Wasserstrahlschneiden
Letzter Autor: induux Redaktion
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Geschichte des Wasserstrahlschneidens
Der Wasserstrahl wurde schon im frühen 20. Jahrhundert zum Abtragen von Kies- oder Tonablagerungen verwendet. Auch wurde der Wasserstrahl in den amerikanischen Goldminen zum Trennen der Goldadern von Steinen und Erde verwendet. Ebenfalls fand der Wasserstrahl ab 1930 Verwendung von amerikanischen und russischen Ingenieuren zum Putzen von Gussstücken. Zu dieser Zeit wurden Drücke von 100 bar genutzt. An eine Maschine von Norman Franz, die mit 700 bar arbeitete, wurde das erste Patent vergeben. Im Flugzeugbau wurden in den 1960er Jahren Verbundwerkstoffe eingeführt, was die Firma Boeing dazu anregte zur Bearbeitung solcher Materialien den Wasserstrahl einzusetzen. 1971 wurde dann das erste kommerzielle System in Betrieb genommen: Ein von der Ingersoll-Rand Tochter McCartney Manufacturing Company in Baxter Springs entwickeltes System diente zum Schneiden von Papierrohren.
In dieser Zeit wurde mit reinem Wasserstrahl geschnitten. Die bearbeiteten Materialien waren z. B. Papierwindeln und Wabenmaterialien für den Luft- und Raumfahrtbereich, die sich mit herkömmlichen Methoden nicht bearbeiten ließen.
Seit Anfang der 70er Jahre verfügte Ingersoll-Rand über Hochdruckpumpen, die kontinuierliche Drücke bis zu 3.800 bar liefern konnten. Und eine weitere Ingersoll-Rand Tochter, die schwedische Bestmatik, entwickelte in Europa einen Schneidtisch zum Schneiden von Puzzles aus Sperrholz. Der reine Wasserstrahl ist hervorragend geeignet, weiche, zähe oder empfindliche Materialien sehr präzise zu bearbeiten. Leider ist er nicht in der Lage, harte Materialien wie Keramik, Stahl, Glas oder Stein zu schneiden. Um diesem Nachteil abzuhelfen, wurde schon früh versucht, dem reinen Wasserstrahl ein hartes Schleifmittel beizufügen. Anfang der 80er Jahre trat die Abrasivtechnik aus dem Laborstadium heraus und Ingersoll-Rand übernahm 1984 diese Technik mit der Hydroabrasive Division in sein Produktspektrum. Ein weiteres neues Verfahren namens Dynamic Waterjet, kam Ende der 1990er Jahre von FLOW auf dem Markt. Dieses Verfahren ermöglichte ein sehr genaues Wasserstrahlschneiden, auch bei dicken Werkstücken.
Wasserstrahlschneiden Verfahren
Wasserstrahlschneiden ist ein Fertigungsverfahren, bei welchem Materialien mit einem Hochdruckwasserstrahl getrennt werden. Dabei werden durch den Wasserstrahl nur oberflächliche mikroskopische Partikel abgetrennt. Der Druck des Wasserstrahls kann bis zu 6000 bar erreichen. Die Austrittsgeschwindigkeit beträgt bei diesem Verfahren von bis zu 1000 m/s. Charakterisierend für das Wasserstrahlschneide-Verfahren ist die geringe Hitzeentwicklung beim Schneidevorgang. Durch die geringe Hitzeeinwirkung dehnt sich das Werkstück bei der Bearbeitung nicht aus. Das bei der Nutzung entstehende quer abfließende Wasser verursacht Scherkräft, womit zusätzlich Material am Werkstück abgetragen wird. Der entstehende Druck beim Wasserstrahlschneiden führt bei sprödem und härteren Materialien zu Mikrorissen an der Oberfläche, welche sich vermehren und somit Partikel am Werkstück ablösen. Ihm Gegensatz dazu können sich weichere Werkstoffe (z. B. Stahl) plastisch verformen, jedoch löst sich dabei nichts ab. Im Anschluss kann es zu einer Kaltverfestigung kommen, dies wiederum für zu einer Versprödung des Werkstoffes und somit kann Material abgetragen werden. Allgemein kann es Werkstücken aus Metall zu einer Veränderung der Kristallstruktur kommen und dies kann zu einer Rissbildung führen. Somit kann Material abgetragen werden.
