Wasserstrahlschneidanlage

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Eine Wasserstrahlschneidemaschine bei der Herstellung eines Werkzeugmodells

Eine Wasserstrahlschneidemaschine ist eine Werkzeugmaschine zum Trennen von Materialien mittels eines Hochdruckwasserstrahles.

Verfahren

Beim Wasserstrahlschneiden wird das zu bearbeitende Material durch einen Hochdruckwasserstrahl getrennt. Dieser Strahl hat einen Druck von bis zu 6000 bar. Es werden Austrittsgeschwindigkeiten bis zu 1000 m/s erreicht. Das Schneidgut erwärmt sich dabei kaum. Durch den hohen Druck ist das Schneidwasser keimfrei (Hochdrucksterilisation). Das Wasser muss nicht besonders aufbereitet werden. Lediglich zur Erhöhung der Pumpenstandzeit ist gegebenenfalls eine Aufbereitung erforderlich, beispielsweise per Wasser-Enthärtung oder Umkehrosmose-System. Bedingt durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit des Wassers entsteht beim Schneiden ein Schalldruck von bis zu 130 dB. Durch Schneiden unter Wasser, etwa durch Erhöhung des Wasserspiegels im Strahlfänger, und durch Umgebung der Düse mit einer Wasserglocke kann die Schallemission bedeutend reduziert werden.

Reinwasserschneiden (Purwasserschneiden)

Beim Reinwasserschneiden wird lediglich die Strahlenergie des Wassers ausgenutzt. Die Schneidleistung in harten Materialien ist sehr begrenzt. Allerdings kann bei weichen Materialien der Schnittspalt lediglich 0,1 mm betragen. Zur Strahlbündelung können Polymere zugesetzt werden. Durch neueste Technologie im Hochdruckpumpensektor können heute sogar harte Materialien wie Aluminium bis etwa vier Millimeter Dicke ohne Verwendung von Abrasivmitteln mit einem 6000 bar-Wasserstrahl getrennt werden.

Abrasivschneiden

Zur Erhöhung der Schneidleistung wird dem Strahl häufig ein Schneidmittel, ein sogenanntes Abrasiv, zugesetzt. Erst durch die Beimengung eines solchen Abrasivs (wie z. B. Granat oder Korund) ist es möglich, härtere Materialien zu schneiden, die mit reinem Wasserstrahl nicht trennbar sind, oder deren Bearbeitung mit Purwasser nicht wirtschaftlich ist, bzw. wo eine höhere Schnittqualität verlangt wird.

Um abrasiv schneiden zu können, muss die Wasserstrahlanlage über einen Schneidkopf verfügen, der im wesentlichen aus drei Komponenten besteht:

1. Reinwasserdüse,
2. Abrasiv-Mischkammer,
3. Abrasivfokussierdüse / Fokussierrohr

Zuerst wird durch die Reinwasserdüse das hochkomprimierte Wasser zu einem Strahl von etwa 0,25–0,4 mm (düsenabhängig) geformt. Dieser Strahl schießt durch die Mischkammer mit bis zu 1000 m/s und erzeugt somit ein Vakuum im Schneidkopf. Durch eine kleine Öffnung im Schneidkopf kann jetzt Abrasivmittel in die Mischkammer gesaugt und mit dem Wasserstrahl vermischt werden. Das Wasser-Abrasiv-Gemisch wird dann durch die nachgeschaltete Abrasivdüse fokussiert und tritt mit einem Durchmesser von i. d. R. 0,8 oder 1 mm aus.

Das Abrasivmittel kann im Regelfall CNC-gesteuert dosiert und dem Schneidkopf zugeführt werden, entweder mit Luft als Träger, oder in einer Emulsion. Die Vorschubgeschwindigkeiten beim Wasserstrahlschneiden sind u.a. abhängig von Parametern wie Materialart und -dicke, Pumpenleistung (Literleistung und Druck), Düsenkombination (Reinwasser- und Abrasivdüsendurchmesser).

Anwendungen

Nahaufnahme einer Wasserstrahlschneidemaschine

Mit dem Hochdruckwasserstrahlverfahren können fast alle Materialien bearbeitet werden, angefangen beim Schaumstoff bis hin zum Saphir. Schwerpunkte sind die Kunststoffbearbeitung, die Metallbearbeitung, die Lederbearbeitung und die Steinbearbeitung. Durch die Möglichkeit des Schwenkens des Schneidkopfes (3D-Bearbeitung) lassen sich mittels einer Schneidvektorsteuerung fast beliebig komplizierte Formen auch im Raum schneiden.

Es lassen sich Genauigkeiten bis zu 0,005 mm/m Bearbeitungslänge erreichen. Jedoch muss dazu der Bearbeitungsraum klimatisiert werden.

Neben dem Trennen wird das Wasserstrahlschneiden auch zum Entgraten verwendet.

