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Die Erfindung betrifft eine Schaufel eines Schleuderrades einer Schleuderradstrahlanlage umfassend einen Grundkörper und ein auf dem Grundkörper befestigtes, vorzugsweise metallisches Verschleißelement, insbesondere welches die Wurffläche der Schaufel bildet.
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Die Erfindung betrifft auch ein Schleuderrad einer Schleuderradstrahlanlage mit einem Schleuderradkörper, der zwei beabstandete Radscheiben aufweist, zwischen denen Schaufeln, insbesondere auswechselbare Schaufeln angeordnet sind, wobei die Schaufeln um einen Nabenbereich herum angeordnet sind, aus dem Schleudergut auf die Schaufeln förderbar ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Schaufeln eines Schleuderrades.
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Schleuderradstrahlanlagen sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie umfassen ein in Rotation zu versetzendes Schleuderrad der zuvor genannten Art mit mehreren Schaufeln, die sich von radial innen nach radial außen erstrecken.
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Aus dem Nabenbereich wird ein vorzugsweise granulares Strahlgut oder Schleudergut auf den radial innenliegenden Bereich der Schaufeln zugeführt und durch die Rotation entlang der Oberfläche der Schaufeln, welche als Wurffläche bezeichnet wird, nach radial außen durch die wirkenden Zentrifugalkräfte beschleunigt in Richtung zu einem an der Oberfläche zu behandelnden Bauteil.
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Die Schaufeln eines Schleuderrades sind dabei an der Wurffläche einem sehr hohen Verschleiß ausgesetzt und müssen daher häufig, aus Gründen der Vermeidung einer Unwucht alle gleichzeitig ausgetauscht werden. Üblicherweise sind daher die Schaufel eines Schleuderrades austauschbar an dem Schleuderrad befestigt, z.B. mit dafür vorgesehenen Befestigungsstrukturen, z.B. in Befestigungsnuten.
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Um eine genügende Verschleißfestigkeit zu erzielen sind die Schaufeln üblicherweise komplett aus Metall ausgebildet, wobei es bekannt ist, die Schaufel aus Kostengründen auch aus einem metallischen Grundkörper auszubilden, auf den ein metallisches Verschleißelement durch Verkleben aufgebracht wird, welches die Wurffläche ausbildet. Solche Schaufel sind z.B. von der Firma IWM Strahltechnik GmbH bekannt. Bei dieser Ausführung der Schaufeln besteht die Möglichkeit die verschlissenen Verschleißelemente von den Grundkörpern abzulösen und die Grundkörper wiederzuverwenden.
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Problematisch ist hierbei, dass der Vorgang des Ablösens zeitaufwändig ist und auch rechtzeitig vorgenommen werden muss, um einen Verschleiß bis in den Grundkörper zu vermeiden. Weiterhin sind die Schaufeln dieser bekannten Art aufgrund der vollmetallischen Ausbildung sehr schwer und benötigen einen entsprechend stark ausgelegten Antrieb.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung Schaufeln für ein Schleuderrad bereitzustellen, die energetisch günstiger zu betreiben sind, kostengünstig sind und ressourcenschonend einsetzbar sind.
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Diese Aufgabe wird mit einer Schaufel der eingangs genannten Art gelöst, bei der der Grundkörper, auf welchem das Verschleißelement angebracht wird, aus Kunststoff ausgebildet ist. Dabei kann es vorgesehen sein, ein Verschleißelement nur an einer Seite oder auch an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers zu befestigen, so dass solche Schaufel bei Verschleiß an einer Seite auch zunächst gewendet werden können.
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Es kann so erfindungsgemäß ein Schleuderrad ausgebildet werden, welches mehrere Schaufel dieser erfindungsgemäßen Art aufweist.
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Daraus resultiert zum einen der Vorteil, dass die Schleuderräder insgesamt wesentlich leichter sind, da der Grundkörper anders als im Stand der Technik nicht mehr aus Metall gefertigt ist, sondern aus wesentlich leichterem Kunststoff. Es wird somit viel Antriebsenergie beim Betrieb einer Schleuderradstrahlanlage mit solchen Schleuderrädern bzw. Schaufeln eingespart. Ganze Anlagen können sodann auch mit preiswerteren Antrieben ausgestattet werden.
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Dabei kann vorzugsweise auch vorgesehen sein, dass die Radscheiben eines Schleuderrades jeweils einen Radscheibenkörper aus Kunststoff aufweisen, wobei der Radscheibenkörper auf der zum Radinneren weisenden Seite mit einem vorzugsweise metallischen Verschleißelement überdeckt ist. In einem solchen Fall wird nicht nur bei den Schaufeln Gewicht eingespart, sondern auch beim Schleuderrad in den anderen Komponenten.
