Wasserstrahlschneiden

Wasserstrahlschneiden  | Infos zur Wasserstrahltechnik

 

Das Wasserstrahlschneiden (engl. Waterjet) ist eine Kaltschneidtechnologie. Mit Hilfe eines Wasserstrahls wird das Material ohne thermische Beeinflussung getrennt. Zum Einsatz kommt entweder gefiltertes Wasser oder es wird ein Abrasivmittel (z.B. Sand) beigefügt.

 

 

Wasserstrahlschneiden Historie

Das 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.

Vorteile vom Wasserstrahlschneiden

  • Hohe Qualität der Schnittkanten
  • Keine thermische Beeinflussung
  • Vielseitig einsetzbar
  • Verwendbar für sehr viele Materialien

Wasserstrahltechnik

Schematische Darstellung von der WasserstrahltechnikEine Hochdruckpumpe sorgt dafür, dass der Wasserstrahl bei einer modernen Schneidmaschine 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 Schneidtechnik nur Naturstoffe wie Wasser und Sand zum Einsatz kommen, entstehen weder giftige Gase noch Dämpfe.

 

Mit reinem Wasser oder zusätzlichen Abrasivstoffen

An den CNC-Maschinen kommen drei Varianten dieser Wasserstrahltechnik 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 Wasserstrahltechnik 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 0,01 mm 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

Schneidbereich und SchnittgüteSchneidkopf beim WassertrahlschneidenMit dieser Wasserstrahltechnik 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 Wasserstrahltechnologie: 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.

 

Anwendungsbereich vom Wasserstrahlschneiden

Besonders häufig kommt das Wasserstrahlschneiden 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.

Wasserstrahlschneidanlagen bearbeiten Material ohne thermische BeeinflussungWasserstrahlschneiden mit einer MicroStep Wasserstrahlschneidmaschine AquaCut

FAQ: Wir beantworten Ihre Fragen

Wie funktioniert CNC-Wasserstrahlschneiden?

Eine Ultrahochdruckpumpe erzeugt einen Wasserstrahl mit einem Druck von bis zu 6.000 bar. Dieser Wasserstrahl wird durch eine Diamant- oder Saphirdüse geleitet und mit Granatsand vermischt. Der dadurch entstandene abrasive Wasserstrahl durchdringt nahezu jedes Material. Eine CNC-Maschine bewegt den Strahl durch das Werkstück.

Welche Materialien können mit Wasserstrahlschneiden bearbeitet werden?

Eine Wasserstrahlschneidmaschine kann nahezu jedes Material schneiden. In der iIndustriellen Anwendung werden Stähle jeglicher Art und Legierungen, alle Nichteisenmetalle, Granit, Keramik, Glas und Kunststoffe geschnitten. Mit dem reinen Wasserstrahl werden auch Stoffe, Leder, Gummi und Dichtungen aller Art geschnitten.

Wie dick darf das Material beim Wasserstrahlschneiden sein?

Man kann grundsätzlich auch Materialstärken bis 500 mm Dicke schneiden. Die Schneidzeit ist jedoch umso länger, je dicker das Material ist. Sinnvoll schneiden, lassen sich Stahl bis etwa 80 mm und Aluminium bis etwa 120 mm,. Granit bis 100 mm und Keramik bis ca. 30 mm.

Kann man mit Wasserstrahlschneiden alle Materialien trennen?

Mit dem reinen Wasserstrahl werden weiche Materialien wie Gummi, Leder und Teppiche geschnitten. Mit dem abrasiven Wasserstrahl kann man fast jedes Material schneiden. In der Praxis überwiegend Stähle, Edelstähle, Nichteisenmetalle, Fliesen, Küchenarbeitsplatten, Glas und Kunststoffe geschnitten.

Wasserstrahlschneiden von Holz?

Holz eignet sich sehr gut für das Wasserstrahlschneiden. Speziell im Möbelbau, wo feine Konturen geschnitten werden müssen, ist das Wasserstrahlschneiden eine weit verbreitete Technologie. Die Feuchtigkeit spielt dabei kaum eine Rolle, da das Wasser an der Schnittkante nur wenige Millimeter ins Material dringt und dort sehr schnell wieder trocknet.

Wird beim Wasserstrahlschneiden nur mit Wasser geschnitten oder ist da etwas anderes mit drin?

Man schneidet weiche Materialien wie Leder, Gummi, Teppich oder Dichtungspapier mit dem reinen Wasserstrahl. Für harte und spröde Materialien, Metalle, Glas und Kunststoffe, wird dem Wasser ein abrasives Schneidmittel zugemischt. Hier wird überwiegend Granatsand verwendet, es sind aber auch in Einzelfällen andere abrasive Materialien möglich.

