Wasserstrahlschneiden – die Kraft des Waterjet
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Wasserstrahlschneiden, auch als Waterjet cutting bekannt, setzt einen sehr feinen und unter hohem Druck stehenden Wasserstrahl für das Durchtrennen von Material ein. Der Waterjet mit einem Druck von bis zu 6.000 bar ist in der Lage mit herausragender Präzision zu schneiden. Das Verfahren zeichnet sich durch eine materialschonende Bearbeitung aus, da keine Materialverformung auftritt und kaum Wärme entsteht. Wasserstrahlschneiden ist vielseitig, da sich sowohl Metalle als auch Kunststoffe sowie Glas durchtrennen lassen und überzeugt mit einem sauberen Schnitt ohne Einsatz von Chemikalien. Waterjet cutting ist ideal für empfindliche Werkstoffe und komplexe Geometrien.
Die Wasserstrahlschneide
Wasserstrahlschneiden nutzt einen hochenergetischen Wasserstrahl – den Waterjet – für das Schneiden von Materialien. Das Wasser wird beim Abrasiv-Wasserstrahlschneiden mit einem beigefügten Abrasivmittel unter hohem Druck durch eine winzige Schneiddüse gepresst. An der Schneiddüse tritt ein sehr feiner Strahl aus, der in der Lage ist, nahezu jedes beliebige Material zu durchtrennen: Das Abrasivmittel verstärkt die Schneidkraft des Strahls entscheidend. Die Schneidkraft des Wasserstrahls ist dafür geeignet auch sehr harte Materialien wie Keramik, Fliesen, Stahl oder Stein problemlos, sauber und kalt zu schneiden. Weichere Materialien lassen sich mittels Reinwasserschneiden durchtrennen. Dabei handelt es sich um ein alternatives Verfahren, bei dem ausschließlich mit hochreinem Wasser gearbeitet wird.
Wasserstrahlschneidemaschinen
Moderne Wasserstrahlschneidemaschinen sind hochpräzise Bearbeitungswerkzeuge, die mit einem sehr feinen und unter hohem Druck stehenden Wasserstrahl eine Vielzahl von Materialien schneiden. Wasserstrahlschneidemaschinen spielen bei sensiblen bzw. temperaturempfindlichen Werkstoffen ihre Stärken aus, da die Technologie ohne Hitze arbeitet. Im Vergleich zu thermischen Schneidverfahren lassen sich damit Schäden wie Materialverformungen bzw. Überhitzungen vermeiden. Die Materialintegrität bleibt beim Wasserstrahlschneiden gewahrt.
Eine Hochdruckpumpe, die das Wasser auf bis zu 6.000 bar komprimiert, und die Schneiddüse, durch die das Wasser gepresst wird, sind Kernelemente der Wasserstrahlschneidemaschine. Für die Herstellung der Schneiddüse kommen sehr harte Materialien wie beispielsweise Saphir oder Diamant zum Einsatz. Als Abrasivmittel, das dem Wasserstrahl beigefügt wird, kommt typischerweise Granatsand zur Verwendung. Die Schneidfähigkeit des Waterjet erhöht sich durch das beigefügte Abrasivmittel signifikant.
Wasserstrahlschneidemaschinen sind in ihrer Anwendung erstaunlich vielseitig wie kaum eine andere Schneidtechnologie. Nahezu beliebige Materialien lassen sich schneiden.
Beispiele für weiche Materialien:
- Silikon
- Schaumstoffe
- Kunststoffe
- Verbundwerkstoffe
Beispiele für harte Materialien:
- Vollhartmetalle
- Titan
- Hochtemperaturlegierungen
- Carbon
- Keramik
Die Schneidtechnik ist außergewöhnlich präzise. Gängige Toleranzen sind ±0,01 mm in Abhängigkeit von Material und Materialstärke. Selten sind Maschinen auch in der Lage Toleranzen im Bereich weniger Hundertstel Millimeter zu schneiden. Abhängig von der weiteren Verarbeitung lassen sich Nachbearbeitungsschritte wesentlich reduzieren oder es kann auf eine Nachbearbeitung verzichtet werden.
Üblich ist eine CNC-basierte Steuerung der Wasserstrahlschneidemaschine. Für die Programmierung der Schneidpfade kommt CAD-/CAM-Software zum Einsatz. Damit sind komplexe Geometrien sowie komplizierte Designs mit filigranen Details möglich. Wasserstrahlschneidemaschinen sind ein unverzichtbarer Bestandteil in der Fertigung von Bauteilen für Automobilindustrie, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt sowie für das Baugewerbe und die Kunst.