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Neben der Gewichtseinsparung mit den damit verbundenen energetischen Vorteilen ist ein weiterer Vorteil darin zu sehen, dass wertvolles Metallmaterial beim Grundkörper eingespart werden kann. Der Grundkörper und somit auch die Schaufeln können daher deutlich günstiger gefertigt und am Markt angeboten werden.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass ein jeweiliges Verschleißelement der Schaufel am Grundkörper der Schaufel z.B. stoffschlüssig, insbesondere durch Verkleben befestigt ist, bzw. befestigt wird. In einem solchen Fall kann nach aufgetretenem Verschleiß vorgesehen sein, das wenigstens eine Verschleißelement vom Grundkörper abzulösen und den Grundkörper mit einem neuen Verschleißelement zu versehen. Es kann aber auch vorgesehen sein, die verschlissenen Schaufeln insgesamt zu ersetzen, was sinnvoll sein kann, da das Ablösen und neu Beschichten sich als teurer erweisen kann, als die Neuherstellung einer Schaufel mit Kunststoff-Grundkörper. Es kann dennoch das Recycling des Kunststoffanteils und/oder des Metallanteils der Schaufel vorgesehen sein.
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In einer anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass das Verschleißelement auf dem Grundkörper formschlüssig und/oder kraftschlüssig befestigt ist. In einem solchen Fall kann eine Verklebung vorzugsweise entfallen, was das Wiederverwenden eines Grundkörpers vereinfacht. Eine Befestigung des wenigstens eines Verschleißelementes kann z.B. mittels einer zwischen Grundkörper und Verschleißelement wirkenden Rast- oder Schnappverbindung realisiert sein. Eine Verklebung kann hier auch zusätzlich vorgesehen sein.
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Eine bevorzugte Ausführung der formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Befestigung kann vorsehen, dass am Grundkörper eine Befestigungsanordnung vorgesehen ist, mit der das Verschleißelement am Grundkörper befestigbar ist, insbesondere wobei das Verschleißelement in einer von der Fliehkraftrichtung abweichenden Richtung, z.B. entgegen der Fliehkraftwirkung oder senkrecht zur Fliehkraftrichtung aus der Befestigungsanordnung entfernbar ist. Insbesondere wird das Verschleißelement durch die Fliehkraftwirkung in eine befestigte Lage gebracht. So wirkt eine solche Befestigung im Betrieb eines Schleuderrades selbsthemmend, was die Befestigung angeht und gewährleistet einen sicheren Betrieb. Eine solche Befestigungsanordnung kann z.B. durch formschlüssig ineinandergreifende Elemente am Grundkörper und am Verschleißelement realisiert sein, vorzugsweise jeweils an einem radial innenliegenden Bereich dieser Elemente.
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In bevorzugter Weiterbildung für alle möglichen Ausführungsformen kann es die Erfindung vorsehen, dass der aus Kunststoff ausgebildete Grundkörper insgesamt eine Dichte aufweist, die geringer ist als die Dichte des den Grundkörper bildenden Kunststoffmaterials, insbesondere im Vergleich zu einem Vollmaterialkörper (Bulk) dieses Kunststoffmaterials.
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So kann nochmals Gewicht und im Betrieb Energie eingespart werden. Zur Dichtereduzierung kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass in dem Grundkörper ein Hohlraum oder vorzugsweise mehrere Hohlräume eingebettet sind, vorzugsweise Hohlräume, welche geschlossen sind.
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Der Grundkörper aus Kunststoff kann z.B. durch Extrusion oder auch durch Spritzgießen hergestellt werden, insbesondere entweder direkt in der benötigten Endform oder als nachzubearbeitender Rohling.
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Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass der Grundkörper additiv hergestellt wird, insbesondere durch 3D-Druck, vorzugsweise durch extrusionsbasierten 3D-Druck von Kunststoff oder durch pulverbettbasiertes Schmelzen von Kunststoff mittels eines Energiestrahles, z.B. Laserstrahls.
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Diese Art der Fertigung hat den Vorteil, dass der Grundkörper sehr günstig hergestellt werden kann, da die vorbereitende Herstellung von Extrusions- oder Gießformen entfällt. Auch ist eine große Formenfreiheut gegeben. 3D-Druck hat darüber hinaus einen Vorteil, der häufig als Nachteil empfunden wird, nämlich die hohe Oberflächenrauigkeit die sich durch die mechanische Auflösung des eingesetzten Druckers ergibt. Bei einer Verklebung zwischen Verschleißelement und Grundkörper bietet diese Oberflächenrauigkeit Vorteile in der verbesserten Haftung. Es können daher sogar sehr günstige Drucker zum Einsatz kommen.
