Strömungskavitative Erosion zur Bauteilreinigung

  Kavitationsgebiete

Bei vielen Gießprozessen entstehen durch Formzwischenräume ungewollte Materialablagerungen – sogenannte Blinds. Diese müssen bisher in nachfolgenden Prozessschritten manuell entfernt werden und bedingen so einen erhöhten Herstellungsaufwand der Gussbauteile und damit erhöhte Kosten. Mittels einer strömungskavitativen Bauteilreinigung soll eine vollautomatische Entgratung und Reinigung ermöglicht werden, wobei die Simulation dieser Effekte sowie die anschließende Validierung im Zentrum dieses Forschungsvorhabens stehen.

 
Nutzen Vorgehen
Neuartiges Reinigungskonzept Simulation von Kavitation und Entgratungsvorgängen
Verständnis der Vorgänge bei Kavitation Validierung der physikalischen Grundlagen an einem Prüfstand
Evaluation der Reinigungseffizienz durch Erosionsvorgänge Umsetzung und Optimierung in einem industrienahen Demonstrator

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Fotografie von Herr Guse

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Herausforderung von Reinigungssimulationen

Reinigungs- und Entgratungssimulationen sind trotz steigender Rechnerkapazitäten und -geschwindigkeiten bisher kaum realisiert worden. Insbesondere die Wechselwirkung zwischen Fluid und Festkörper, die sogenannte Fluid-Struktur-Interaktion, stellen in der Simulationstechnik eine große Herausforderung dar. Im Rahmen dieses Projektes soll ein weiterer Schritt in die simulative Beschreibung eines neuartigen Reinigungsverfahrens gemacht werden, bei dem durch die gezielte Erzeugung von Kavitation in der Nähe von unerwünschten Strukturen Materialabtrag und so eine örtlich begrenzte Reinigungswirkung eintritt. In der Praxis kann die erfolgreiche Simulation beispielsweise dazu dienen, Toleranzen für die Formelemente genau zu definieren, sodass ein Abscheren des unerwünschten Materials gerade noch ermöglicht wird.

 

Prüfstandsentwicklung

Demonstrator Demonstrator

Um die Simulationsergebnisse zu validieren, wurde am ifas ein Prüfstand entwickelt. Zwischen zwei Matrizen wird ein Probekörper eingespannt, welcher in Form und Materialzusammensetzung variiert werden kann. Für die ersten Untersuchungen wird dieser aus einer dünnen Aluminiumfolie modelliert und mit einem entsprechenden Öffnungsquerschnitt versehen. Diese Folie wird während des Versuchs mit Wasser durchströmt, wodurch zum einen durch den Fluidimpuls eine Kraft auf die Folie wirkt, zum anderen findet durch die Querschnittsverengung der blendenartigen Probegeometrie eine Beschleunigung des Fluids statt, sodass der statische Druck in diesem Bereich absinkt und zu Kavitationserscheinungen führt. Während der Versuchsdurchführung dient eine Hochgeschwindigkeitskamera zur visuellen Dokumentation der Blasenbildung, wobei deren Auftreten, Größe und Implosion im Postprocessing ausgewertet werden. Der Druck vor sowie nach dem Blind kann eingestellt werden, wobei die primäre Stellgröße die Höhe des Unterdrucks nach dem Demonstrator ist. Die Vorspannung des Flüssigkeitsspeichers am Eingang dient lediglich der Verstärkung der Effekte.

 
Prüfstandsaufbau Prüfstandsaufbau
 

Isolation der Effekte

Ein zentrales Ergebnis ist zum einen die Beurteilung des Ausmaßes des Reinigungseffektes und zum anderen die Feststellung, welche physikalischen Phänomene für den Reinigungsvorgang vorherrschend sind. So soll der Einfluss des Fluid-impulses durch Einstellen der richtigen Randbedingungen isoliert und so Rückschlüsse auf das Ausmaß der Kavitationserosion getroffen werden. Schließlich dient der Prüfstand der Optimierung des Reinigungsvorgangs unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten.

 
 

Danksagung

Logo des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Dieses Forschungsvorhaben wird unterstützt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM).

 
 

Veröffentlichungen

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