Ein wichtiger Aspekt, der für das Schneiden mit dem Abrasiv-Wasserstrahl spricht, ist, dass Gefügeveränderungen an den Schnittkanten ausgeschlossen werden können. Das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden wird daher mit hohem Erfolg in der Materialforschung und Konstruktion eingesetzt. Eine gute Möglichkeit bietet das Wasserstrahlschneiden, wenn es darum geht, ungleichartige Werkstücke zu schneiden, z. B. Keramik-Metallmischungen. Die Technik des Wasserstrahlschneidens wird deswegen seit Jahren in Forschungseinrichtungen eingesetzt.

Eine Standard-Anwendung des Wasserstrahlschneidens ist mittlerweile das Besäumen von Verbundlagen-Kunststoff-Armaturenbrettern für PKW mittels eines Fünfachsen-Roboters samt Wasserstrahldüse.

Maschinenkomponenten

Eine Wasserstrahlschneidmaschine besteht aus verschiedenen Komponenten, die unterschiedlich kombiniert werden können.

Maschinenrahmen

Der Maschinenrahmen, der meist aus Stahlrohr unterschiedlichen Formats zusammengebaut wird, trägt die einzelnen Achsen der Maschine. Dabei werden die Führungen bei hochwertigen Maschinen spannungsarm geglüht, gefräst, geschliffen oder geschabt. Danach wird mittels eines Laserinterferometers die Geradheit des Rahmens und der Führungsbahnen geprüft. Die Ausrichtung des Rahmens erfolgt über Fixatoren oder Dübelelemente. Standard-Bauform beim Wasserstrahlschneiden ist die sogenannte Portalbauweise (als Flachbett für Standardaufgaben oder als Hochportalanlage für Werkstücke mit extremen Abmessungen), an dem 2 Achsen ohne Verbindung den Querbalken tragen. Mit diesen Typen lassen sich fast beliebig große Maschinen realisieren (Spannweiten des Portals bis etwa 5000 mm). Bei Portalmaschinen fahren die beiden Führungsachsen in einem sogenannten Gantry-Verbund, und sind somit über die CNC-Steuerung gekoppelt (zwei Achsen verhalten sich wie eine einzige). Neben dem Portal existiert noch die Konstruktionsvariante als Tragarm, bei der der Querbalken nur einseitig geführt wird. Diese Bauform ist zwar in der Herstellung günstiger und hat einen Vorteil aufgrund der besonders guten Zugänglichkeit von drei Seiten zum Schneidbereich. Sie ist aber technisch der Portalbauweise unterlegen und für das Präzisionsschneiden weniger geeignet, weil die Tragarmbauweise grundsätzlich zum Schwingen neigt.

Strahlvernichter

Die Restenergie des Wasserstrahls, die nach der geleisteten Schneidarbeit verblieben ist, kann auf verschiedene Weise abgebaut werden. Die am häufigsten anzutreffende Variante ist ein Wasserbecken, das als "Strahlfänger" fungiert. Das Wasserbecken sollte über eine ausreichende Wassersäule von über 600mm verfügen, damit die Restenergie des Wasserstrahls in Wärme umgewandelt werden kann. Das Wasserbecken sollte unbedingt ohne mechanische Verbindung zur Führungsmaschine aufgebaut sein, da sich selbst größere Wasserbecken nach einigen Stunden Schneidzeit im zweistelligen Grad-Bereich erwärmen können. Wenn nun Führungsmaschine und Wasserbecken eine Einheit sind, führt eine solche Erwärmung zu erheblichen Veränderungen in der Maschinengeometrie. Die Folge sind Geradheitsfehler, Materialausdehnung und somit Ungenauigkeiten bei der Teileherstellung. Toleranzen im Bereich mehrerer Zehntelmillimeter sind nicht unüblich. Die Erwärmung hat allerdings Einfluss auf das Verhalten des Werkstückes und muss gegebenenfalls bei höheren Genauigkeits-Anforderungen zeitnah mit eingerechnet werden (online-CNC-Korrektur).

Neben der Verwendung feststehender Wasserbecken gibt es auch noch eine weitere Variante, nämlich den sogenannten "Catcher". Ein Catcher bezeichnet beim Wasserstrahlschneiden ein fahrbares schmales Wasserfangbecken, das sich synchron zur Bewegung der Schneidachse bewegt. Diese Catcher sind oftmals mit Keramikkugeln gefüllt, die die Restenergie umwandeln sollen. Größter Nachteil dieser Catcher sind extreme Luftschallemission von der nicht wasserbedeckten Oberseite, sowie hoher Spritzwasseranteil. Infolge wesentlich geringerer Wassermengen im Umlauf ist die Erwärmung im Catcherbetrieb weitaus schneller, jedoch vom Werkstück entkoppelt.