Beim Wasserstrahlschneiden kann in zwei Verfahren unterschieden werden: Reinwasserschneiden und Abrasivschneiden.
Rein-Wasserstrahlschneiden
Beim Rein-Wasserschneiden wird zum Schneiden eines Werkstückes nur gefiltertes Wasser verwendet. Somit ist das Wasser das trennende Werkzeug. Dieses Verfahren dient vor allem zum Schneiden von weichem Material z. B.:
- Papierprodukte
- Dichtungsmaterial
- Kunststoffe
- Schaumstoffe
- Textilien
- Lebensmittel
- Silikon
- Leder
Dabei ist das Schneiden mit diesem Verfahren äußerst präzise. Der schneidende Wasserstrahl kann feiner als 0,1 Millimeter sein.
Abrasiv-Wasserstrahlschneiden
Um harte Werkstoffe wie z. B. Metalle mit dem Schneide-Verfahren Wasserstrahlschneiden zu durchtrennen, muss dem Wasserstrahl ein Schneidemittel (Abrasiv) z. B. Granatsand beigemischt werden. Dadurch besteht der schneidende Strahl, auch Abrasivstrahl genannt, aus Wasser und dem Schneidemittel.
Beispiele für Materialien, die mit dem Verfahren Abrasiv-Wasserstrahlschneiden schneidbar sind:
- Aluminium
- Stahl
- Titan
- Glas
- Panzerglas
- Keramik
- Gestein
Beim Abrasiv-Wasserstrahlschneiden verfügt die Wasserstrahlanlage über einen Schneidkopf, der aus drei Komponenten besteht: Reinwasser-Fokussierdüse, Abrasiv-Mischkammer und Abrasivfokussierdüse. Im ersten Schritt wird das hochkomprimierte Wasser durch die Reinwasserdüse zu einem Strahl geformt. Dieser geformte Strahl schießt mit einer Geschwindigkeit von 1000 m/s durch die Mischkammer und erzeugt dadurch einen Vakuum im Schneidkopf. Eine kleine Öffnung im Schneidkopft sorgt jetzt dafür, dass Schneidemittel (Abrasiv) in die Mischkammer gesaugt und mit dem Wasserstrahl vermischt wird. Das dadurch entstehende Wasser-Abrasiv-Gemisch wird dann in der Abrasivdüse fokussiert und tritt zum Schneiden aus. Der Schneiden mit einem Abrasivwasserstrahl hat den Vorteil, dass bei langsamen schneiden die Qualität des Schnittbilds besser wird. Denn durch das Wasser wird das Material nicht erwärmt und es finden keine thermischen Reaktionen, wie Wärmeausdehnung, statt. Nachteil ist jedoch, dass Wasserspritzer und Abrasivsand die Anlage mehr verschmutzen. Es ist daher unumgänglich, dass die Anlage, insbesondere Führungen und Lager, durch Faltenbeläge oder verdeckte Führungen abgedichtet werden.
Einsatzgebiete Wasserstrahlschneiden
Branchen in denen Wasserstrahlschneiden eingesetzt wird:
- Werkzeugbau
- Feinmechanik
- Automotive
- Baugewerbe
- Architektur
- Design
- Apparatebau
- Maschinenbau
- Anlagenbau Windkraft
- Messebau
- Küstenschutz
Mikrowasserstrahlschneiden
Mit dem Verfahren Mikrowasserstrahlschneiden (englisch: Microwaterjet) ist es möglich noch präzisere Schnitte zum machen, da der Strahldurchmesser bei diesem Verfahren verkleinert wird. Der Mikrowasserstrahl kann eine Schneidegenauigkeit von +/-0,01 mm und eine Positionsgenauigkeit von +/- 0,005 mm erreichen. Somit wird auch die Schnittbreite reduziert. Beim Reinwasserverfahren kann die Schnittbreite auf 0,08 mm und beim Abrasivverfahren auf 0,2 mm verringert werden.
