Wasserstrahlschneiden

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Prinzip des Wasserstrahlschneidens
  1. Wasser unter Hochdruck
  2. Reinwasserdüse
  3. Abrasiv
  4. Abrasivfokussierdüse
  5. Führung
  6. Schneidstrahl
  7. zu schneidendes Material
Schneiden von Metallblech mit Wasserstrahl

Das Wasserstrahlschneiden ist ein Fertigungsverfahren aus der Hauptgruppe des Trennens. Dort ist es gemeinsam mit dem Laserstrahlschmelzschneiden, dem Brennschneiden und dem Plasma-Schmelzschneiden der Gruppe der abtragenden Verfahren zugeordnet. Es wird unterschieden in Wasserstrahlschneiden mit reinem Wasser und Abrasivschneiden, bei dem dem Wasser ein hartes pulverförmiges Material – das Abrasiv – zugesetzt wird. Die zugehörige Werkzeugmaschine ist die Wasserstrahlschneidemaschine.

Mit dem Reinwasserstrahlschneiden werden eher weiche Werkstoffe getrennt wie Kunststoffe, Folien, Schaumstoffe oder Papier. Das Abrasivschneiden wird bei harten Werkstoffen eingesetzt wie Stahl, Keramik oder Glas. Eine besondere Bedeutung hat es beim Trennen von Verbundwerkstoffen, die sich mit konventionellen Verfahren meist nicht zufriedenstellend trennen lassen. Außerdem ist es sehr umweltfreundlich.

Geschichte

Wasserstrahlen wurden im frühen 20. Jahrhundert im Bergbau zum Abtragen von Kies- oder Tonablagerungen eingesetzt. In den Goldminen Kaliforniens wurden damit Goldadern von Steinen und Erde getrennt. Ab 1930 verwendeten es amerikanische und russische Ingenieure zum Putzen von Gussstücken. Damals wurden Drücke von nur 100 bar genutzt. Das erste Patent ging an Norman Franz für eine Maschine, die mit 700 bar arbeitete. In den späten 60er Jahren wurde es in der Flugzeugindustrie genutzt, um Teile zu trennen, die auf Wärme empfindlich reagieren wie Faserverbund-, Waben- und Schichtwerkstoffe. Ab 1974 verwendete man harte Partikel als Zusatz im Wasserstrahl was die Qualität der Werkstücke und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich steigerte und so zu seinem Durchbruch in der industriellen Anwendung führte.[1][2] 1975/76 wurden Baustoffe, Kunststoffe und Wellpappe mit dem Verfahren getrennt.

Wirkmechanismen und physikalische Grundlagen

Der Materialabtrag beim Wasserstrahlschneiden beruht auf dem hohen Druck, den der Strahl auf der Oberfläche des Werkstücks verursacht. Dies ist ein wichtiger Unterschied zu konkurrierenden Verfahren, die auf thermischer Energie basieren wie das Laserstrahl-, Plasma- und Autogenbrennschneiden. Der Wasserstrahl trennt dabei ausschließlich oberflächennahe mikroskopische Partikel ab. Es kommt daher zu keinen Dehnungen des Werkstücks aufgrund von Wärme oder Bearbeitungskräften. Das von der Wirkstelle quer abfließende Wasser verursacht zusätzlich noch Scherkräfte die ebenfalls zum Materialabtrag beitragen.[3] Bei hartem, spröden Material wie Keramik oder Gusseisen führen die Druckkräfte zu Mikrorissen an der Oberfläche die sich fortpflanzen und vereinigen und so Partikel ablösen. Bei weichen, zähen (duktilen) Werkstoffen wie Stahl kann sich das Material zunächst plastisch verformen, ohne sich abzulösen. Es kann dann zur Kaltverfestigung kommen, was zu einer Versprödung des Materials führt und so den Materialabtrag erlaubt. Außerdem kann es bei Metallen zu Veränderungen der Kristallstruktur kommen. Durch die Verformungen werden Versetzungen und Anhäufungen von Leerstellen im Gitter begünstigt, die ebenfalls zur Rissbildung führen.[4]

Wenn der Schneidstrahl tiefer in den Werkstoff eindringt, schiebt er dabei ein Abraumpolster vor sich her und verliert wegen der Reibung an den Schnittfugen an Energie. Die erreichbare Qualität der Schnittfuge gemessen als Rauigkeit, nimmt daher kontinuierlich ab. An der Fuge kommt es, ähnlich wie beim Brennschneiden, zu einem typischen Muster in Form einer Riefenstruktur die als „Rillennachlauf“ bezeichnet wird.[5]

Die Strahlleistung am Düsenausgang kann aus dem Querschnitt der Düse, der Dichte der Flüssigkeit und der Strahlgeschwindigkeit berechnet werden zu[6][7]

.

