Flüssiges CO2 als Strahlmedium im Bereich des Strahlspanens
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des beantragten Forschungsvorhabens war es, flüssiges Kohlendioxid (CO2) als Strahlmedium zum Trennen im Bereich des Strahlspanens einzusetzen. Im ersten Forschungszeitraum wurden die speziellen thermodynamischen Eigenschaften und das grundlegende Verhalten von CO 2 bei der Entspannung von Drücken bis zu 400 MPa untersucht und mit dem verwandten Verfahren des Reinwasserstrahlschneidens verglichen. Im zweiten Forschungszeitraum konnte nun die nachgewiesene Zerspanwirkung für differenzierte Voraussetzungen sowohl werkzeug- als auch werkstückseitig qualifiziert und analysiert werden. Dazu wurden weitere experimentelle und analytische Untersuchungen durchgeführt, um das Verfahren für den industriellen Einsatz attraktiv zu machen. Beim Wasserstrahlschneiden werden zur Erhöhung der Schneidleistung Abrasivmittel zugesetzt. Rückstände des Abrasivmittels, die Befeuchtung des Bauteils sowie die nicht vorhandene Sterilität limitieren den Einsatz und motivieren zur Suche nach alternativen Schneidverfahren. Im vorliegenden Projekt wurde das Trennen von Leichtmetallen und Kunststoffen mit einem rückstandsfreien, zweiphasigen Strahl aus flüssigem und festem CO2 untersucht und eine besonders oberflächenschonende Materialbearbeitung ermöglicht. Grundlegende Kenntnisse zur Erzeugung und Stabilisierung von CO2-Strahlen sowie die Ermittlung der Schneideigenschaften wurden ermittelt. Dazu wurde das Medium bis auf 400 MPa verdichtet, temperiert, durch eine Düse geleitet und auf Prüfkörper verschiedener Härten gelenkt. Da CO2 bei Atmosphärenbedingungen im thermodynamischen Gleichgewicht nur gasförmig existiert, ist die Kenntnis des metastabilen Bereiches beim Phasenwechsel flüssig-gasförmig von entscheidender Bedeutung. Dazu wurden die Vorgänge bei der Entspannung und im Freistrahl mit bildgebenden Verfahren untersucht. Durch Variation der Vor- und Nachexpansionsbedingungen werden möglichst kontinuierliche Strahlen erzeugt. Die thermo- und fluiddynamischen Grundlagen des neuen, besonders schonenden Schneidverfahrens wurden untersucht und die Randbedingungen für die apparative und anlagentechnische Ausgestaltung wissenschaftlich erforscht. Die Zugabe von diversen Abrasivmitteln wurde erfolgreich durchgeführt, womit die Spanleistung enorm gesteigert und neue technologische Anwendungen, wie das Hochgeschwindigkeitskugelstrahlen erschlossen werden konnten. Die Verschleißeigenschaften wurden untersucht, aufgrund der geringen Ausprägung, in Folge der Werkstückwerkstoffunabhängigkeit vergleichbar zum RWS, jedoch nur im geringen Maße festgestellt. Durch die Simulation der Düseninnenströmung konnten neue vielversprechende Düsengeometrien zur Strahlerzeugung flüssiger CO2-Strahlen identifiziert werden. Weiterhin wurde durch Umhüllen des Strahls mit einem Mantelstrahl mit geringer Dichte eine Möglichkeit identifiziert, wie die Strahllänge um mehr als das Doppelte gesteigert werden kann. Dies betrifft insbesondere Vordrücke ab 50 MPa aufwärts, welche für Schneidanwendungen besonders interessant sind. Schneidversuche mit so erzeugten Strahlen zeigten, dass der thermodynamische Zustand so über einen längeren Zeitraum und zuverlässiger gehalten werden kann. Durch das abgeschlossene Projekt konnten damit neue Erkenntnisse über die Strahlerzeugung und Nutzung flüssiger CO2-Strahlen erlangt werden. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben es, die Weiterentwicklung der Technologie bis zur industriellen Nutzung weiter voranzutreiben. Somit kann dem Markt ein materialschonendes und effizientes Verfahren insbesondere zur Bearbeitung wasser- und temperaturempfindlicher Substanzen zugänglich gemacht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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High-pressure jet cutting with liquid CO2 of plastics. The 24st International Conference on Water Jetting 2018. BHR Group. Proceedings: S. 167 - 178, ISBN: 9781855981676
Uhlmann, E.; John, P.
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Superheated liquid carbon dioxide jets: setting up and phenomena. Experiments in Fluids 59 (1), S. 695-705, 2018
Engelmeier, L.; Pollak, S.; Peters, F.; Weidner, E.
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Abrasive surface treatment with liquid CO2. Proceedings of 2019 WJTA-IMCA Conference and Expo, New Orleans
Uhlmann, E.; John, P.
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Dry cutting with liquid CO2 jets. Advanced materials letters Volume 10 (2019), Issue 1, S. 2 - 8
Uhlmann, E.; John, P.