3D Wasserstrahlschneiden
Das Wasserstrahlschneiden ermöglicht auch ein dreidimensionales Schneiden. Es lassen sich mit dem 3D Wasserstrahlschneiden komplexere Einzel- oder Serienteile anfertigen. Dabei bestimmen die Eigenschaften der Wasserschneideanlage wie genau und in welcher Komplexität dreidimensionale Schnitte möglich sind. Im Vergleich zum zweidimensionalen Wasserstrahlschneiden ist der Schneidekopf beim 3D Wasserstrahlschneiden schwenkbar, wodurch ein dreidimenisonales Schneiden möglich wird.
Vorteile
Beim Wasserstrahlschneiden wird ein Hochdruckwasserstrahl zum Schneiden eines Werkstückes verwendet, deshalb treten am Werkstück keine Veränderungen des Materials auf. Dies ist im Vergleich zu anderen Schneide-Verfahren eines der größten Vorteile des Wasserstrahlschneidens.
Weitere Vorteile sind folgende:
- Das Wasserstrahlschneiden ist ein Kaltschneideverfahren. Daher erzeugt es keine Gefügeveränderungen im Material.
- Während des Schneidprozesses treten nur in geringem Maße Tangentialkräfte auf, so dass eine zeitraubende Werkstofffixierung im Vorfeld nicht nötig ist.
- Ein Nachschärfen von Werkzeugen ist nicht erforderlich.
- Schnittspalt wird durch das Wasser ständig gekühlt
- Es besteht keine Gefahr, das am Werkstück Verzug oder Verfärbungen stattfinden.
- Thermische und chemische Deformationen sind aufgeschlossen.
- Sogut wie alle Materialien sind mit der Methode des Wasserstrahlschneidens schneidbar.
- Das Schneiden findet ein umweltfreundliches Arbeiten ohne Entwicklung von giftigen Gasen oder Dämpfen statt.
- Es werden nur Naturstoffe verwendet.
- Aufgrund von gratfreien Schnittkanten und hohe Präzision des Schneide-Verfahrens, besteht kein Bedarf an Nachbearbeitung.
- Auch dicke Werkstoffe lassen sich mit diesem Schneide-Verfahren schneiden.
- Im Gegensatz zur Lasermaterialbearbeitung ist das Wasserstrahlschneiden flexibler einesetzbar und kann dort eingesetzt werden wo bspw. die Lasermaterialbearbeitung an ihre Grenzen stößt.
Nachteile
Trotz der vielen Vorteile, hat das Wasserstrahlschneiden auch Nachteile, welche unten aufgelistet sind:
- Die Schneide-Geschwindigkeit ist im Vergleich zu anderen Schneide-Verfahren langsam.
- Durch Reibungskräfte an der Schnittfläche, kommt es dazu, dass der Schneide-Strahl mit wachsender Tiefe an Energie verliert und sich dadurch die Schnittqualität verschlechtert.
- Das zu schneidende Material ist im ständigen direktem Wasserkontakt.
- Das Schneide-Wasser muss später aufgearbeitet bzw. gefiltert werden. Das Abrasivmittel muss gesondert entsorgt werden.
Wasserstrahlschneidsysteme
Wasserstrahlschneidmaschinen bzw. Wasserstrahlschneidsysteme sind Werkzeugmaschinen, mit denen das Trennen von Werkstücken mittels dem Verfahren des Wasserstrahlschneidens möglich ist. Es gibt viele Hersteller von Wasserstrahlschneidmaschinen.