Die Strahlgeschwindigkeit hat also einen sehr hohen Einfluss auf die Leistung der proportional zu ist. Die Strahlgeschwindigkeit entspricht unter Vernachlässigung von Rohr- und Düsenreibung

Demzufolge sind die wesentlichen Einflüsse auf die Strahlleistung der Durchmesser der Düse und der Druck. Dabei ist jedoch zu beachten, dass bei den sehr hohen Drücken das Wasser nicht mehr als näherungsweise inkompressibel gelten kann. Von 1 auf beispielsweise 4000 bar wird Wasser dank seiner Kompressibilität um 13,2 % seines Volumens komprimiert.[8]

Systemkomponenten

Die Maschinen bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten:[9]

  • Einer Wasseraufbereitung zum Entsalzen und Filtrieren um den Verschleiß der Bauteile zu verringern,
  • der Hochdruckerzeugung mittels Pumpen und
  • der eigentlichen Strahlerzeugung mit einer Düse deren Durchmesser zwischen 0,1 mm und 0,5 mm liegt.

Technologie

In der industriellen Praxis werden Drücke zwischen 1000 und 4000[10] bar und Geschwindigkeiten von etwa 900 m/s genutzt. Als Verfahrensparameter werden grundsätzlich Pumpendruck, Düsenabstand, Düsendurchmesser und die Vorschubgeschwindigkeit genutzt. Sie bestimmen den Energieeintrag an der Wirkstelle und auch das Arbeitsergebnis bezüglich der erreichten Oberflächengüte und der Produktivität. Falls dem Strahl noch Abrasivmittel zugesetzt werden ergeben sich weitere Stellgrößen: Die Feststoffart (Härte), die Körnung, der Massenstrom, Fokusdurchmesser und die Fokuslänge. Die Feststoffe führen zu einer breiteren Fuge, erhöhen jedoch das Trennvermögen.[11]

Der Arbeits- oder Schneiddruck auf der Werkstückoberfläche bestimmt die Schnitttiefe. Ein Druck von mindestens 600 bar ist nötig, um überhaupt einen Materialabtrag zu gewährleisten. Danach steigt die Schnitttiefe mit zunehmendem Druck linear an. Schneiddrücke von bis zu 6200 bar sind im Einsatz. Der Düsendurchmesser ist direkt proportional zur Schnitttiefe, der Düsenabstand dagegen umgekehrt proportional.[12]

Reinwasserschneiden

Dabei wird das Werkstück durch einen Strahl aus reinem Wasser getrennt. Mit Reinwasser werden vor allem weiche aber auch zähe Werkstoffe bearbeitet. Dazu zählen etwa Kunststofffolien, Textilien, Elastomere, Thermoplaste, Papier, Faserstoffe, Schaum- und Dämmstoffe und Lebensmittel. Bei einem Druck von 4000 bar können zum Beispiel Textilien bis zu einer Dicke von 30 mm getrennt werden. Reinwasserschneiden ist umweltschonend: Es entstehen keine Späne, Schleifstäube, toxische Gase oder Luftverschmutzungen. Kühlschmierstoffe sind unnötig und das verwendete Wasser kann als Kreislaufmaterial genutzt werden.[13] Beim Reinwasserschneiden hat der Strahl einen sehr kleinen Durchmesser und neigt nicht zur unerwünschten Tropfenbildung. Bei geringen Materialdicken lässt sich damit das beste Ergebnis erzielen.[14] Hauptsächlich kommen Maschinen mit mehreren Düsen zum Einsatz, die auf einer oder mehreren Traversen laufen.

Werkstoff[15] Dicke in mm Vorschub in m/min
Gummi 025 03
Leder 005 03
Papier / Karton 000,2–5 20–500
Kunststoffe (PVC) 005 02,5
Glasfaserverstärkter Kunststoff 005 00,15
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff 005 00,1
Sperrholz 005 05
Dämmstoffe 100 08

Abrasivschneiden

Um aus dem Reinwasserstrahl einen Abrasivwasserstrahl zu erzeugen, wird im Schneidkopf, in einer zusätzlichen Mischkammer, ein Abrasivmittel hinzugefügt. Für harte oder dicke Werkstücke wird das Abrasivschneiden eingesetzt. Als Abrasiv dient meist Granat- oder Olivsand, manchmal auch Korund für weichere Werkstoffe. Damit lassen sich Stein, Panzerglas, Keramiken, Grafit, Holz, Marmor und alle Metalle trennen. Laminate, die aus Werkstoffen mit verschiedenem Schmelzpunkt bestehen, lassen sich sogar nur mit diesem Verfahren sauber trennen. Die Bearbeitung von Stählen bis zu einer Dicke von 50 mm oder von sonstigen Metallen bis 120 mm ist möglich.[16] Durch die hohe Strahlgeschwindigkeit entsteht ein Unterdruck im Schneidkopf, dadurch wird Abrasiv in die Mischkammer gesaugt und mit dem Wasser vermischt. Das Gemisch wird durch die Abrasivdüse fokussiert und beschleunigt.[17] Der Strahldurchmesser ist etwa 0,2 mm größer als beim Reinwasserschneiden. Dafür steigt das Schneidvermögen mit der Härte des verwendeten Abrasivs.[18]

