DE102011007639A1 - Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken mit einem Hochdruckstrahl - Google Patents

Abstract

Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken mit einem Hochdruckstrahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckstrahl aus einer flüssigen Zusammensetzung besteht, welche mehr als 30 Gew.% einer ionischen Flüssigkeit enthält.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken mit einem Hochdruckstrahl, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Hochdruckstrahl aus einer flüssigen Zusammensetzung besteht, welche mehr als 30 Gew.% einer ionischen Flüssigkeit enthält.
• Werkstücke aus unterschiedlichsten Materialien können mit einem Hochdruckwasserstrahl bearbeitet, insbesondere zerteilt werden. Dieses Verfahren ist auch unter der Bezeichnung Wasserstrahlschneiden bekannt. Es wird z. B. bei der Bearbeitung von Gegenständen aus Kunststoff, Leder, Metall oder Stein eingesetzt. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist die hohe Genauigkeit mit der nahezu beliebige dreidimensionale Formen aus einem Material geschnitten werden können.
• Der Hochdruckwasserstrahl hat bei Austritt aus der Düse einen Druck von bis zu 6000 bar. Zur Kompression des Wassers auf derartig hohe Drucke ist eine beträchtliche Energie notwendig.
• Weiterhin kommt es bei Austritt des Wassers aus dem Kompressionsraum zu spontanen Verdampfungen von Wasser, was zu Schädigungen an den Anlagenteilen, z. B. der Fokussiereinrichtung zum Einstellen der Richtung des Wasserstrahls, führen kann.
• Für das Verfahren des Wasserstrahlschneidens ist daher ein Arbeitsmittel erwünscht, welches Wassers ersetzen kann und die vorstehenden Nachteile des Wassers möglichst nicht oder im geringeren Ausmaß zeigt.
• Unter dem Begriff ionische Flüssigkeiten werden Salze verstanden, die einen Schmelzpunkt bei tiefen Temperaturen haben und vorzugsweise bei Temperaturen kleiner 100°C flüssig sind. Derartige ionische Flüssigkeiten sind für unterschiedliche technische Anwendungen, z. B. als Lösemittel, Elektrolyt oder Betriebsmittel in technischen Vorrichtungen beziehungsweise technischen Prozessen von Interesse.
• Sie eignen sich z. B. aufgrund ihres geringen Dampfdruckes als Absorptionsmittel in Wärmepumpen oder zum Verdichten von Gasen, wie in WO 2005/113702 und WO 2006/034748 beschrieben ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher ein alternatives oder gar verbessertes Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken mit einem Hochdruckstrahl, bei dem Wasser durch eine andere Flüssigkeit ersetzt werden kann und Nachteile des Wassers gegebenenfalls sogar vermieden oder vermindert werden können.
• Demgemäß wurde das eingangs definierte Verfahren gefunden.
• Zur ionischen Flüssigkeit
• Der beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Hochdruckstrahl besteht aus einer flüssigen Zusammensetzung, welche mehr als 30 Gew.% einer ionischen Flüssigkeit enthält.
• Unter dem Begriff ionische Flüssigkeit werden Salze (Verbindungen aus Kationen und Anionen) verstanden, die bei Normaldruck (1 bar) einen Schmelzpunkt kleiner 200°C, vorzugsweise kleiner 150°C, besonders bevorzugt kleiner 100°C besitzen.
• Unter dem Begriff ionische Flüssigkeit sollen im Nachfolgenden sowohl einzelne als auch Gemische unterschiedlicher ionischer Flüssigkeiten verstanden werden.
• Bevorzugte ionische Flüssigkeiten enthalten eine organische Verbindung als Kation (organisches Kation). Je nach Wertigkeit des Anions kann die ionische Flüssigkeit neben dem organischen Kation weitere Kationen, auch Metallkationen, enthalten.
• Bei den Kationen besonders bevorzugter ionischer Flüssigkeiten handelt es sich ausschließlich um ein organisches Kation oder, bei mehrwertigen Anionen, ein Gemisch unterschiedlicher organischer Kationen.
• Geeignete organische Kationen sind insbesondere organische Verbindungen mit Heteroatomen, wie Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff oder Phosphor; insbesondere handelt es sich bei den organische Kationen um Verbindungen mit einer Ammonium-gruppe (Ammonium-Kationen), einer Oxonium-gruppe (Oxonium-Kationen), einer Sulfonium-gruppe (Sulfonium-Kationen) oder einer Phosphonium-Gruppe (Phosphonium-Kationen).
• In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei den organischen Kationen der ionischen Flüssigkeiten um Ammonium-Kationen, worunter hier
• – nicht-aromatische Verbindungen mit lokalisierter positiver Ladung am Stickstoffatom, z. B. Verbindungen mit vierbindigem Stickstoff (quaternäre Ammoniumverbindungen) oder
• – Verbindungen mit dreibindigem Stickstoff, wobei eine Bindung eine Doppelbindung ist, oder