Hochdruckpumpe Wasserstrahlschneidemaschine
Die Hochdruckpumpe bei einer Wasserstrahlschneidemaschine dient zur Erzeugung eines pulsationsfreien Hochdruckstrahles. Hierbei werden zwei unterschiedliche Technologien eingesetzt: Hochdruckpumpen mit Druckübersetzer und Hochdruckpumpen mit Direktantrieb.
Funktionsprinzip der Hochdruckpumpen mit Druckübersetzer
Wasser wird aus der lokalen Wasserversorgung entnommen und mittels einer Druckerhöherpumpe mit bis zu 7 bar mit druckbeaufschlagt. Das Wasser strömt über ein Filtersystem in die Hochdruckzylinder des Druckübersetzers. Das Funktionsprinzip des Druckübersetzers besteht aus einem Primärkreislauf, der mittels elektrisch angetriebener Hydraulikpumpe bei maximal 200 bar Hydrauliköl über ein Vier-Wege Ventil abwechselnd in die rechte oder linke Seite des Hydraulikzylinders fördert.
Die beiden Kolbenstangen, welche beidseitig im Hydraulikkolben montiert sind, verdichten das anstehende Wasser in den beiden Hochdruckzylindern des Druckübersetzers. Diese Hochdruckzylinder sind Teil des sekundären Wasserkreislaufs. Ausreichend dimensionierte Rückschlagventile an den beiden Enden der Hochdruckzylinder regeln das Ansaugen des Frischwassers in den Hochdruckzylinder sowie die Förderung des druckbeaufschlagten Schneidewassers zum Pumpenausgang. Der Wasserdruck von ca 6.200 bar wird über das Kolbenflächenverhältnis von ca. 38,5:1 erzeugt. Ein Druckspeicher (Druckspitzendämpfer) ist eingebaut, um das Hochdrucksignal am Ausgang der Hochdruckpumpe während des Richtungswechsels des Hydraulikkolbens annährend konstant zu halten. Die Hochdruckpumpe ist über eine hochfeste Edelstahlrohrleitung mit dem Schneidkopf verbunden. Eine Saphir- oder Diamantdüse im Schneidkopf bündelt den Druck in einen ultraschnellen Wasserstrahl (Geschwindigkeit ca. 800 - 1.000 m/s).
Funktionsprinzip der Hochdruckpumpen mit Direktantrieb
Ein Elektromotor treibt über ein einfach zu wartendes Riemenscheibensystem direkt drei kurbelwellengetriebene Kolben an, die dann wiederum den Hochdruck-Wasserstrom generieren. Die Kolben arbeiten um 120° phasenverschoben, so dass das Drucksignal auch ohne Druckspeicher sehr konstant ist. Zudem sorgt die direkte Kraftübertragung für einen relativ hohen Wirkungsgrad von bis zu 85 %.
Vergleich: Druckübersetzer vs. Direktantrieb
Vorteile Druckübersetzer
- Schneidet auch sehr dicke und harte Materialien dank des maximalen Schneiddrucks von 6.200 bar
- Geeignet für Mehrschichtbetrieb
- Ermöglicht Betrieb von mehreren Pumpenarten in einem Netzwerk
- Zuverlässig auch bei hohen Schaltzyklen der Schneidköpfe
Vorteile Direktantrieb
- Hoher Wirkungsgrad zeigt sich vor allem bei kontinuierlichen Schneidprozessen
- Schonende Bearbeitung von spröden Materialien dank des minimalen Schneiddrucks von 100 bar
- Geringe Anfangsinvestition
- Geringer Platzbedarf
Entsorgung Schneidwasser
Da bei der Abrasiv-Methode ein Schneidschlamm entsteht, sollte eine automatische Schlammabsaugung (SEBA-System) eingebaut werden. So können im Wasserbecken das Abrasiv und weitere Fremdstoffe durch Düsen abgesaugt und in spezielle Filtersysteme gepumpt werden. Big Bags sammeln den Schlamm, wodurch ein leichter Abtransport möglich wird. Eine manuell Reinigung ist mit SEBA-Systemen nicht nötig. So können gleichzeitig Stillstandszeiten vermieden werden.
