Wasserstrahlschneiden  | Infos zur Wasserstrahltechnik

Wasserstrahlschneiden Historie

Das Wasser durchbricht ganze Gebirgszüge, einzelne Tropfen höhlen massives Gestein aus. In der Natur stechen die Kraft und die Härte des Wassers seit Jahrtausenden hervor. Diese Kraft macht sich die Wasserstrahlschneidtechnik 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 Schritt, den Wasserstrahl als Schneidtechnik zu nutzen. 1971 wurde schließlich die erste Maschine zum Wasserstrahlschneiden gefertigt. Zum Einsatz kamen zu der Zeit überwiegend Druckübersetzer, die in ihren Hochdruckzylindern den Schneidstrahl erzeugten. Später wurden auch Kolbenpumpen verwendet, die mittels Direktantrieb den Strahl erzeugen. Der Start erfolgte mit dem sogenannten Reinwasserschneiden; so war die erste industrielle Anwendung das Schneiden von Einwegwindeln. Parallel wurde die Forschung vorangetrieben, mit verschiedenen Zusatzstoffen auch Metalle und Verbundwerkstoffe zu trennen. Die Zugabe von Abrasiv war der Durchbruch für das Verfahren Wasserstrahlschneiden. In den folgenden Jahrzehnten kam es jährlich zu zweistelligen Zuwachsraten bei den Maschinenverkäufen.

Wasserstrahltechnik

Schematische Darstellung von der Wasserstrahltechnik

Aber schauen wir uns das heutige Verfahren genauer an: Eine 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 1.200 m/s. Das entspricht etwa der vierfachen Schallgeschwindigkeit. Diese Strahlgeschwindigkeit und die Zugabe von Abrasiv erzeugt den Schneidstrahl für den Materialabtrag. In der Industrie und bei den Schneidbetrieben haben sich Drücke von 4.000 bar als idealer Kompromiss zwischen Leistung und Langlebigkeit etabliert. Heute arbeiten die Hersteller kontinuierlich an Konzepten zur Wasser- und Energieeinsparung. Dabei ist jedes Wasserstrahlschneidsystem für sich genommen ein Beitrag für die umweltschonende, moderne Fertigung. Da bei dieser Schneidtechnik nur Naturstoffe wie Wasser und Sand zum Einsatz kommen, entstehen weder giftige Gase noch Dämpfe. Die Abfälle der Bearbeitung, das Schmutzwasser und die gebrochenen Sandkörner sind für die Umwelt unkritisch und können dem Wertstoffkreislauf zugeführt werden.

Mit Wasserstrahl bearbeitete Bauteile

Granit ausgeschnitten mit Wasserstrahltechnologie 2D-Schnittmuster einer Wasserstrahlschneidanlage mit HolzMit Wasserstrahltechnologie zylindrische Löcher in Holz schneidenVerschiedene Innen- und Außenkonturen mit einer Wasserstrahlschneidanlage

Mit reinem Wasser oder zusätzlichen Abrasivstoffen

In der Industrie kommen überwiegend zwei Varianten der Wasserstrahltechnik zum Einsatz: das Reinwasserschneiden oder das Abrasivschneiden. Mikrowasserstrahlschneiden und Suspensionsstrahlschneiden sind Technologien, die ebenfalls mit abrasivem Wasserstrahl arbeiten; beim Plattenzuschnitt spielen diese beiden Technologien nur eine untergeordnete Rolle.

