Flüssige, kohärente Kohlendioxidstrahlen zum Schneiden von Materialien in atmosphärischer Umgebung

Wasserstrahlen werden in der Fertigungstechnik zum Schneiden relativ weicher Materialien wie Leder, Gummi oder Kunststoffen verwendet. Eine hohe Schneidwirkung bei zugleich hoher Schnittqualität wird erzielt, wenn die Strahlen eine hohe Geschwindigkeit, Dichte und kompakte (kohärente) Strahllänge haben. Der Einsatz von Kohlendioxid (CO₂) anstelle von Wasser ermöglicht eine trockene und nahezu rückstandsfreie Schneidtechnik. Allerdings ist CO₂ bei Atmosphärenbedingungen im thermodynamischen Gleichgewicht bei keiner Tempe-ratur flüssig. Wird CO₂ auf Atmosphärendruck entspannt, werden zweiphasige, gasförmig/ feste Sprays mit geringer Schneidwirkung erzeugt. Ziel der Arbeit ist es, flüssige und kohärente CO₂-Strahlen mit einer Schneidwirkung ähnlich der von Wasserstrahlen zu erzeugen. Dafür wurde eine Anlage aufgebaut, mit der flüssiges CO₂ auf 3500 bar verdichtet und über eine zylindrische Düse entspannt werden kann. Unter Einfluss von Vordruck, Vorexpansionstemperatur, Nachexpansionsdruck und Düsendurch-messer werden die Phasenzusammensetzung im Strahl und die Strahlgeometrie mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen untersucht. Die Schneideigenschaften werden anhand von Schneidversuchen mit denen von Wasserstrahlen verglichen. Wird CO₂ vor der Düse auf Temperaturen möglichst nahe der Erstarrungsgrenze gekühlt, werden bei Entspannung von 50 bar bis 3500 bar auf Atmosphärendruck und damit unterhalb des Tripeldrucks von CO₂ flüssige, kohärente CO₂-Strahlen erzeugt. Das CO₂ liegt im Strahl im metastabilen Zustand vor. Die Strahlen sind durch heterogene Keimbildung und Blasen-wachstum, durch Marangonikonvektion infolge der Verdampfungskühlung der Strahlober-fläche und der daraus resultierenden Temperatur- und Oberflächenspannungsunterschiede sowie durch die auf der Strahloberfläche wirkenden Scherkräfte von der Düsenmündung an instabil. Die Effekte führen zur Verstärkung jeder Strahldeformation bis zum Zerfall des Strahls in Tropfen. Die thermischen Effekte treten bei Wasserstrahlen aufgrund des stabilen, flüssigen Zustands in erheblich geringerem Maße auf. Die Strahlzerfallslänge (Kohärenzlänge) der Wasserstrahlen ist daher bei gleichem Druck und gleicher Düsengeometrie höher als die der CO₂-Strahlen. Die flüssigen CO₂-Strahlen schneiden u. a. Leder und Gummi sowie härtere Materialien wie Kohlefaserverstärkte Kunststoffe präzise, trocken und rückstandsfrei. Aufgrund der gerin-geren Kohärenzlänge im Vergleich zu Wasserstrahlen ist die maximale Schnittfugentiefe um 30 % bis 70 %, die Schnittfugenbreite bei gleicher Schnittflächenqualität um 30 % geringer. Möglichkeiten zur Stabilisierung des Strahls und damit zur Erhöhung der Schneidwirkung werden vorgeschlagen. Mit dem Einsatz von CO₂ werden die Vorteile des Wasserstrahlschneidens um die Vorteile einer trockenen Bearbeitung ergänzt. Damit ist das Verfahren einsetzbar zum Schneiden feuchtigkeitsempfindlicher, gesundheits- oder umweltgefährdender Werkstoffe mit dem Vorzug der im Vergleich zu Wasserstrahlen schmaleren Schnittfuge, was besonders für Anwendungen in der Feinwerktechnik interessant sein dürfte.