Wasserstrahlschneiden

Wasserstrahlschneidanlagen bearbeiten Material ohne thermische Beeinflussung

 

Wasserstrahlschneidanlagen bearbeiten Material ohne thermische BeeinflussungDas Wasser durchbricht ganze Gebirgszüge, einzelne Tropfen höhlen massives Gestein aus. In der Natur stechen die Kraft und Härte des Wassers seit Jahrtausenden hervor. Diese Kraft macht sich die Technik seit Anfang des 20. Jahrhunderts zunutze, erst zum Schürfen von Kies und Ton, in den 1930er Jahren zum Erz- und Kohleabbau mittels eines Hochdruckwasserstrahls. Der Flugzeugbauer Boeing sorgte in den 1960er Jahren schließlich für den entscheidenden Antrieb, den Wasserstrahl als Schneidtechnik zu nutzen. 1971 wurde schließlich die erste Maschine zum Wasserstrahlschneiden gefertigt.

 

 

 

Technisches Prinzip

Eine Hochdruckpumpe sorgt dafür, dass der Wasserstrahl bei einer modernen Wasserstrahlschneidanlage – oder auch Wasserstrahlanlage genannt – auf bis zu 6.000 bar komprimiert und anschließend durch eine Düse gepresst wird. Dadurch erreicht der Strahl Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 1.000 m/s. Verglichen mit der Luft entspricht das ungefähr der dreifachen Schallgeschwindigkeit. Für hohe Materialstärken wird zum Wasserstrahlschneiden ein Schleifmittel (Abrasiv) wie Sand beigemischt. Da bei dieser Schneidtechnologie nur Naturstoffe wie Wasser und Sand zum Einsatz kommen, entstehen weder giftige Gase noch Dämpfe.

 

 

Mit reinem Wasser oder zusätzlichen Abrasivstoffen

An den Wasserstrahlschneidanlagen kommen drei Varianten dieser Schneidtechnik zum Einsatz. Das Reinwasserschneiden, Abrasivschneiden oder Mikro-Wasserstrahlschneiden wird bei unterschiedlichen Materialien und Stärken eingesetzt. Am häufigsten zum Einsatz im Bereich des Wasserstrahlschneidens kommt dabei das Abrasivschneiden, da dies bei niedrigen und hohen Werkstoffstärken gute Ergebnisse liefert. Das Reinwasserschneiden kommt dagegen überwiegend bei weichen und dünnen Materialien zum Einsatz, das Mikrowasserstrahlschneiden bei präzisesten Anwendungen.

Reinwasserschneiden

Das Reinwasserschneiden oder auch Purwasserschneiden wird in erster Linie zum Schneiden von weichen und dünnen Materialien eingesetzt, wie beispielsweise Leder, Schaumstoffen, Gummi, Papier oder Textilien. Diese Schneidtechnik nutzt ausschließlich die Strahlenergie des Wassers aus. Die größten Probleme sind dabei Strahlnachlauf und Winkelfehler. Strahlnachlauf entsteht, wenn am Eintrittspunkt schneller geschnitten wird als am Austrittspunkt, also durch das Schneiden des Materials Energie verloren geht. Durch das sinkende Energielevel des Wasserstrahls entsteht auch der Winkelfehler. Beide Phänomene können Ungenauigkeiten im Schneidprozess zur Folge haben. Um dem entgegenzuwirken kann die Schneidgeschwindigkeit verringert werden. Somit bleibt beim Reinwasserschneiden die Schneidleistung bei harten Materialien (Stahl, Granit) und höheren Stärken begrenzt.

Abrasivschneiden

Um stärkere Materialien hochwertig zu trennen, wird das Abrasivschneiden eingesetzt. Es ist dadurch charakterisiert, dass zum Wasserstrahl im Vergleich zum Reinwasserschneiden noch ein Schneidmittel, ein sogenanntes Abrasiv – wie Granatsand oder Korund – beigefügt wird. Erst durch die Beimengung der Abrasivstoffe, auch Schleifmittel genannt, können höhere Schneidgeschwindigkeiten bei stärkeren Materialien und höhere Schneidqualitäten erreicht werden. Mit dieser Schneidtechnik werden beispielsweise Aluminium, Kupfer, Edelstahl, Granit oder Marmor geschnitten. Um Abrasivschneiden zu ermöglichen, muss der Schneidkopf im Gegensatz zum Purwasserschneiden mit einer speziellen Fokussierdüse und einer Abrasiv-Mischkammer ausgerüstet werden. Die hohe Geschwindigkeit des Wasserstrahls erzeugt einen Unterdruck und zieht damit das Abrasivmittel in die Mischkammer. Im Anschluss wird das Wasser-Sand-Gemisch in einer Abrasiv-Fokussierdüse zu einem Strahl gebündelt.

Mikrowasserstrahlschneiden

Beim Mikrowasserstrahlschneiden werden Positionsgenauigkeiten von unter 1 μm erreicht, zudem ist bei dieser Form des Wasserstrahlschneidens der Winkelfehler kaum existent. Die hohe Genauigkeit wird durch ein extrem feinkörniges Schneidmittel (Abrasiv) und einen kleineren Durchmesser des Wasserstrahls erreicht. Daraus ergibt sich eine enorm hohe Reproduzierbarkeit der Bauteile. Mit dem Wasserstrahlschneiden im Mikrobereich sind auch leitende oder stark hitzeempfindliche Werkstoffe zu bearbeiten. Für optimale Ergebnisse sind neben einer präzisen und stabilen Portalschneidanlage konstante Temperaturen im Fertigungsraum und im Schneidbecken die Voraussetzung.

 

Schneidbereich und Schnittgüte

Schneidbereich und SchnittgüteMit dieser Schneidtechnik können unterschiedlichste Werkstoffe und Werkstoffverbunde getrennt werden – und zwar ohne dass sich das Schneidgut erwärmt. Da die Temperaturen in der Schnittzone bei rund 60 bis 80 °C liegen, zählt dieses Schneidverfahren zu den Kaltschneideprozessen. Wo keine Gefügeveränderungen an den Schnittkanten erwünscht sind, dort kommt das Wasserstrahlschneiden zum Einsatz. Zudem ist es möglich, beliebige Konturen zu schneiden und an jeder Stelle der Materialoberfläche zu beginnen und zu enden.

Der Nachteil bei dieser Trenntechnologie: mit zunehmender Schneidgeschwindgkeit leidet die Schnittqualität. Zudem gilt das Wasserstrahlschneiden im Bereich Metallbearbeitung im Vergleich zu anderen Schneidverfahren als recht teuer und relativ langsam. Der Schneidbereich beim Wasserstrahlschneiden liegt je nach Leistung der Hochdruckpumpe und des Werkstoffs zwischen 0,5 bis 300 mm.

 

Wo wird das Schneiden mit Wasser angewendet?

Besonders häufig kommt dieses Schneidverfahren in der Kunststoff-, Metall-, Leder- und bei der Steinbearbeitung zum Einsatz. Wasserstrahlschneidanlagen eignen sich ideal für die extrem präzise Bearbeitung von sämtlichen Metallen, Gesteinen, Panzerglas, Keramik, Kunst- und Schaumstoffen sowie vielen weiteren Werkstoffen.

Eine moderne Wasserstrahlschneidmaschine bietet zudem eine Reihe von Technologieoptionen zum Fasenschneiden, Bohren, Gewinden und Senken und ermöglicht zudem die Integration von Supporten zum Plasmaschneiden.