Das Reinwasserstrahlschneiden wird bei weichen Materialien eingesetzt. Der reine Wasserstrahl durchdringt mit einem Durchmesser von wenigen Zehntel Millimetern das Material wie mit einem Messer. Entgegen dem abrasiven Wasserstrahlschneiden wird hier kein Material aus der Schnittfuge herausgeschliffen, sondern lediglich ein feiner Schnitt erzeugt. Das Reinwasserschneiden wird zum Schneiden von Dichtungen, Gummi, Leder, Stoff und dünnen Kunststoffen eingesetzt. Metalle dagegen lassen sich damit lediglich in Form von hauchdünnen Folien schneiden. Für das Reinwasserschneiden benötigt man in der Regel eine sehr schnelle Maschine, da die Schnittgeschwindigkeiten wesentlich höher sind als beim Abrasivschneiden. Für die typischen Materialien, die mit Reinwasser geschnitten werden, sind außerdem zusätzliche Materialauflagen erforderlich, die das dünne und weiche Material beim Schneiden unterstützen. Hier haben sich Waben aus Aluminium, Edelstahl oder Polypropylen als sehr gute Lösung erwiesen. Bei der Anschaffung einer Wasserstrahlschneidmaschine sollte man die Möglichkeiten des Reinwasserschneidens in die Entscheidung mit einbeziehen. Nicht alle Maschinen sind aufgrund ihres Aufbaus und der erzielbaren Geschwindigkeiten für dieses Trennverfahren geeignet. Beim Reinwasserschneiden kann auf das Abrasivmedium verzichtet werden. Der Schneidkopf wird entsprechend umgerüstet, sodass auf das Fokussierrohr verzichtet werden kann und die Düse das letzte Element darstellt. Reinwasseranwendungen benötigen weniger Wasservolumen und oft auch niedrigeren Schneiddruck. Eine Maschine, bei der diese Möglichkeiten konstruktiv bereits berücksichtigt sind, kann bei Reinwasserschnitten die Betriebskosten mehr als halbieren.

Das Abrasivschneiden ist das meistgenutzte Verfahren im Bereich des Wasserstrahlschneidens. Der Düsendurchmesser, der Druck und das Schneidmittel beeinflussen die erzielbare Strahlleistung. Wie beim Reinwasserschneiden auch, wird hier ebenfalls der Wasserstrahl aus der Hochdruckpumpe mit Drücken bis zu 6.000 bar durch eine Saphir-, Rubin- oder Diamantdüse gedrückt. Jedoch trifft dieser Strahl nicht direkt auf das Werkstück, sondern er wird in einer keramischen Mischkammer mit einem Abrasiv vermischt. Das Abrasivmittel wird in diesem Schneidkopf über den Venturi Effekt eingesaugt und tritt – mit dem Wasser vermischt – aus einem Fokussierrohr aus. Dieses Fokussierrohr besteht aus extrem harten und verschleißfestem Wolframkarbid. Trotzdem wird durch den Abrasivstrahl selbst dieses Fokussierrohr nach einer gewissen Zeit ausgewaschen. Für moderne Schneidköpfe sind diese Fokussierrohre in unterschiedlichen Durchmessern, Längen und Qualitäten verfügbar, sodass der Anwender die für sich wirtschaftlichste Lösung auswählen kann. Auf dem Markt gibt es auch Schneidköpfe, bei denen die beiden Verschleißkomponenten Düse und Mischkammer fest verbaut sind. Diese Köpfe sind im Betrieb teurer, da sie komplett ausgetauscht werden müssen, sobald eine der Komponenten verschlissen ist. Das verwendete Abrasiv ist in der Regel Granatsand oder ein ähnlich hartes, gemahlenes Gestein. Das Abrasiv gibt es ebenfalls in unterschiedlichen Qualitäten und Körnungen. Die Körnung 80 mesh hat sich in der Branche als Standard durchgesetzt. Diese Körnung ist in Bezug auf Schneidleistung und Oberflächenqualität zur Zeit der beste Kompromiss. Für Anwendungen im Glas- oder Kunststoffbereich wird oft auch 120 mesh eingesetzt, um die Oberflächenqualität zu verbessern und damit seidenglatte Schnittflächen zu erzeugen. Beim Mikrowasserstrahlschneiden (Microcutting / Microwaterjet) wird sogar mit Körnungen von 300-400 mesh gearbeitet. Dieses Abrasivmaterial erzeugt beim Schnitt eine optimale Qualität und reduziert die Oberflächen­rauh­igkeit; ist dafür allerdings sehr teuer. In Einzelfällen können auch andere Abrasive wie Salze, Quarz oder Granat/Korund-Gemische eingesetzt werden. Hierbei ist jedoch einiges zu beachten. Um Sonderanwendungen bestmöglich durchzuführen ist eine fachkundige Beratung bei erfahrenen Wasserstrahltechnikern empfehlenswert.