Ein Wasserstrahlschneider basiert auf mehreren Hauptkomponenten. Erfahren Sie hier weitere wissenswerte Fakten über den Aufbau einer solchen Wasserstrahlschneidanlage.
Hochdruckpumpe
Die Hochdruckpumpe erzeugt den für das Wasserstrahlschneiden benötigten hohen Druck. Die Pumpe ist in der Lage einen Druck zwischen 3.000 und bis zu 6.000 bar zu erzeugen. Damit ist der von der Hochdruckpumpe erzeugte Wasserdruck etwa 1.500 mal höher als der übliche Druck in der Wasserleitung einer Hausinstallation. Der immense Druck ist erforderlich, um dem Wasser die für das Schneiden von Materialien nötige Energie zu verleihen.
Für Wasserstrahlschneidanlagen haben sich zwei Typen von Hochdruckpumpen etabliert:
- Verstärkerpumpen: Die auch als Intensifier Pumps bezeichneten Pumpen machen sich das Prinzip der Druckübersetzung zunutze. Mithilfe eines Hydraulikzylinders wird ein Kolben bewegt. Dieser verdichtet das Wasser in einem kleineren Zylinder auf den gewünschten Hochdruck. Verstärkerpumpen können sehr hohe Drücke erzeugen und zeichnen sich durch ihre Zuverlässigkeit sowie Robustheit aus. Daher kommen Verstärkerpumpen oft in industriellen Anwendungen zum Einsatz.
- Direktantriebspumpen: Pumpen dieses Typs verfügen über einen Motor, der eine Reihe von Kolben antreibt. Die Kolben pressen auf das Wasser und üben damit einen entsprechenden Druck aus. Die auch als Direct Drive Pumps bezeichneten Pumpen weisen eine kompakte Bauweise auf und sind im Vergleich energieeffizienter. Direktantriebspumpen sind für Anwendungen mit niedrigeren Drücken gut geeignet.
Das Wasser muss hohen Qualitätsansprüchen genügen. Um Verunreinigungen zu entfernen, filtert und demineralisiert man es entsprechend vor der Verwendung. Auch geringfügige Verunreinigungen könnten die empfindliche Hochdruckkomponente beschädigen oder zur Verstopfung der Düse führen. Ein konstanter Hochdruckstrom ist entscheidend für eine gute und gleichmäßige Schnittqualität.
Düse
Die Schneiddüse ist das zentrale Element der Maschine und formt den Wasserstrahl. Im Bereich der Düse wird der Wasserstrahl mit Abrasivmittel angereichert.
In der Regel besteht die Schneiddüse aus drei Komponenten:
- Wasserdüse: Die Düse verfügt über eine winzige Öffnung und ist in der Regel aus Saphir, Diamant oder einem synthetischen Diamantverbundwerkstoff gefertigt. Die Düse ist hochpräzise gefertigt, da sie maßgeblich den Durchmesser des Wasserstrahls bestimmt. An der Wasserdüse erfolgt die Umwandlung von statischem Wasserdruck in kinetische Energie. Der Wasserstrahl erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 1.000 m/s, was etwa der 3-fachen Schallgeschwindigkeit entspricht.
- Mischkammer: Für das Schneiden harter Materialien wie Metall, Keramik oder Stein wird der Wasserstrahl mit einem Abrasivmittel angereichert. Dabei handelt es sich um Granatsand, Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid. Über einen Trichter erfolgt die Zuführung des Abrasives in die Mischkammer. Dort werden die Teilchen des Abrasivmittels vom Hochgeschwindigkeitswasserstrahl beschleunigt.
- Fokusrohr: Der abrasive Wasserstrahl verlässt die Düse durch das sogenannte Fokusrohr. Aufgabe des Fokusrohres ist den Wasserstrahl so zu formen, dass er auf einen bestimmten Punkt des Werkstücks fokussiert wird und damit für einen präzisen Schnitt sorgt. Wasserdüse und Fokusrohr sind häufig aus Wolframkarbid gefertigt und unterliegen einem hohen Verschleiß.
Sowohl die Präzision der Düse als auch die Qualität des Abrasivmittels wirken sich maßgeblich auf die Schnittqualität, die Schnittgeschwindigkeit und die Lebensdauer der Düse aus.