Werkstoff[19] Dicke in mm Vorschub in m/min
Stahl 25 0,5
Titan 20 0,3
Aluminium 30 0,75
Faser-Kunststoff-Verbund 05 6
Naturstein 50 0,075
Keramik 30 0,05
Glas 35 0,04
Beton 50 0,075

Fehler am Werkstück

Rillenfehler (Schleppfehler)

Rillenfehler betreffen die Oberflächenqualität der Fuge. Der Rillenfehler nimmt mit steigender Schneidgeschwindigkeit zu. An geraden Schnitten ist der Einfluss relativ klein, an Stellen mit großer Krümmung wie Ecken kann er sehr groß werden. Daher sollten Ecken mit einer niedrigeren Geschwindigkeit geschnitten werden.[20]

V-förmige Schnittflächen

V-förmige Schnittflächen entstehen ähnlich wie beim Plasma-Schmelzschneiden. Bei hohen Schneidgeschwindigkeiten ist die Fuge auf der Oberseite breiter als auf der Unterseite. Bei kleinen Geschwindigkeiten ist es andersherum. Dazwischen gibt es eine Geschwindigkeit, bei der die Schnittflächen parallel verlaufen. Der Winkelfehler nimmt ab: [21]

  • je kleiner der Düsenabstand ist
  • je härter der Werkstückwerkstoff ist
  • je gleichmäßiger das Abrasiv ist
  • je geringer die Werkstückdicke ist
  • je besser der Fokus der Düse ist.

Anwendung

Wasserstrahlen werden neben dem Schneiden auch zum Entgraten, Gussputzen und Wasserstrahlen (Säubern von Oberflächen) eingesetzt.

Das Wasserstrahlschneiden wird eingesetzt, wenn die zu bearbeitenden Werkstoffe temperaturempfindlich sind. Durch den feinen Strahl können sehr filigrane und komplexe Konturen geschnitten werden. Der Schnitt kann an einer beliebigen Stelle des Werkstücks beginnen und muss bei Blechen oder Folien nicht notwendigerweise am Rand beginnen. Werkstoffe, die eine Licht reflektierende Oberfläche haben, lassen sich mit Lasern nur schwer bearbeiten; bei Wasserstrahlen verursachen sie dagegen keine Probleme. Kohle- oder glasfaserverstärkte Kunststoffe lassen sich mit dem Wasserstrahlschneiden besonders gut bearbeiten, verglichen mit spanenden Verfahren, die zur Zerstörung der Werkstoffe führen. Der Wasserstrahl kann im Gegensatz zu festen Werkzeugen nicht verklemmen. Wegen der niedrigen Bearbeitungstemperaturen entstehen bei der Kunststoffbearbeitung keine giftigen Dämpfe.

Nachteilig ist die schräge Schnittkante, die zu relativ schlechten Form- und Lagetoleranzen führt.[22]

Einzelnachweise

  1. ↑ Fritz, Schulze: Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 408.
  2. ↑ Risse: Fertigungsverfahren der Mechantronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik, Springer, 2012, S. 133 f.
  3. ↑ König, Klocke: Fertigungsverfahren 3 - Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, 4. Auflage, 2007, S. 321.
  4. ↑ Risse: Fertigungsverfahren der Mechantronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik, Springer, 2012, S. 136f.
  5. ↑ Fritz, Schulze: Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 408.
  6. ↑ Fritz, Schulze: Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 408.
  7. ↑ König, Klocke: Fertigungsverfahren 3 - Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, 4. Auflage, 2007, S. 322.
  8. ↑ Risse: Fertigungsverfahren der Mechantronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik, Springer, 2012, S. 136.
  9. ↑ König, Klocke: Fertigungsverfahren 3 - Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, 4. Auflage, 2007, S. 323 f.
  10. ↑ Fritz, Schulze: Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 409.
  11. ↑ König, Klocke: Fertigungsverfahren 3 - Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, 4. Auflage, 2007, S. 326 f.
  12. ↑ Risse: Fertigungsverfahren der Mechantronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik, Springer, 2012, S. 138 f.
  13. ↑ Fritz, Schulze: Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 410.
  14. ↑ König, Klocke: Fertigungsverfahren 3 - Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, 4. Auflage, 2007, S. 327.
  15. ↑ König, Klocke: Fertigungsverfahren 3 - Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, 4. Auflage, 2007, S. 327.
  16. ↑ Fritz, Schulze: Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 411.
  17. ↑ Abrasivschneidetechnik. Abgerufen am 23. Januar 2017.
  18. ↑ König, Klocke: Fertigungsverfahren 3 - Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, 4. Auflage, 2007, S. 327.
  19. ↑ König, Klocke: Fertigungsverfahren 3 - Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, 4. Auflage, 2007, S. 327.
  20. ↑ Fritz, Schulze: Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 412.
  21. ↑ Fritz, Schulze: Fertigungstechnik, Springer, 2015, 11. Auflage, S. 412 f.
  22. ↑ König, Klocke: Fertigungsverfahren 3 - Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, 4. Auflage, 2007, S. 321.

Wasserstrahlschneiden erklärt auf Youtube

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