• – aromatische Verbindungen mit delokalisierter positiver Ladung und mindestens einem, vorzugsweise ein bis drei Stickstoffatomen im aromatischen Ringsystem verstanden werden.
• Bevorzugte organische Kationen sind quaternäre Ammonium-Kationen, vorzugsweise solche mit drei oder vier aliphatischen Substituenten, besonders bevorzugt C1- bis C12-Alkylgruppen, am Stickstoffatom, welche gegebenenfalls durch Hydroxylgruppen substituiert sein können.
• Ebenfalls bevorzugt sind organische Kationen, die ein heterocyclisches Ringsystem mit ein bis drei, insbesondere mit ein oder zwei Stickstoffatomen als Bestandteil des Ringsystems enthalten.
• In Betracht kommen monocyclische, bicyclische, aromatische oder nicht-aromatische Ringsysteme. Genannt seien z. B. bicyclische Systeme, wie sie in WO 2008/043837 beschrieben sind. Bei den bicyclischen Systemen der WO 2008/043837 handelt es sich um Diazabicyclo-Derivate, vorzugsweise aus einem 7- und einem 6 Ring, welche eine Amidiniumgruppe enthalten; genannt sei insbesondere das 1,8-Diazabicyclo-(5.4.0)undec-7-enium-kation.
• Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Lösemittel in Verfahrensschritt b) um eine ionische Flüssigkeit mit einem Kation, welches ausgewählt ist aus quaternären Ammonium-Kationen oder aus Kationen, die ein heterocyclisches Ringsystem mit ein bis drei, vorzugsweise ein oder zwei Stickstoffatomen als Bestandteil des Ringsystems enthalten.
• Ganz besonders bevorzugte sind ionische Flüssigkeiten mit Kationen, die ein heterocyclisches Ringsystem mit ein oder zwei Stickstoffatomen als Bestandteil des Ringsystems enthalten.
• Als derartige organische Kationen in Betracht kommen z. B. Pyridinium-Kationen, Pyridazinium-Kationen, Pyrimidinium-Kationen, Pyrazinium-Kationen, Imidazolium-Kationen, Pyrazolium-Kationen, Pyrazolinium-Kationen, Imidazolinium-Kationen, Thiazolium-Kationen, Triazolium-Kationen, Pyrrolidinium-Kationen und Imidazolidinium-Kationen. Diese Kationen sind z. B. in WO 2005/113702 aufgeführt. Soweit es für eine positive Ladung am Stickstoffatom oder im aromatischen Ringsystem notwendig ist, sind die Stickstoffatome jeweils durch ein Wasserstoffatom oder eine organische Gruppen mit im Allgemeinen nicht mehr als 20 C-Atomen, vorzugsweise eine Kohlenwasserstoffgruppe, insbesondere eine C1 bis C16 Alkylgruppe, insbesondere eine C1 bis C10, besonders bevorzugt eine C1 bis C4 Alkylgruppen substituiert.
• Auch die Kohlenstoffatome des Ringsystems können durch organische Gruppen mit im Allgemeinen nicht mehr als 20 C-Atomen, vorzugsweise eine Kohlenwasserstoffgruppe, insbesondere eine C1 bis C16 Alkylgruppe, insbesondere eine C1 bis C10, besonders bevorzugt eine C1 bis C4 Alkylgruppen substituiert sein.
• Besonders bevorzugte Ammonium-Kationen sind quaternäre Ammonium-Kationen, Imidazolium-Kationen, Pyrimidinium-Kationen und Pyrazolium-Kationen.
• Besonders bevorzugt handelt es sich um Imidazolium-Kationen wie sie in Formel I (siehe unten) enthalten sind.
• Die ionischen Flüssigkeiten können anorganische oder organische Anionen enthalten. Derartige Anionen sind z. B. in den oben genannten WO 03/029329 , WO 2007/076979 , WO 2006/000197 und WO 2007/128268 aufgeführt.
• Bevorzugt sind Anionen aus der Gruppe
  der Alkylsulfate
  R^aOSO₃ ^–,
  wobei R^a für eine C1- bis C12 Alkylgruppe oder eine C5- bis C12 Arylgruppe, vorzugsweise für eine C1-C6 Alkylgruppe oder eine C6 Arylgruppe (Tosylat) steht,
  der Alkylsulfonate
  R^aSO₃ ^–;
  wobei R^a für eine C1- bis C12 Alkylgruppe, vorzugsweise für eine C1-C6 Alkylgruppe steht,
  der Halgenide, insbesondere Chlorid, Bromid oder Iodid und
  der Pseudohalogenide, wie Thiocyanat, Dicyanamid,
  der Carboxylate R^aCOO^–;
  wobei R^a für eine C1- bis C20 Alkylgruppe, vorzugsweise für eine C1-C8 Alkylgruppe steht, insbesondere Acetat,
  der Phosphate,
  insbesondere der Dialkylphosphate der Formel R^aR^bPO₄ ^–, wobei R^a und R^b unabhängig voneinander für eine C1 bis C6 Alkylgruppe stehen; insbesondere stehen R^a und R^b für die gleiche Alkylgruppe, genannt seien Dimethylphosphat und Diethylphosphat
  und der Phosphonate, insbesondere der Monoalkylphosphonsäureester
  der Formel R^aR^bPO₃ ^–, wobei R^a und R^b unabhängig voneinander für eine C1 bis C6 Alkylgruppe stehen.
• Ganz besonders bevorzugte Anionen sind Methansulfonat, Trifluormethansulfonat, Dimethylphosphat, Diethylphosphat, Methylsulfat, Ethylsulfat, Thiocyanat, Dicyanamid und Tricyaonmethanid als Anion in den ionischen Flüssigkeiten.
• Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Lösemittel um ein Imidazoliumsalz der nachstehenden Formel I,