CNC-Maschine
Schnitt
Beim Schneidprozess durchtrennt der Wasserstrahl das Material entlang der vorgegebenen Kontur. Dabei erodiert der Hochdruckwasserstrahl das Material an der Stelle, an welcher er auf die Materialoberfläche trifft. Die enorme kinetische Energie des Strahls sorgt für die lokale Abtragung des Materials und spült es unmittelbar weg.
Die Schnitteigenschaften werden von mehreren Faktoren beeinflusst:
- Materialart und -dicke
- Druck und Düsendurchmesser
- Art und Menge des Abrasivmittels
- Schnittgeschwindigkeit
- Wasserqualität
Warum DeSta GmbH & Co KG ?
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Vor- und Nachteile von Wasserstrahlschneiden
Wasserstrahlschneiden ist ein vielseitiges Verfahren, das den Werkstoff im Vergleich zu anderen Schneidtechniken überaus schonend schneidet. Für viele Anwendungen ist dabei der entscheidende Vorteil, dass Wasserstrahlschneiden ein ‚kalter‘ Schneidprozess ist. Beim Durchtrennen entsteht geringe Hitze, es gibt damit weder wärmebedingte Verformungen noch Aufschmelzungen oder Veränderungen der Materialstruktur an der Schnittkante. Das ist für wärmeempfindlichere Materialien entscheidend. Auch bei Anwendungen, für die eine hohe Kantenqualität und Maßhaltigkeit erforderlich sind, ist Wasserstrahlschneiden oft die Schneidtechnik der Wahl. Der Prozess ist im Vergleich zu vielen anderen Schneidtechnologien umweltfreundlicher, da das verwendete Wasser und die Abrasivmittel meist recycelbar sind und keine giftigen Dämpfe entstehen.
Dies sind die wesentlichen Vorteile von Wasserstrahlschneiden:
- Vielseitigkeit: Die Wasserstrahlschneide ist in der Lage nahezu beliebige Materialien sauber zu durchtrennen. Metalle, Naturstein, Glas, Keramik und Verbundwerkstoffe lassen sich ebenso problemlos schneiden wie Gummi, Kunststoffe, Textilien sowie Schaumstoffe.
- Präzision: Die CNC-gesteuerte Schneidtechnologie mit Waterjet ermöglicht das Schneiden komplexer Konturen mit filigranen Details mit einer hervorragenden Wiederholgenauigkeit.
- Materialschonend: Der ‚kalte‘ Prozess ist der Hauptgrund dafür, dass das Verfahren so materialschonend ist. Es funktioniert kalt und ohne thermische Beeinflussung. Ist der Werkstoff wärmeempfindlich, kann dies ein entscheidender Vorteil sein, da es beim kalten Schneiden weder zu Verzug noch zu Verformung, Verhärtung oder Verfärbung kommt.
- Saubere Schnitte: Dank Waterjet sind die Schnittkanten sauber und nahezu gratfrei. Eine Nachbearbeitung ist in deutlich reduziertem Umfang oder überhaupt nicht erforderlich. Saubere Schnitte haben für alle Anwendungen einen hohen Stellenwert, bei denen gehobene Anforderungen an die Passgenauigkeit und die Ästhetik der Werkstücke vorliegen.
- Umweltfreundlichkeit: Das kalte Schneidverfahren erzeugt weder schädliche Dämpfe noch Gase und weist eine geringe Staubbelastung auf. Das verwendete Abrasivmittel ist in der Regel nicht giftig und kann recycelt werden.
- Kosteneffizienz: Die Schneidtechnik ist dank des kalten Prozesses und dem minimierten Nachbearbeitungsbedarf für viele Materialien und Materialstärken eine effiziente Lösung.
Zu den Nachteilen von Wasserstrahlschneiden gehören:
- Niedrigere Schnittgeschwindigkeit: Im Vergleich zu anderen Verfahren wie dem Laserschneiden ist die Schnittgeschwindigkeit des Wasserstrahls geringer. Dies macht sich besonders bei sehr dicken und harten Materialien bemerkbar.
- Einschränkungen bei sehr dünnen Materialien: Bei der Bearbeitung von sehr dünnem Material kann es zu Ausfransungen kommen.
- Verschleiß der Schneiddüsen: Der Verschleiß der Schneiddüsen ist beim abrasiven Wasserstrahlschneiden hoch. Der regelmäßige Austausch der Schneiddüse ist erforderlich.
- Kosten des Abrasivmittels bei harten Materialien: Für das Schneiden von harten Materialien ist es erforderlich, die Menge des beigefügten Abrasivmittels zu erhöhen. Dies kann höhere Kosten bedingen.
