Wasser 1% Abrasivmittel

9 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 9 Wasserabrasiv - Suspension - strahlschneiden Anwendungsbereiche: Glas Alumminium Edelstahl Stein Strahlzusammensetzung: 85% Wasser 15% Abrasivmittel Höhere Schneidleistung, da keine Luft im Strahl

10 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 10 Komponenten einer Schneidanlage Schneidkopf Führungssystem Abrasivmittel- Dosierung Werkzeug Wasserstrahl Hochdruckpumpe Strahlfänger Rohrleitungssystem 5 Quelle: nach Böhler

11 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 11 Vorteile des Wasserstrahlschneidens Vorteile universelles Verfahren für verschiedenste Werkstoffe keine thermische Beeinflussung des Werkstoffes (kalter Schnitt) sehr große Materialdicken geringe Schnittfugenbreite (Abrasivstrahl dünner als 1 mm) omnidirektionales Schneiden (schneidet in alle Richtungen) Einsatz in jeder Umgebungen automatisierbarer Prozessablauf Grüne Faktoren keine Gase, Staub sowie Schmelzprodukte Wasser recycelbar Abrasivmittel recycelbar

12 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 12 Grenzen des Verfahrens Vorschubrichtung Schnittfläche Strahlrichtung riefenfreie Zone Übergangsbereich riefenbehaftete Zone Schnittversuch: 30 mm ALUMINIUM (AlZnMgCu1,5) Schnittgeschwindigkeit: 70 mm/min (Qualitätsschnitt) Quelle: AWT

13 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 13 Grenzen des Verfahrens - Verbesserungsmöglichkeiten Betriebsdruck Abrasivmittelmenge Schnittgeschwindigkeit S max = max. erreichbare Schnitt-Tiefe

14 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 14 Grenzen des Wasserstrahlschneidens Nachteile hohe Investitionskosten hohe Betriebskosten durch - Verschleiß der Pumpe - Verschleiß der Düsen - Verbrauch von Abrasivmittel + Wasser Maßgenauigkeit < 0,1 mm schwer zu erreichen geringe Vorschubgeschwindigkeiten Absorption der Restenergie des Wasserabrasivstrahls

15 1. Technologie Wasserstrahlschneiden 15 2D/3D-Kombischneidsystem der HAB

16 2. Vorstellung des Forschungsprojekts FHProfUnt 16 Forschungsprojekt Teil der Forschungsprojektes Entwicklung einer Feinschneidanlage zur Erschließung neuer Anwendungsgebiete für das Hochdruck- Abrasivwasserstrahlschneiden Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, Förderlinie FHProfUnt In Kooperation mit

17 2. Vorstellung des Forschungsprojekts FHProfUnt 17 Forschungsprojekt

18 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung 18 Motivation und Ziele des Teilprojekts Optische Schneidstrahlerfassung Erhöhen der Wirtschaftlichkeit der Wasserstrahlschneidtechnologie durch Eliminieren der charakteristischen Schneidfehler mit Hilfe einer aktiven Regelung Verarbeitung von universellem Material Entfallen komplexer Schneidparameterplanung Vorteile der optischen Erfassung Keine großen Datenmengen Konzentration auf ein Messwert Direkte Ergebniskontrolle

19 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Teilprojekt Optische Schneidstrahlerfassung Jetlag 19 Vorschubrichtung ß Düse Schneidstrahl riefenfreie Zone riefenbehaftete Zone Werkstück Jetlag Jetlag (Jetlag) hoher Vorschub, ohne Winkelkorrektur geringer Vorschub, ohne Winkelkorrektur geringer Vorschub, mit Winkelkorrektur ß

20 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Teilprojekt Optische Schneidstrahlerfassung Aktiver Regelkreis 20 e (Abweichung zwischen Regelund Führungsgröße) z 1 (Enge Radien)... z n (Ecken) Störverhalten... Störverhalten w (Jetlag = 0) Regeleinrichtung (Roboter/Schneidkopf) u (Schneidkopfwinkel) Stellverhalten (Korrekturwinkel-Jetlag) y (Jetlag) Messsystem (Kamera)

21 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Teilprojekt Optische Schneidstrahlerfassung Thermographie als bildgebende Methode 21 Strahl erwärmt sich durch Reibung am Düseninneren Temperatur als eindeutiges Unterscheidungskriterium des Strahls von der Umgebung Vorteile ggü. Aufnahmen mit High-Speed- Kamera. Unabhängig von Beleuchtung Einfluss von Sprühnebel und Spritzwasser vernachlässigbar Strahlkern trotz Aufweitung sichtbar

22 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Teilprojekt Optische Schneidstrahlerfassung Datenübersicht Optris PI 22 Kamerabezeichnung Optris PI Hersteller Software Optris GmbH PI Connect Größe [mm] 45 x 45 x 62 Gewicht [g] 250 Schutzklasse IP 67 Bildfrequenz [Hz] 120 Optische Auflösung [Pixel] 160 x 120 Objektive [ ] 6 x 5 23 x x 37

23 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Teilprojekt Optische Schneidstrahlerfassung Integration der Kamera in die Schneidumgebung 23

24 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Teilprojekt Optische Schneidstrahlerfassung Zielskizze 24 Jetlag = Abstand der beiden Lotgeraden im Strahleintritts- und Strahlaustrittspunkt, relativ zur Ober- bzw. Unterkante

25 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Teilprojekt Optische Schneidstrahlerfassung Statistische Bildanalyse mit MATLAB 25 Auswertung einer Bild-Spalte lässt auf Konturen des Werkstücks schließen