Steuerung Wasserstrahlschneidemaschine
Wasserschneidanlagen werden hauptsächlich mit einer CNC-Steuerung ausgestattet. Die CNC-Steuerung können von einer einfachsten Ausführung bis hin zu höherwertigeren Steuerungen, die z. B. beim Schneiden alle Achsen interpolieren. Darüber hinaus gibt es auch PC-Steuerungen, die den Vorteil der einfachen Einarbeitung für Bediener bieten, die sich mit CNC-Steuerungen nicht auskennen.
Anbieter von Wasserstrahlschneiden
- Metalltechnik bietet ein Serviceprofil an, welches Schneidleistung und Einzelfertigung sowie Gesamtaufträge in Serienfertigung mit der Wasserstrahlschneidtechnik umfasst.
- KMT Waterjet stellt Hochdruckkomponenten für Wasserstrahlschneidanlagen zum 1-, 2-, 3-dimensionalen Wasserstrahlschneiden und für Roboteranwendungen her.
- AquaContour ist Dienstleister für die Wasserstrahlschneidetechnologie sowie das Laserstrahlschneiden.
- Die Gebrüder Hohl sind ebenfalls Dienstleister für Präzisions-Wasserstrahlschneiden und Laserbeschriften. Hauptaugfabe des Unternehmens ist die Beschriftung von Schildersystemen und Metallbuchstaben.
Wasserstrahlschneidmaschinen
Bauarten
Es gibt zwei verschiedene Bauarten:
- Wasserstrahlschneidanlagen aus normalem Stahl mit Schutzanstrich gegen Rost
- Wasserstrahlschneidanlagen aus Edelstahl oder anderen Materialien, die nicht rosten
Mikrowasserstrahlschneidsysteme
Mikrowasserstrahlschneidmaschinen agieren im Mikrometerbereich (teilweise bis zu 0,1 Mikrometer). Eingesetzt werden die Maschinen, wenn höchste Präzision bei kleinen Bauteilen, die kleine Abmessungen besitzen. Beispielsweise werden Herzschrittmacher aus einem Spezialstahl hergestellt, der aus einer Folie zugeschnitten werden muss. Eine große Schwierigkeit stellt das Fixieren der kleinen, leichten Materialien und Ausschnitte dar. Hierbei kann die Mikrowasserstrahlschneidmaschine sehr gut ansetzen, da sie für kundenspezifische Anforderungen geeignet ist und beispielsweise Maschinenbetten aus Granit hat. Diese vermeiden Schwingungen und lassen die Maschine eine optimale Schnittqualität hervorbringen. Auch der Linearantrieb unterstützt hier positiv.
Pumpensysteme
Es können zwei Pumpensysteme mit verschiedenen Eigenschaften eingesetzt werden. Je nach Wirtschaftlichkeit und Anschaffungspreis entscheidet man sich für ein Pumpensystem:
- Druckübersetzer-Pumpen
- Direktangetriebene Pumpe
Unterschiede der Pumpensysteme zeigen sich in den Bereichen Energieverbrauch, Lebensdauer der Dichtung, Wartungsaufwand, Druckschwankungen und Lebensdauer der Düsen. Beim Schnittbild wird es - bei korrekter Anlagenauslegung - keine Unterschiede zu sehen geben.
Systemkomponenten
Zusätzlich zur Wasserstrahlschneidmaschine werden Komponenten benötigt, wie
- Programmiersystem
- Arbeitsvorbereitung
- Wasseraufbereitungsanlage
- Austragungs- und Filtersysteme (nachgeschaltet): Sie befördern den Schlamm vom Tisch in die Container oder Bigpacks
- Recyclingsysteme: Wasser und Abrasivmittel werden wieder zur neuen Nutzung aufbereitet
- Lagerverwaltung
- Aufbewahrung und Förderung des Abrasivmittels