Wasserstrahlschneiden in der Anwendung

Das „Werkzeug“ Wasser

Eine kurze Einführung über die Technologie des Wasserstrahlschneidens

Einführung

Die Kraft des Wassers verändert seit Urzeiten auch harte Materialien in ihrer Form, aber erst in der Neuzeit begann auch die Industrie die Kraft des Wassers gezielt zu nutzen.

Mitte der 1920-er-Jahre wurde die Spülwirkung des Wasserstrahls erstmals in Giessereien für das Nassputzen von Gußstücken, sowie im Bergbau für das Losbrechen von Kohle und Edelmetallen aus Gesteinen genutzt. Der Wasserdruck, mit dem damals gearbeitet wurde betrug maximal um die 100 bar. Erst gegen Ende der 1960-er-Jahre erhielt in den USA ein Dr. Norman Franz erstmals ein Patent für das erste Konzept eines Hochdruck-Wasserstrahlschneidsystems mit einem vorgesehenen Wasserdruck von ca. 700 bar.

Anfang der 1970-er-Jahre waren nach einer rasanten Entwicklung vor allem im Bereich der Pumpentechnologien bereits Wasserstrahldrücke bis 4000 bar möglich geworden, allerdings noch ohne die Möglichkeit harte Stoffe wie Stahl oder Stein bearbeiten zu können, da die Abtragleistung des reinen Hochdruckwasserstrahls noch zu gering war.
Anfang der 1980-er-Jahre wurde auch dieses Problem gelöst, indem dem Wasserstrahl Feststoffpartikel (”Abrasivmittel”) zugefügt wurden. Damit konnten nun fast alle Materialien bearbeitet werden – angefangen bei Schaumstoffen bis hin zu Hartmetallen.

Technologie

Die Schneidwirkung wird grundsätzlich über einen Hochgeschwindigkeitswasserstrahl erzeugt, bei dem die potenzielle Energie des Wassers bei Drücken bis mehr als  4000 bar über eine Düse in kinetische Energie mit Geschwindigkeiten bis über 800 Meter pro Sekunde (-> mehr als zweieinhalbfache Schallgeschwindigkeit!) umgewandelt wird. Ausschlaggebendes Kriterium ist beim Wasserstrahlschneiden letztlich nicht der Druck des Wasserstrahls, sondern die Geschwindigkeit mit der dieser auf den Werkstoff trifft.
Zur Erzeugung des Wasserdrucks werden hydraulische Druckübersetzer oder mechanische Hochdruckpumpen eingesetzt.

Sollen harte Materialien geschnitten werden, wird dem Wasser zusätzlich Abrasivmittel beigefügt. Dieses Abrasivmittel (Granatsand, Korund) bewirkt dabei eine Mikrozerspanung im Material.
Prinzipiell betrachtet gehört das Wasserstrahlschneiden damit zu den spanenden bzw. spanabhebenden Bearbeitungsverfahren.

Varianten

Reinwasserstrahlschneiden
Alleine die erosive Wirkung des Hochdruckwasserstrahls wird zum Materialabtrag genutzt. Einsatz vor allem bei weichen Materialien wie z.B. Kunststoffen, Schaumstoffen, Gummi und dünnen Mehrschichthölzern.

Wasserabrasivstrahlschneiden
Dem Hochdruckwasserstrahl werden gesteuert Abrasivmittel beigefügt. Die Schneidleistung hängt hierbei von der Endgeschwindigkeit der Abrasivmittelpartikel ab. Einsatz bei harten Materialien und überall dort wo spanabhebende und thermische Bearbeitungstechniken aus verschiedenen Gründen unbefriedigende Ergebnisse liefern oder nicht einsetzbar sind.

Schnittqualitäten

Mit dem Wasserstrahlschneiden lassen sich unterschiedliche Schnittqualitäten und Genauigkeiten erzeugen. In der Praxis stehen drei verschiedene Qualitäten zur Verfügung:

Trennschnitt
Geringere Schnittqualität bei hoher Wirtschaftlichkeit und Prozeßsicherheit. Ausreichend für Konturen die anschliessend weiterbearbeitet werden sollen oder bei denen die Schnittgüte und Genauigkeit eine klar untergeordnete Rolle spielen.

Produktionsschnitt
Gute Schnittqualität bei wirtschaftlichen Vorschubgeschwindigkeiten. Anwendung bei Konturen ohne erhöhte Anforderungen an die Schnittkanten. Der Produktionsschnitt bildet das ökonomische Gleichgewicht zwischen Trennschnitt und Qualitätsschnitt.

Qualitätsschnitt
Hohe Schnittqualität und hohe Genauigkeit des Werkstücks bei geringster Oberflächenrauhheit des Schnittes. Anwendung bei komplexen Konturen mit hohen Anforderungen an die Schnittgüte und Präzision. Erreichbare Oberflächenrauheit bis Ra 3,2 µm. Geringste Schnittwinkelfehler (Bei Alu bzw. Stahl mit 50 mm Dicke sind beispielsweise Winkelabweichungen kleiner als 0,1 mm erreichbar).

Die typische Schnittspaltbreite beträgt je nach Schnittechnologie und Werkstoff zwischen 0,1 und 1,5 mm.

Anwendung

Schneidbare Materialien

Metalle
Baustähle, Werkzeugstähle, Hochfeste Stähle, Verschleißstähle (Hardox),  Edelstähle (CrNi-Stähle), Aluminium, Messing, Kupfer, Titan, Gusstähle

Kunststoffe
Plexiglas (PMMA, PC), Gummi, Schaumstoffe, Dichtungsmaterialien,   faserverstärkte Kunststoffe (CFK, GFK)

Stein
Marmor, Granit, Sandstein, Keramik, Kunststein

Glas
Normalglas, Verbundglas, Panzerglas

Verbundmaterial
Waben- und Hohlkammerwerkstoffe, Metall-Kunststoff Sandwichmaterial

Holz
Spanplatten, Verbundplatten, Mehrschichtplatten, Furnierplatten

Darüber hinaus Dämm- und Isolierstoffe, Sonderwerkstoffe, Laminate etc.

Vorteile

Ein entscheidender Vorteil des Wasserstrahlschneidens liegt darin, dass es ein “kaltes” Verfahren ist!
Es wirken keine hohen Temperaturen auf die Schneidzone ein, die zu Gefügeveränderungen, Randzonenaufhärtungen oder Mikrorissen führen könnten.

Weitere Vorteile:
– keine Veränderungen des Materialgefüges
– kein Teileverzug durch minimale Bearbeitungskräfte
(ausser Materialeigenspanungen)
– kein Verschleiss des “Werkzeuges” Wasserstrahl
– hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten
– hohe Schnittgenauigkeit
– hohe Schnittkantenqualität (Qualitätsschnitt)
– geringer Nacharbeitsaufwand, da Schnitt meist gratfrei
– geringere Schnittfugenbreite
– flexible Produktion
– schnelle Prototypenherstellung, keine Werkzeugkosten
– mehrlagiges Schneiden möglich

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