Hochdruckpumpe

Die Hochdruckpumpe dient zur Erzeugung eines möglichst pulsationsfreien Hochdruckwasserstrahles. Einfachste Ausführungen werden mit Druckluft betrieben, die über einen Druckübersetzer den Hochdruck liefern. Aufgrund des schlechten Wirkungsgrades kommt dies aber nur für Anlagen im Low-End-Bereich zum Tragen. In der Regel werden beim Wasserstrahlschneiden Hochdruckpumpen eingesetzt, die eine Hydraulikeinheit verwenden. Diese Einheiten erzeugen ölhydraulisch einen Vordruck von bis etwa 200 bar. Der Druck ist bei besseren Pumpen über ein Proportionalventil beliebig abregelbar. Das komprimierte Öl wird in den Hydraulikzylinder des Hochdruckübersetzers gepumpt. Hier wirkt das Öl auf eine Kolbenstange mit einem Übersetzungverhältnis von etwa 20:1 (Hydraulikfläche zur Wasserfläche). Somit lassen sich Drücke bis in den Bereich von etwa 4000 bar erzeugen. Das Hochdruckwasser, das den Hochdruckzylinder verlässt, gelangt in einen sogenannten Pulsationsdämpfer. Hierbei handelt es sich um einen Gashochdruckspeicher, einen „Pufferzylinder“ (meist mit einem oder zwei Liter Volumen), der die Druckschwankungen bei Umkehrung des Hydraulikkolbens dämpfen soll. Je größer die Pufferflasche, desto besser die Schneidleistung und -qualität. HD-Pumpen können über mehrere Hochdruckübersetzer und Pufferflaschen verfügen. Die Leistung heutiger Anlagen liegt zwischen etwa 11–149 kW. Die Fördermenge kann bis zu 15,2 Liter pro Minute betragen.

Quicktime-Film Hochdruckpumpe (Quelle: Hans Abraham Metallbau GmbH, D-90530 Wendelstein)

Entsorgung

Das mit Schneidmaterial und Abrasivstoffen vermischte Schneidwasser muss aus dem Strahlvernichter entfernt werden. Dies geschieht entweder kontinuierlich durch eine Entsorgung oder in Abständen manuell. Die kontinuierliche Entsorgung besteht entweder aus einem Kratzförderer, der die Schneidmittelreste aus dem Strahlvernichter entfernt, oder aus einem Wasserumlauf, der die Reste aus dem Strahlvernichter aussondert. Das Wasser aus dem Strahlvernichter wird dann gefiltert und dem Schneidbecken wieder zugeführt.

Steuerung

Wasserstrahlschneidanlagen werden durchgängig mit CNC-Steuerungen ausgerüstet. Neben einfachsten Ausführungen, die nur eine Plottersteuerung zulassen, verfügen höherwertige Maschinen über Steuerungen, die sowohl alle Achsen interpolieren können als auch eine adaptive Vorschubgeschwindigkeitsreduktion abhängig vom Schneidprozess durchführen können. Hier existiert neben einer CAD-Schnittstelle auch oft eine CAM-Anbindung.

Geschichte

Seit etwa 1900 wurde der Wasserstrahl zum Schürfen in Kies- und Tonablagerungen verwendet. In sowjetischen und US-amerikanischen Minen wurde in den 1930er Jahren die Möglichkeit des Einsatzes eines Hochdruckwasserstrahles für den Kohle- und Erzabbau untersucht. Als in den 1960er Jahren Verbundwerkstoffe im Flugzeugbau eingeführt wurden, regte die Firma Boeing den Einsatz eines Wasserstrahls zur Bearbeitung solcher Materialien an. Die Firma Ingersoll Rand, heute KMT (Schweden), lieferte 1971 die erste einsatzfähige Wasserstrahlschneideanlage. Kurz darauf engagierte sich FLOW International (USA) in diesem Markt.

Das Verfahren des Abrasivstrahlschneidens wurde durch Mohamed Hashish von der FLOW International Inc. in Kent/Washington, USA im Jahre 1974 erfolgreich eingeführt. Bis heute ist FLOW International Inc. mit Ihren Tochterfirmen weltweit der Marktführer industrieller Anlagen. Ende der 90er Jahre brachte FLOW ein neues Verfahren auf den Markt, das heute Dynamic Waterjet genannt wird. Mit diesem Verfahren ist es möglich, den durch die Strahlaufweitung entstehenden Winkelfehler der Schnittkante zu korrigieren, sodass man auch bei dicken Werkstücken sehr genau schneiden kann. Dynamic Waterjet liefert ohne weitere Korrekturen Genauigkeiten im Bereich +/- 0,04 mm. Genauigkeiten besser als 1/10 mm sind jedoch mit jeder hochwertigen 5-Achsen-Anlage erreichbar.