  

  worin
  R1 für einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen steht,
  R2, R4, R3 und R5 für ein H-Atom oder einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen stehen,
  X für ein Anion steht und
  n für 1, 2 oder 3 steht
• In Formel I stehen R1 und R3 vorzugsweise unabhängig für einen organischen Rest mit 1 bis 10 C-Atomen. Insbesondere stehen R1 und R3 für einen aliphatischen Rest, insbesondere einen aliphatischen Rest ohne weitere Heteroatome, z. B. für eine Alkylgruppe. Besonders bevorzugt stehen R1 und R3 unabhängig voneinander für eine C1 bis C10 bzw. eine C1 bis C4 Alkylgruppe.
• In Formel I stehen R2, R4 und R5 vorzugsweise unabhängig für ein H-Atom oder einen organischen Rest mit 1 bis 10 C-Atomen; insbesondere stehen R2, R4 und R5 für ein H-Atom oder einen aliphatischen Rest. Besonders bevorzugt stehen R2, R4 und R5 unabhängig voneinander für ein H-Atom oder eine Alkylgruppe, insbesondere stehen R2, R4 und R5 unabhängig voneinander für ein H-Atom oder eine C1 bis C4 Alkylgruppe. Ganz besonders bevorzugt stehen R2, R4 und R5 jeweils für ein H-Atom.
• n steht vorzugsweise für 1.
• X steht vorzugsweise für eins der oben genannten und bevorzugten Anionen.
• Zu sonstigen Bestandteilen der Zusammensetzung
• Bevorzugt enthält die Zusammensetzung mindestens 50 Gew.% ionische Flüssigkeit, besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.% ionische Flüssigkeit, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung.
• Neben der ionischen Flüssigkeit kann die Zusammensetzung weitere Lösemittel, d. h. bei 20°C, 1 bar flüssige Verbindungen, enthalten, z. B. Wasser, Alkohole oder Ketone, wie Aceton, Methanol, Ethanol oder Dioxan, oder Dimethylsulfoxid, Dimethylacetamid, Formamid, N-Methylmorpholin-N-oxid oder Dichlormethan.
• In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Zusammensetzung maximal 20 Gew.%, insbesondere maximal 10 Gew.% und besonders bevorzugt maximal 5 Gew.% derartiger weiterer Lösemittel.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die Zusammensetzung keine derartigen weiteren Lösemittel.
• Die Zusammensetzung kann Zusatzstoffe enthalten, z. B. solche wie sie bereits bei dem bisherigen Wasserstrahlschneiden eingesetzt werden. In Betracht kommen z. B. Hilfsmittel zur Einstellung der Viskosität oder zur besseren Bündelung des Hochdruckstrahls und sogenannte Schneidmittel, auch Abrasive genannt. Schneidmittel sind Feststoffe wie Granat und Korund, die es ermöglichen auch besonders harte Materialien wie Marmor, Keramik oder Metall zu durchtrennen.
• Die Zusammensetzung ist vorzugsweise bei 20°C und Normaldruck (1 bar) flüssig.
• Zur Durchführung
• Das Verfahren kann entsprechend dem bisherigen Wasserstrahlschneiden durchgeführt werden, wobei Wasser durch die obige Zusammensetzung, welche mindestens 30 Gew.% ionische Flüssigkeit enthält, ersetzt wird.
• Die Zusammensetzung wird dazu in einem Kompressionsraum komprimiert, so dass sie als Hochdruckstrahl mit einem Druck von mindestens 100 bar und einer Geschwindigkeit von mindestens 50 Meter (m)/Sekunde (s) austritt.
• Übliche Austrittsdrucke liegen im Bereich von 100 bis 8000 bar, insbesondere betragen die Austrittsdrucke mindestens 1000 bar, vorzugsweise mindestens 2000 bar.
• Übliche Austrittsgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 100 m/s bis zu 2000 m/s, insbesondere betragen sie mindestens 300 m/s, vorzugsweise mindestens 500 m/s.
