K07: Strahlwerkzeuge

• Erzeugung eines Wasserstrahls mit bis zu 6500 bar mittels Ultrahochdruckpumpe

• Umwandlung des Drucks in Geschwindigkeit mittels Edelsteindüsen

• Entstehung von hohen Schalldrücken -> Vermeidung durch Bearbeitung unter Wasser

• Wasserstrahlschneiden mit Reinwasser:

  Schneideprozess durch Ausnutzen der kinetischen Energie des Wasserstrahls; Anwendung bei weichen Werkstoffen; Nahrung oder als Wasserstrahlskalpell

• Wasserstrahlschneiden mit Zugabe von Abrasivmitteln (z.B. Granat):

  Wasserstrahl als Trägermedium zu Beschleunigung der Partikel; Erhöhung des Materialabtrags durch abrasive Wirkung der Partikel; Anwendung bei harten Materialien (Metall, Stein…)

• Auftreffen des Strahls auf der Werkstückoberfläche mit hoher Geschwindigkeit

• Hervorrufen von Spannungen im Material

• Übergang zu elastischer oder plastischer Umformung

• Örtlich begrenzte Zerstörung der Werkstückoberfläche

• Abtragen von mikroskopisch kleinen Werkstückteilchen

• Vordringen des Strahls in Werkstücktiefe

• Materialdicke

• Werkstoff

• gewünschte Qualität

• Konzentration des Abrasivmittels

• Wasserdruck

• Umweltverträglichkeit

  -> keine Dämpfe, Stäube oder Dunst

• Niedrige mechanische und thermische Belastung des zu trennenden Materials

  -> keine Mikrorisse oder Gefügeänderungen

• Wasserstrahl als verschleißfreies Werkzeug

• Geringe Bearbeitungskräfte

  -> Schneiden druckempfindlicher Werkstoffe

• Geringe Strahlabmessungen

  -> geringe Schnittfugenbreite

• Saubere Schnittkanten/ Keine Gratbildung

• Beschränkte Präzision

• Relativ geringe Vorschubgeschwindigkeit

  -> reduziert bei steigender Härte, Duktilität und Materialstärke

• Relativ geringe Abtragrate

• Hohe Kosten durch Verschleiß von Düsen

• Zusätzliche Kosten bei Einsatz von Abrasivmitteln

• Direkter Wasserkontakt

  -> Ungeeignet für korrosionsanfällige Werkstoffe

• Wirtschaftlichkeit

  -> Anlagenkosten, keine Massenproduktion

• Energieaufnahme führt zu Ionisation der Atome

• Elektrisch leitendes Gas aus Ionen und Elektronen

• Elektrische Leitfähigkeit nach außen neutral

• Energie durch Lichtbogen zwischen Wolfram-Elektrode und Werkstück

• Entkoppelte Zufuhr des Schweißzusatzes durch nicht-schmelzende Elektrode

• Inertes Schutzgas, um Oxidation zu vermeiden -> Ionisierung des Gases zur Zündung des Lichtbogens

• Am häufigsten mit Gleichstrom betrieben

• Schweißstromkreis zwischen Elektrode und Werkstück

• Beispiel: Al-Fahrradrahmen

• Schweißlichtbogen aus Plasma

• Zwei Prozessgase: Plasmagas (Argon) zur Erzeugung des Lichtbogens und Schutzgas zur Verdrängung von Atmosphärengasen

• Lichtbogen wird eingeschnürt -> höhere Intensität, geringere Strahldivergenz

• Beim Aufprall: Kinetische Energie -> thermische Energie

• Lichtbogen innerhalb des Brenners und Austreten der heißen Gase als Strahl

• Grundbaustein der Materie

• Kleinste Einheit, in die sich Materie mit chemischen oder mechanischen Mitteln zerlegen lässt