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Befestigungsanordnungen, -strukturen oder -elemente, die dazu dienen ein Verschleißelement am Grundkörper zu befestigen, insbesondere also nichtklebend, und/oder einen Grundkörper mit Verschleißelement am Schaufelrad, insbesondere an den Radscheiben eines Schaufelrades zu befestigen, können vorzugsweise ebenso additiv hergestellt sein. Für die Befestigung eines Grundkörpers an einer Radscheibe kann es sich bei den Befestigungsstrukturen z.B. um Federstrukturen an dem Grundkörper handeln, die in Nute an den Radscheiben einsetzbar sind, oder umgekehrt um Nute am Grundkörper, in die Federstrukturen einer Radscheibe einsetzbar sind.
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Durch 3D-Druck erschließt sich auch eine vorteilhafte Ausführungsvariante, bei welcher der Füllgrad des Grundkörpers kleiner ist als 100%, insbesondere betrachtet im Vergleich zu einem Block des gleichen Kunststoff-Vollmaterials. Hierdurch kann signifikant Material und Gewicht eingespart werden gegenüber Extrusions- oder Spritzgieß-Grundkörpern.
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Die Erfindung kann dabei auch bevorzugt vorsehen, dass der Füllgrad und/oder das gewählte Druckmuster bzw. Infillmuster lokal unterschiedlich ist. Z.B. kann der Füllgrad an Orten mit geringerer Kraftbelastung/Spannungen kleiner gewählt sein im Vergleich zu Orten mit größerer Kraftbelastung/Spannungen. Das Infillmuster kann an Orten geringerer Kraftbelastung / Spannung anders gewählt sein (z.B. Infillmuster Dreieck oder Waben) als an Orten mit größerer Kraftbelastung / Spannung (z.B. Infillmuster kubisch, kubisch unterteilt, Oktett oder Gyroid). Solche Orte unterschiedlicher Kraftbelastung/Spannung können z.B. simulativ mit der Methode der finiten Elemente ermittelt und die 3D-Fertigung in Abhängigkeit der ermittelten Daten vorgenommen werden.
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Z.B, kann es vorgesehen sein, dass in Bereichen geringer auftretender Spannungen ein Füllgrad von 45% - 70% gewählt ist. In Bereichen mit demgegenüber höheren Spannungen kann es vorgesehen sein, dass der Füllgrad im Bereich von 70% - 100% liegt.
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Gegenüber dem Vollmaterial kann ein deutlich geringerer Füllgrad im gesamten Spektrum von 45% - 95% durch einen Gestaltungsfreiheitsgrad bei der Wahl des Infillmusters erzielt werden der zusätzlich ein Festigkeitsanstieg bedeutet.
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Durch den Einsatz des Infillmusters, z.B. kubisch, kubisch unterteilt, sowie Oktett als auch Gyroid lassen sich bei hohen Infillraten, insbesondere größer 70%, die höchsten Festigkeiten erzielen. Im Bereich von 45% bis 70% können die Infillmuster Dreiecke sowie Waben eingesetzt werden, um eine hohe Festigkeit zu erzielen. Das jeweilige Infillmuster ist vorzugsweise stets eingerahmt auszuführen.
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Der Grundkörper kann in einfacher Ausfertigung eine plane Montagefläche aufweisen zum Anbringen eines Verschleißelementes. Es kann aber auch erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Grundkörper an seiner das Verschleißelement aufnehmenden Montagefläche nicht plan ausgebildet ist.
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Insbesondere die Fertigung im 3D-Druck erschließt eine große Formenmöglichkeit gegenüber üblichen Verfahren. Z.B. kann die Montagefläche gekrümmt ausgebildet sein, insbesondere gekrümmt in wenigstens einer Ebene, insbesondere in genau einer Ebene oder in zwei Ebenen. Das Verschleißelement kann vorzugsweise eine zur Form der Montagefläche korrespondierende Form, insbesondere die zugehörige Negativform aufweisen. So kann sich das Verschleißelement vorzugsweise formschlüssig an die Montagefläche anschmiegen, insbesondere unabhängig von der Art der Befestigung.
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Bevorzugt ist es bei der Erfindung vorgesehen, dass das Verschleißelement aus einem Werkstoff ausgebildet ist, bei dem es sich um einen Verbundwerksstoff aus einem ledeburitischen System handelt, insbesondere aus einer metallischen Matrix, in der Hartphase (Karbide) eingebettet sind. Der primäre Hartphasenanteil der ledeburitischen Legierung soll mind. 18% Volumenanteil im gehärteten Zustand aufweisen. Vorzugsweise ist der maximale Hartphasenanteil auf 30% Volumenanteil im gehärteten Zustand eingeschränkt. Bei der Einstellung des Gefüges ist darauf zu achten, dass eine gleichmäßige Karbidverteilung, insbesondere feine Karbide, vorliegen. Der Gebrauchshärtebereich liegt vorzugsweise zwischen 60-65HRC, insbesondere zwischen 60 bis 70HRC, z.B. durch kryogenes Härten.