• Übliche Apparaturen zur Durchführung des Verfahrens umfassen im allgemeinen mindestens einen Kompressionsraum, eine Vorrichtung zur Druckerzeugung, eine Düse für den Austritt des Hochdruckstrahls, Vorrichtungen zur genauen Ausrichtung des Hochdruckstrahls und eine geeignete Auffang-vorrichtung für den Hochdruckstrahl nach erfolgter mechanischer Bearbeitung und damit verbundenem Druckabfall.
• Das Verfahren eignet sich zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken. Insbesondere werden Werkstücke mit einem Hochdruckstrahl der Zusammensetzung durchtrennt. So können aus den Werkstücken unterschiedlichste dreidimensionale Formen mit hoher Genauigkeit ausgeschnitten werden oder die Werkstücke in beliebiger Weise zerteilt wenden. Das Verfahren eignet sich auch zum Entgraten von Werkstücken.
• Das Verfahren kann zur Bearbeitung von Gegenständen z. B. aus Kunststoff, Leder, Metall oder Stein oder von Verbundmaterialien, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, eingesetzt werde.
• Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Energieaufwand zur Kompression der Zusammensetzung auf den erforderlichen Druck nur gering ist und gegen über dem bisherigen Verfahren des Wasserstrahlschneidens deutlich weniger Energie zur Kompression benötigt wird.
• Weiterhin kommt es bei Austritt der Zusammensetzung aus dem Kompressionsraum nicht oder kaum zu spontanen Verdampfungen, welche zu Schädigungen an den Anlagenteilen, z. B. der Fokussiereinrichtung zum Einstellen der Richtung des Wasserstrahls, führen können.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2005/113702 [0007, 0022]
• WO 2006/034748 [0007]
• WO 2008/043837 [0019]
• WO 03/029329 [0026]
• WO 2007/076979 [0026]
• WO 2006/000197 [0026]
• WO 2007/128268 [0026]

Claims (8)

1. Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken mit einem Hochdruckstrahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckstrahl aus einer flüssigen Zusammensetzung besteht, welche mehr als 30 Gew.% einer ionischen Flüssigkeit enthält.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ionischen Flüssigkeit um eine ionische Flüssigkeit mit einem Kation handelt, welches ausgewählt ist aus quaternären Ammonium-Kationen oder aus Kationen, die ein heterocyclisches Ringsystem mit ein bis drei Stickstoffatomen als Bestandteil des Ringsystems enthalten.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der ionischen Flüssigkeit um Imidazoliumsalze der nachstehenden Formel I handelt,

   

   worin R1 für einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen steht, R2, R4, R3 und R5 für ein H-Atom oder einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen stehen, X für ein Anion steht und n für 1, 2 oder 3 steht.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung bei 20°C flüssig ist.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung zu mehr als 50 Gew.% aus einer ionischen Flüssigkeit besteht.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung zusätzlich einen Feststoff als Schneidmittel enthält.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung komprimiert wird und als Hochdruckstrahl aus dem Kompressionsraum mit einem Druck von mindestens 100 bar und einer Geschwindigkeit von mindestens 50 m/s austritt.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstücke mit einem Hochdruckstrahl der Zusammensetzung durchtrennt oder entgratet werden.