Development of a robot-based CO2 jet cutting system for processing lightweight construction materials of large volume and geometric complexity

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Marcus Petermann, since 5/2022
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering ; Lightweight Construction, Textile Technology ; Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2020 to 2024
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 440959989

• Final Report Year: 2025

Final Report Abstract

Das CO2-Strahlspanen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem ein CO2-Strahl in flüssigem Zustand zum Schneiden oder Bearbeiten von Materialien zum Einsatz kommt. Beim CO2-Strahlschneiden wird flüssiges Kohlendioxid auf einen Druck von bis zu 3000 bar verdichtet. Im Anschluss erfolgt eine Expansion durch eine Düse in die Atmosphäre, wodurch ein Strahl bei einem Umgebungsdruck von patm =1 bar gebildet wird. Da Kohlendioxid einen Tripelpunktsdruck von 5,18 bar hat, sollte es bei diesem Druck entweder fest oder gasförmig vorliegen. Allerdings wurde unter bestimmten Bedingungen die Bildung von Flüssigkeitsstrahlen beobachtet, die ein Potenzial für die Bearbeitung von Materialien bieten. Bei Kontakt mit einem Material werden durch diesen Strahl Partikel durch Erosion abgetragen. Das Funktionsprinzip ist dem der Wasserstrahlschneidetechnik ähnlich. Ein Vorteil dieser Verfahren besteht in der kontinuierlichen Verfügbarkeit der immer scharfen Schneide, wodurch eine Bearbeitung des Materials in verschiedenen Richtungen möglich ist. Das CO2-Strahlspanen verbindet die Vorteile des Wasserstrahlschneidens mit zusätzlichen Vorzügen. Aufgrund des Niedrigtemperaturverfahrens werden die Werkstücke keiner Hitze ausgesetzt. Unmittelbar nach der Bearbeitung des Werkstücks verdampft das Kohlendioxid. Die anfallenden Späne können mit einer geeigneten Absaugvorrichtung entfernt und problemlos recycelt oder entsorgt werden. Durch den Phasenwechsel zu Gas entfällt die Notwendigkeit eines Strahlfängers, der den Strahl hinter dem Werkstück stoppt, wie es beim Wasserstrahlschneiden der Fall ist. Des Weiteren ist keine Nachbehandlung des Schneidmediums oder dessen Entsorgung als Sondermüll erforderlich. Auch nach der Behandlung giftiger Werkstücke bleiben die festen Späne als separates Material erhalten, während das gasförmige Kohlendioxid gefiltert werden kann, um eventuell vorhandene Partikel des giftigen Materials zu entfernen. Das Verfahren zur Behandlung von Werkstücken mit CO2-Strahlen ist ein trockener Prozess, bei dem weder die Anlagenkomponenten noch die Werkstücke mit Wasser in Berührung kommen. Das bedeutet, dass kein weiterer Prozess zur Trocknung der Werkstücke erforderlich ist und selbst wasserempfindliche und korrosionsanfällige Materialien bearbeitet werden können. Um den Einsatz von Kohlendioxid als Strahlmedium zu ermöglichen, müssen spezielle Anforderungen an die Strahlanlage erfüllt sein. Im Rahmen des Projekts wurde eine Demonstratoranlage konzipiert, die die thermodynamisch notwendigen Bedingungen zur Erzeugung von flüssigen Kohlendioxid-Strahlen berücksichtigt. Das Hauptziel dieses Projekts besteht darin, die industrielle Einsatzfähigkeit des Kohlendioxid-Strahlspanens nachzuweisen.

Publications

• Brennstoffzelle - wie sauber muss es sein?. JOT Journal für Oberflächentechnik, 63(S4), 60-61.
  Tammer, Christoph; Schießl, Timo & Burgdorf, Philipp
  
• Saubere Produktion für saubere Mobilität, Beitrag, Das Magazin aus dem Produktionstechnischem Zentrum Berlin, Berlin
  Philipp Burgdorf
  
• Environmentally benign processing with CO2 jets – A short story of a technology and its current and prospective applications, Conference Paper – euspen Special Interest Group Meeting on Precision Engineering for Sustainability, Eschenlohe
  Laura Göhlich, Stefan Pollak & Marcus Petermann
  
• Nachhaltige Reinigung und Präparation. VDI-Z, 166(01-02), 43-45.
  Reder, Waldemar; Burgdorf, Philipp; Polte, Julian & Uhlmann, Eckart