• Geradlinig in eine Richtung bewegende Elektronen

• Gegenseitige Abstoßung -> Auseinanderlaufen des Strahls

• Führung der Strahlen durch ein Ablenksystem

• Strahl kann durch ein Magnetfeld (B-Feld) abgelenkt oder fokussiert werden (aber auch durch E-Feld)

• Heizen der Kathode -> Herauslösen aus der Atomhülle (Emission der Elektronen) -> Bilden einer Elektronenwolke

• Hochspannungsfeld beschleunigt Elektronen

• Kollision der Elektronen in Luft mit dieser -> Divergenz -> Vakuum

• Energieverluste (Wärmestrahlung) und Absorption möglich

• Nur mit Erdung ein Energieeintrag möglich, ohne diesen bleiben Elektronen an der Werkstoffoberfläche

Beschleunigung durch Anode und Kathode -> sehr schlanker Strahl -> fokussierter Elektronenstrahl

Zusätzliche elektrische Spannung an Randelektrode -> Streuung der Elektronenwolke -> Fokus bei Crossover des Elektronenstrahls

Einsatz von Polymerisieren (10² W/cm²) (Kunststoff) und Härten (10^4), Schweißen, Bohren bis zu Sublimieren (>10^8) (Metalle) Beispiel: Elektronenstrahlschweißen bei einer Gasturbine

*Sublimieren: Stoff geht direkt von festen in den gasförmigen Zustand

• geringer Wärmeeintrag (bezieht sich auf eine kleine Wärmeeinflusszone)

• hohe Effizienz ~70%

• große Einschweißtiefe bei kleiner Breite

• Vakuum als Kontaminationsschutz

• nur elektrisch leitfähige Werkstoffe bearbeitbar

• hohe Kosten

• beschränkte Flexibilität (Vakuum)

• Absorption des Elektronenstrahls

• Aufschmelzen und Verdampfen des Materials (10^6 W/cm²)

• Ausbildung einer Dampfkapillare

• Tiefes Eindringen des Elektronenstrahls in das Material

• Einsatz z.B. bei Getriebekomponenten/ Luft- & Raumfahrt, aber auch Kupfer (Cu) möglich (extrem hohe Temperaturen erforderlich) oder Mikroverarbeitung (Uhren oder Medizintechnik im μm Bereich)

• sehr schlanke Schweißnähte + schmale Wärmeeinflusszone -> minimaler Verzug

• hohe Geschwindigkeit

• schweißen kritischer/artverschiedener Stoffe möglich (Titan/Platin)

• sehr gute Schweißnahtqualität

• kein Schweißzusatz nötig

• hohe Investitions- und Betriebskosten (-> nur bei großen Stückzahlen empfehlenswert)

• nur elektrisch leitfähige Stoffe schweißbar

• Entstehung von Röntgenstrahlung

• Vakuum erforderlich

Elektronenstrahlbohren: Thermisches Abtragen durch Elektronenstrahl, Hauptgruppe Trennen

Grundlagen:

• Fokussierung auf Intensitäten > 10^8 W/cm² durch elektro-magnetische Linse -> Ausbilden einer Dampfkapillare mit schmelzflüssigem Mantel

• Absorption des Elektronenstrahls durch Werkstück

• Einsatz eines verdampfenden Unterlegematerials (Backing-Material) zum Schmelzaustrieb

• Absorption des gepulsten Elektronenstrahls an der Oberfläche

• Aufschmelzen und Verdampfen des Materials

• Strahl trifft auf Backing-Materials (Silikon) -> Erzeugung von Gasvolumen -> herausschleudern der Schmelze durch Ausdehnung des Gases

• stufenlos einstellbarer Bohrungsdurchmesser

• schnelles Bearbeitungsverfahren

• sehr kleine Wärmeeinflusszone

• präzise und gratfreie Ränder

*Grat: scharfe oder spitze Kante

• hohe Investitionskosten

• Vakuum, da Entstehung von Röntgenstrahlung

• Begrenzung im Bohrlochdurchmesser