26 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Teilprojekt Optische Schneidstrahlerfassung Funktionsweise des Programms 26 Strahleintrittspunkt Schwerpunktsuche nach Suche Intensitätssprung Materialober von zwei kante Seiten Strahl- Schweraustrittspunkpunktsuche Materialunterkante Jetlag

27 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Teilprojekt Optische Schneidstrahlerfassung Auswertung des Jetlags 27

28 3. Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung Teilprojekt Optische Schneidstrahlerfassung Ausblick 28 Wahl eines geeigneten Reglers Parametrierung des Reglers Softwareseitige Umsetzung und Implementierung Übergabe der Korrekturwerte in die Robotersteuerung in Echtzeit

29 4. Fein-Wasserstrahlschneiden 29 Motivation und Ziele des Teilprojekts Feinschneidmischkopf Kleinere und leichtere Maschinen und Produkte Miniaturisierung der globalen Fertigung Steigende Präzisionsanforderungen Schneiden feinster Konturen Höhere Präzision erforderlich Bild: Industrie Anzeiger Ziel: Reduzierung der Schnittfugenbreite hin zu 0.3 mm durch konstruktive Veränderung des Mischkopfes

30 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Konventioneller Schneidkopf Druckluftanschluss 30 Wasserzufuhr Schneidkopf Kollimationsrohr Mischkopf Abrasivmittelzufuhr Fokussierdüse

31 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Konventioneller Mischkopf 31 Wasserdüse Mischkammer Abrasivmittelzuführung 90 Winkel Fokussierdüse

32 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Probleme beim Feinschneiden Stabilitätsprobleme durch Verstopfungen beim Schneidvorgang kleine Wasser- und Abrasivmittelmengen (geringe Schnittkraft) durch geringe Durchmesser Energieverluste durch ungewollte Verwirbelungen (Flucht von Wasserdüse und Fokussierdüse) 32

33 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Anforderungen an den Mischkopf Anforderungen: 33 Verwendung von Standardbauteilen Einfache, schnelle und sichere Montage Korrekte Ausrichtung der Düsen zueinander Spitzer Winkel (α) zwischen Abrasivmittelzuführung und Wasserdüse Geringer Abstand zwischen Wasserdüse und Fokussierdüse α Konstruktionsanspruch: Idealer Kompromiss zwischen spitzwinkliger Abrasivmittelzuführung und möglichst geringem Düsenabstand (Mischkammerhöhe)

34 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Mischkopf

35 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Mischkopf Anschluss für Kollimationsrohr Abrasivmittelzuführung Messeingang Fokusierdüse

36 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Mischkopf mm spitzer Winkel kurzer Düsenabstand Mischbereich nah an der Fokussierung zweite Bohrung (Messeingang, zweiter Winkel)

37 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Untersuchungen 37 Schnittfugenbreite Unterdruck Prozessstabilität Abrasivmittelmenge sowie Körnung

38 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Untersuchungen Schnittfugenbreite: 38

39 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Untersuchungen Schnittfugenbreite: 39 Parameter: Mischkopf V2.8 Fokus 0,4 mm Wasserdüse 0,1 mm 350 Mesh 26 g/min 3200 bar 100 mm/min 3 mm Aluminium Vorrangiges Ziel erreicht: geringere Schnittfugenbreite von 0,386 mm

40 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Unterdruck in [bar] Teilprojekt Feinschneidmischkopf Untersuchungen Regelung per Hand 0 g/min 240 g/min 240 g/min 240 g/min 40 0 Verstopfung Verstopfung Verstopfung -1 Kurzes Abschalten der Anlage Abschalten der Abrasivmittelzufuhr Zeit in [s] Mischkopf V 2.8, Fokus 0,8 mm, Wasserdüse 0,1 mm, 240 Mesh, 3200 bar, Aluminium, 35 Winkel, Abrasivmittel bis 240 g/min

41 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Unterdruck in [bar] Teilprojekt Feinschneidmischkopf Untersuchungen Versuch 25 g/min 64,8 g/min 103 g/min 0 Verstopfung -1 Zeit in [s] Abschalten der Anlage Mischkopf V 2.8, Fokus 0,4 mm, Wasserdüse 0,1 mm, 350 Mesh, 3200 bar, Aluminium, 35 Winkel, Abrasivmittel 25 g/min 103 g/min

42 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Unterdruck in [bar] Teilprojekt Feinschneidmischkopf Untersuchungen Versuch 103 g/min 0 Verstopfung Abschalten der Abrasivmittelzufuhr -1 Zeit in [s] Mischkopf V 2.8, Fokus 0,4 mm, Wasserdüse 0,1 mm, 350 Mesh, 3200 bar, Aluminium, 35 Winkel, Abrasivmittel 103 g/min

43 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Unterdruck in [bar] Teilprojekt Feinschneidmischkopf Untersuchungen Stabilitätstest über 15 Minuten Zeit in [s] Mischkopf V 2.8, Fokus 0,4 mm, Wasserdüse 0,1 mm, 350 Mesh, 3200 bar, Aluminium, 35 Winkel, Abrasivmittel 25 g/min

44 4. Fein-Wasserstrahlschneiden Teilprojekt Feinschneidmischkopf Ausblick Weitere Tests zur Winkelfunktion 44 Ergebnisse fließen in weitere Neukonstruktionen mit ein

45 4. Fein-Wasserstrahlschneiden 45 Ausblick

46 46 Danke Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

47 47 Mittagessen Das Mittagessen findet in Geb. 40 / Raum 240 statt. Parallel finden Vorführungen an der Wasserstrahlschneidanlage statt. Geb. 40 / Raum E 40 Der Bus nach Großwallstadt fährt um Uhr am Parkplatz ab.