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Der Werkstoff kann z.B. gebildet sein aus einer Stahllegierung mit Chromcarbiden, insbesondere aus Kaltarbeitsstahl, vorzugsweise des Typs X210CrW12 (1.2436)
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Andere bevorzugte Materialen können sein: X153CrMoV12 (1.2379), X100CrMoV5 (1.2336).
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben.
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Die 1 zeigt eine Schaufel 1 für ein Schleuderrad 2 gemäß der 3. Die Schaufel 1 umfasst einen Grundkörper 3, der eine Befestigungsanordnung 6 aufweist zur Befestigung an einem Schleuderrad 2, insbesondere an dessen Radscheiben 7a. Die Befestigungsanordnung kann hier z.B. gegenüberliegende Nute umfassen, in die Federelemente eingreifen können, welche an den Radscheiben 7a angeordnet sind.
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Auf dem hier aus Kunststoff, z.B. im 3D-Druck ausgebildeten Grundkörper 3 ist auf der das Strahlgut führenden Seite ein Verschleißelement 4 befestigt, z.B. klebend. Die Oberfläche des Verschleißelementes 4 bildet die Wurffläche, über welche Schleudergut beschleunigt wird. Die Oberfläche des Verschleißelements 4 kann bündig fluchtend mit einer neben dem Verschleißelement 4 liegenden Oberfläche des Grundkörpers 3 ausgebildet sein. Hierfür kann der Grundkörper 3 z.B. eine Vertiefung aufweisen, die der Dicke des Verschleißelements 4 entspricht. Das Verschleißelement kann aber auch vollflächig auf einem Grundkörper 3 befestigt sein.
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Das Verschleißelement 4 ist vorzugsweise aus Metall, z.B. aus Kaltarbeitsstrahl, z.B. X210CrW12. Durch die Verbundkonstruktion aus Grundelement 3 und Verschleißelement 4 wird so ein geringes Gewicht bei hoher Verschließfestigkeit erzielt. Die Schaufeln 1 sind jeweils austauschbar im Schleuderrad 2 aufgenommen. Die Schaufeln 1 können auch beidseitig ein Verschließelement aufweisen.
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Die 2 zeigt eine alternative Ausbildung einer Schaufel 1, bei welcher das Verschleißelement 4 und der Grundkörper 3 durch eine zwischen diesen wirkende form- und/oder kraftschlüssig wirkende Befestigungsanordnung aneinander befestigt sind. Eine Verklebung kann ggfs. zusätzlich vorgesehen sein. Vorzugsweise wirkt die Verbindung zumindest in der Fliehkraftrichtung. Die Befestigungsanordnung umfasst hier am Grundkörper eine Ausnehmung, in die ein korrespondierend geformter Vorsprung am Verschleißelement 4 einsetzbar ist.
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Die 3 zeigt das Schleuderrad 2 einer Schleuderradstrahlanlage im Schnitt senkrecht zur Drehachse. Es ist erkennbar, dass mehrere Schaufeln 1 um eine Nabe 7b herum angeordnet sind, durch die Schleudergut an die Schaufeloberflächen zugeführt werden kann, um dieses mit den Schaufeln 1 nach radial außen zu beschleunigen. Die Durchführungsöffnungen in der Nabe 7b für das Schleudergut sind nicht visualisiert. Die Schaufeln 1 sind hier zwischen den Radscheiben 7a angeordnet, die gepunktet dargestellt sind.
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Bei den 1 bis 3 sind die Schaufeln 1 in radialer Richtung geradlinig erstreckt und die Verschleißelemente 4 bilden plane Wurfoberflächen.
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Demgegenüber zeigt die 4 eine Ausführung einer Schaufel 1 mit einem Grundkörper 3, dessen Montagefläche für das Verschleißelement 4 konvex ausgebildet ist. In gleicher Weise ist das Verschleißelement 4 gekrümmt. Befestigungsstrukturen 6 am Grundkörper können hier z.B. als Befestigungsbohrungen ausgeführt sein.
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Die 5 zeigt eine weitere alternative Ausführung einer Schaufel 1, bei welcher der Grundkörper 3 eine konkav gekrümmte Montagefläche für ein ebenso gekrümmtes Verschleißelement 4 aufweist. Hier hat der Grundkörper ebenso Befestigungsbohrungen.
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Wie der Vergleich der 4 und 5 zeigt, können die Grundkörper 3 unterschiedliche Form aufweisen.