Was ist abrasives Wasserstrahlschneiden?

Im Gegensatz zum Reinwasserschneiden, wird beim abrasiven Wasserstrahlschneiden zusätzlich ein Abrasivsand eingesetzt. Ein reiner Wasserstrahl trennt das weiche Material durch, wie mit einem Cuttermesser. Das Material wird gestaucht und durchgetrennt. Ein abrasiver Wasserstrahl arbeitet wie eine Schleifscheibe. Das Material in der Schneidfuge wird herausgeschliffen

Wasserstrahlschneiden: Ist Restfeuchte im Prozess relevant?

Bei Materialien mit glatter Oberfläche ist Restfeuchte kein Problem. Das Bauteil wird mit Druckluft abgeblasen. Hygroskopische Materialien wie Holz, offenporige Schaumstoffe und Textilien sollten getrocknet werden. In der Praxis werden dazu Gebläsetrockner eingesetzt. Entscheidend ist nicht die Temperatur, sondern die Luftmenge.

Ist mit einer Wasserstrahlschneidanlage eine Schweißnahtvorbereitung möglich?

Ja, mit einer Wasserstrahlschneidmaschine sind alle gängigen Arten der Schweißnahtvorbereitung möglich, sofern die Maschine mit einem 3D-Kopf ausgestattet ist.

Was versteht man unter Wasserstrahlschneiden und was sind die Vorteile dieser Technologie?

Wasserstrahlschneiden ist ein kaltschneidendes Verfahren. Das hat den Vorteil, dass beim Schneiden keine Gefügeveränderung an der Schnittlinie entsteht. Eine gehärtete Stahlplatte kann geschnitten werden, ohne dass die Schneidkante ihre Härte verliert. Mit dem Wasserstrahl kann jedes Material geschnitten werden und die Maschine muss nicht umgerüstet werden, um Stahl, Kunststoff oder Glas abwechselnd zuschneiden.

Welche Vorteile hat Wasserstrahlschneiden gegenüber Plasma- / Autogen-Brennschneiden?

Plasma- und Autogenschneiden beschränkt sich auf einige wenige Metalle. Wasserstrahlschneiden funktioniert mit fast jedem Material. Die Oberfläche ist leicht rau, aber durch den nicht vorhandenen Wärmeeintrag gibt es keine Verfärbungen an der Schnittkante und die Konturgenauigkeit ist viel besser.

Warum sollte ich das Wasserstrahlschneiden verwenden, anstatt die Laser-Technik?

Wasserstrahlschneiden ist im Gegensatz zum Laserschneiden nicht an bestimmte Materialien gebunden, sondern es ist universell einsetzbar. In Stahl, Edelstahl und Aluminium ist das Wasserstrahlschneiden ab einer bestimmten Materialdicke wirtschaftlicher als der Laser. Mit dem abrasiven Wasserstrahl können dünne Bleche im Paket geschnitten werden. Das ist mit dem Laser nicht möglich.

Ist Wasserstrahlschneiden eine Alternative zum Laserschneiden?

Das ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Bei dünnem Stahl oder Edelstahlblechen und sehr großen Stückzahlen, ist der Laser im Vorteil. Je dicker das Material, desto wirtschaftlicher wird das Wasserstrahlschneiden. Da der Laser auf wenige Metalle beschränkt ist und das Wasserstrahlschneiden für nahezu jedes Material geeignet ist, ist die Wasserstrahlschneidmaschine für jeden eine Alternative, der einen Laser nicht voll auslasten kann.

Welche Genauigkeiten können mit Wasserstrahlschneiden erzeugt werden und wie sieht die geschnittene Fläche aus?

Die erzielbaren Genauigkeiten liegen je nach Ausstattung der Maschine im niedrigen Zehntelbereich bis hin zum Bereich weniger Hundertstel Millimeter. Die Oberfläche ist leicht rau bis seidenmatt, je nach Geschwindigkeit und Körnung der Abrasivmittel. Es gibt an der Schnittkante keine Verfärbungen wie bei thermischen Trennverfahren.

Gibt es beim Wasserstrahlschneiden nur Standardverfahren, oder können Kundenwünsche berücksichtigt werden?

Es gibt vielfältige Möglichkeiten, den Schneidprozess auf den Kundenwunsch anzupassen. Es können Drücke, Abrasivmedien und viele andere Parameter den Bedürfnissen des Kunden angepasst werden. Das CNC-Führungssystem, die Ultrahochdruckpumpe, der Schneidtisch sowie die Schneidkopftechnologie werden nach Kundenwunsch konfiguriert.

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