Das Wasserstrahlschneiden ist ein bewährtes, industrielles Fertigungsverfahren zur Bearbeitung verschiedener Materialien. Bei diesem Verfahren wird das Schneidmedium bis zu einem Druck von mehreren tausend bar verdichtet, bevor es durch eine Düse auf atmosphärische Bedingungen expandiert wird, um einen Strahl zu erzeugen. [1] Anstelle von Wasser können auch andere Flüssigkeiten als Schneidmedium verwendet werden. Durch den Einsatz von flüssigem Kohlendioxid (CO2) anstatt von Wasser kann eine rückstandsfreie und trockene Bearbeitung von wasserempfindlichen Werkstoffen ermöglicht werden, da das Kohlendioxid nach dem Auftreffen auf das Werkstück vollständig verdampft. [2]
Im speziellen Fall des CO2¬-Strahlschneidens kann das Medium aufgrund seines Tripelpunktdrucks von 5,18 bar unter atmosphärischen Bedingungen im thermodynamischen Gleichgewicht nicht im flüssigen Zustand vorliegen. Dennoch können unter bestimmten Voraussetzungen flüssige CO2-Strahlen beobachtet werden. Eine umfangreiche Vorkühlung des Kohlendioxids ermöglicht die Erzeugung von Flüssigstrahlen, die sich nach einigen Zentimetern Strahllänge in eine Gas- und eine Feststoffphase trennen. Dazu ist es notwendig, das Kohlendioxid bis in die Nähe der Erstarrungsgrenze abzukühlen, bevor es durch die Düse expandiert. Mit dem entstehenden kohärenten Flüssigkeitsstrahl können weiche Materialien wie Polymere, Metallfolien oder Naturstoffe bearbeitet und getrennt werden. [3]
In den letzten Jahren wurde intensiv an der Forschung des CO2-Strahlschneidens gearbeitet. Dabei hat sich gezeigt, dass die Schneideigenschaften, wie Strahlstabilität oder Strahllänge, wesentlich von Faktoren wie der Vorexpansionstemperatur und -druck sowie der Dichte der Atmosphäre, in die der Strahl expandiert wird, beeinflusst werden. Bisher ist es gelungen, durch die Einstellung dieser Parameter flüssige CO2-Strahlen zu erzeugen, die zum Schneiden weicher Materialien geeignet sind. Zur Erzeugung der Strahlen wurde konventionelle Wasserstrahltechnik mit zusätzlichen Modifikationen verwendet. Aufgrund der aufwendigen Kühlung wurde bisher eine stationäre Düse verwendet. Es war somit nicht möglich, den Schneidkopf und somit den Strahl zu bewegen, was zur Einschränkung der Flexibilität und des Einsatzbereichs des CO2-Strahlschneidens geführt hat. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde ein völlig neu konzipiertes Strahlschneidsystem für den Einsatz von Kohlendioxid entwickelt. Das System zeichnet sich durch einen kompakten und modularen Aufbau aus. Dabei ermöglicht ein effizientes Kühlkonzept den Einsatz eines in zwei Richtungen beweglichen Schneidkopfes und damit das Schneiden von komplexen 2D-Geometrien.
Abb. 1: Erzeugung eines flüssigen CO2-Strahls bei verschiedenen Vorexpansionstemperaturen und -drucken. [3] Fig. 1: Generation of a liquid CO2 jet at different pre-expansion temperatures and pressures. [3]
Abb. 2: Mit flüssigen CO2-Strahlen bearbeitetes Leder. Fig. 2.: Leather processed with liquid CO2 jets.