Wasserstrahlschneidemaschine

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. Die Bearbeitung erfolgt fast ohne Erwärmung des Schneidgutes. 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, kann die Schallemission bedeutend reduziert werden.

Reinwasserschneiden

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 ca. 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.

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

Reinwasser-Fokussierdüse,
Abrasiv-Mischkammer,
Abrasivfokussierdüse.

Zuerst wird durch die Reinwasserdüse das hochkomprimierte Wasser zu einem Strahl von ca. 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). Der zur Zeit am Markt übliche Betriebsdruck liegt bei ca. 4200 bar. Die nächste Stufe von 6000 bar ermöglicht als Beispiel die Bearbeitung von Aluminium bis zu einer Dicke von 400 mm.

Anwendungen

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. Ceramic-Metallmix. 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. Er wird bei hochwertigen Maschinen spannungsarm geglüht, gefräst, geschliffen oder geschabt. Danach wird mittels eines Laserinterferometers die Geradheit des Rahmens (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 ca. 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 Kragarm, 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 zum Schneidbereich (von drei Seiten). Sie ist aber technisch der Portalbauweise unterlegen und für das Präzisionsschneiden weniger geeignet.

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 umgewandelt werden kann (in Wärme). Das Wasserbecken sollte unbedingt separat zur Führungsmaschine aufgebaut sein (keine mechanische Verbindung), 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 ca. 200 bar. Der Druck ist bei besseren Pumpen über ein Proportionalventil beliebig vom kleinsten bis zum größten Druck steuerbar. Das komprimierte Öl wird in den Hydraulikzylinder des Hochdruckübersetzers gepumpt. Hier wirkt das Öl auf eine Kolbenstange mit dem Übersetzungverhältnis (Fläche Hydraulik zur Fläche Wasser) ca. 20:1. Somit lassen sich Drücke bis in den Bereich von ca. 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 installierte Leistung beträgt heute ca. 11-90 kW. Die Fördermenge kann bis zu ca. 10,2 Liter pro Minute betragen.

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 Schneidprozesses 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. Sowjetische und US-amerikanische Minen untersuchten in den 1930er Jahren die Möglichkeit des Einsatzes eines Hochdruckwasserstrahles für den Kohle- und Erzabbau. Als in den 60er Jahren Compositmaterialien in den Flugzeugbau eingeführt wurden, regte die Firma Boeing den Einsatz eines Wasserstrahls zur Bearbeitung solcher Materialien an. Die Fa. 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 WA, USA im Jahre 1974 erfolgreich eingeführt. Seitdem ist die FLOW International Inc. mit Ihren Tochterfirmen weltweit der Marktführer industriell hochwertiger Anlagen zu Schneiden mit dem Wasserstrahl. Ende der 90er Jahre brachte FLOW ein neues Verfahren auf den Markt, das heute "Dynamic Waterjet" genannt wird. Mit diesem Verfahren ist es erstmals möglich, den physkalisch entstehenden Winkelfehler der Schnittkante zu korrigieren, sodaß man auch bei dicken werkstücken eine bisher nicht gekannte Qualität erzeugen kann. Genauigkeiten besser als 1/10 mm sind erreichbar.

Einer der ersten industriellen Anwender für die Dichtungsproduktion in Deutschland, war die Theodor Winkel GmbH in Langenhagen.

Heute gibt es mehrere Hersteller in diesem Produktsektor, die Maschinen unterschiedlicher Qualität und Preisklasse herstellen.

In Deutschland ist die Uhde GmbH Hochdrucktechik in Hagen ein Hersteller solcher Pumpen und ihrer Pumpen-Komponenten. In Deutschland ist die Ridder GmbH, aus Amerika u.a. die FLOW Europe, Omax und Romeo, aus Schweden Waterjet Anbieter von kompletten Anlagen. In Europa bietet die Perndorfer Maschinenbau KG derzeit eine umfangreiche Angebotspalette an Wasserstrahlschneideinrichtungen an.

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