- Schlammentsorgung: Die fachgerechte Entsorgung des anfallenden Schlamms, der aus Wasser, Materialabrieb und Abrasivpartikeln besteht, muss sichergestellt sein. Der dafür nötige Aufwand ist zu berücksichtigen.
- Hohe Anfangsinvestition: Eine moderne Wasserstrahlschneidanlage mit entsprechendem Steuerungssystem und einer komplexen Hochdruckpumpe ist teuer. Die Energiekosten für die Hochdruckpumpe sowie der Verbrauch an Abrasivmittel können im Vergleich zu anderen Verfahren zu höheren Betriebskosten führen.
Präzision beim Wasserstrahlschneiden
Moderne Wasserstrahlschneider weisen eine beeindruckende Präzision auf. Toleranzen bis ±0,1 mm sind üblich, für spezielle Anwendungen für dünne Materialien und optimierte Schneidparameter können noch engere Toleranzen erreicht werden. Damit ist Wasserstrahlschneiden ideal für all jene Anwendungen, bei denen präzise Abmessungen erforderlich sind. Ein entscheidender Faktor für die erreichbaren hohen Genauigkeiten ist der ‚kalte‘ Schneidprozess. Da der Waterjet im Gegensatz zu anderen Schneidtechnologien das Material kalt schneidet, werden Verformungen bzw. durch Wärme bedingte Materialveränderungen vermieden. Es kommt zu keiner Ausprägung einer Wärmeeinflusszone, die zu einer Beeinträchtigung der Präzision führen könnte.
Ist Laser- oder Wasserstrahlschneiden genauer?
Beide Technologien haben ihre spezifischen Stärken. Daher hängt es vom konkreten Anwendungsfall ab, welche Schneidtechnologie die genauere ist.
Laserschneiden ist bei sehr dünnen Materialien, die unproblematisch auf Hitze reagieren und bei komplexen Geometrien mit feinen Details oft präziser. In diesen Fällen lassen sich sehr kleine Schnittbreiten erzeugen.
Wasserstrahlschneiden hat in der Präzision Vorteile bei größerer Materialdicke sowie bei Materialien, die auf Wärme empfindlich reagieren bzw. reflektierend sind. Die Materialstruktur bleibt beim Schneidvorgang unverändert. Wasserstrahlschneiden zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sich über die gesamte Materialdicke eine gleichbleibend hohe Genauigkeit erzielen lässt.
Druck beim Wasserstrahlschneiden
Wasserstrahlschneiden bzw. Waterjet cutting setzt für das Schneiden von Materialien sehr hohe Drücke ein. Der Druck, mit dem der Wasserstrahl durch die Schneiddüse gepresst wird, liegt dabei in der Regel zwischen 2.000 und 6.000 bar (30.000 bis 90.000 psi). Moderne Hochleistungssysteme sind dazu in der Lage, Drücke bis zu 6.500 bar zu erzeugen. Der enorme Druck bewirkt die Beschleunigung des Wasserstrahls auf Überschallgeschwindigkeit, wenn das Wasser durch die feine Düse gepresst wird. Der erzeugte Strahl ist sehr dünn und energiereich.
Der spezifische Druck ist ein relevanter Parameter für das Wasserstrahlschneiden und beeinflusst das Ergebnis maßgeblich:
- Schnittgeschwindigkeit: Ein höherer Druck ermöglicht in der Regel eine höhere Schnittgeschwindigkeit. Eine schnellere Durchtrennung des Materials erlaubt die Produktionszeit zu verkürzen.
- Schnittqualität / Oberflächengüte des Schnitts: Während zu niedriger Druck zu unsauberen Kanten führen kann, ist bei zu hohem Druck eine übermäßige Gratbildung möglich bzw. kann eine Aufrauhung der Schnittfläche die Folge sein. Der richtig eingestellte Druck sorgt für saubere, glatte und präzise Schnittkanten.
- Materialdicke und -art: Je dicker und härter ein Material ist, desto höher muss der Druck sein. Im Vergleich dazu lassen sich weichere Materialien oft mit geringerem Druck schneiden. Der Druck muss demnach an den spezifischen Anwendungsfall angepasst werden.
- Abrasivmittel: Speziell beim Schneiden harter Materialien macht sich bemerkbar, dass ein höherer Druck für eine effektivere Beschleunigung der Abrasivpartikel sorgt. Damit erhöht sich die Schneidleistung für harte Materialien wie Metalle, Keramik oder Verbundwerkstoffe deutlich.