Schneidbereich

Schneidkopf beim Wassertrahlschneiden

Der Hauptanwendungsbereich des Abrasivstrahlschneidens sind Metalle, Natursteine, Keramiken oder Verbundwerkstoffe. Mit dem abrasiven Wasserstrahl kann aber so gut wie jedes Material geschnitten werden und zwar ohne, dass sich – im Gegensatz zum Brennschneiden oder Laserschneiden – das Werkstück erwärmt und in den Wärmeeinflusszonen das Materialgefüge verändert wird. Da die Temperaturen in der Schnittzone nur bei rund 50 °C liegen, zählt dieses Schneidverfahren zu den Kaltschneideprozessen. Dort, wo keine Gefügeveränderungen an den Schnittkanten erwünscht sind, kommt das Wasserstrahlschneiden zum Einsatz. Zudem ist es möglich, beliebige Konturen zu schneiden und an jeder Stelle der Materialoberfläche zu beginnen und zu enden. Es ist sogar problemlos möglich, eine gehärtete Stahlplatte mit dem abrasiven Wasserstrahl anzubohren und zu schneiden. Ein Startloch zu bohren oder zu erodieren, ist nicht nötig. Für den Wasserstrahl ist die Oberfläche des Werkstückes uninteressant. Eine Stahlplatte kann selbst dann sauber und exakt geschnitten werden, wenn die Oberfläche korrodiert, verschmutzt oder verzundert ist. Lediglich der Düsenabstand muss während des Wasserstrahlschneidens eingehalten werden. Andererseits können auch polierte Edelstahlbleche oder Spiegel geschnitten werden, ohne dass die optische Reflektion einen Einfluss auf den Prozess hätte. 

Das Wasserstrahlschneiden wird fälschlicherweise oft als langsames und schmutziges Trennverfahren wahrgenommen. In der Realität sieht es anders aus. Moderne Systeme bieten die Möglichkeit den Wasserstand anzuheben und das Material während des Schneidprozesses zu fluten. Bei Schnitten unter der Wasseroberfläche, reduziert sich die Verschmutzung der Maschine und der Umgebung drastisch. Auch die Geräuschbelastung sinkt merklich – ohne dabei die Produktivität negativ zu beeinflussen.

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Anwendungsbereich vom Wasserstrahlschneiden

Wasserstrahlschneidanlagen sind Maschinen für jedes Material, jede Dicke und jede Kontur. Sie punkten mit der größten Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten, mit Präzision und selbstverständlich den Vorteilen des kalten Trennverfahrens. Spielt der thermische Eintrag keine Rolle und sind für Laser-, Plasma- und Autogenschneidanlagen taugliche Materialien zu schneiden, dann haben diese Schneidverfahren im Vergleich zur Wasserstrahltechnologie die Nase vorn. Sie sind dann deutlich schneller und somit wirtschaftlicher. Bei dünnen Blechen sind das Laserschneiden und das Plasmaschneiden klar im Vorteil. Bei extrem dicken Blechen ist das autogene Brennschneiden die schnellere Alternative. Der Bereich, in dem das Wasserstrahlschneiden die höhere Wirtschaftlichkeit bietet, lässt sich rechnerisch genau bestimmen. Allerdings ist dieser Vergleich eben auf die Materialien begrenzt, die auch von den thermischen Verfahren geschnitten werden können.

Die Konturgenauigkeit hat in den letzten Jahren eine deutliche Steigerung erfahren. Da beim abrasiven Wasserstrahlschneiden bei steigender Vorschubgeschwindigkeit nicht nur die Riefenbildung, sondern vor allem die Konizität des Schnittspalts deutlich zunimmt, wurden Strategien zum dynamischen Winkelfehlerausgleich entwickelt. Mittlerweile sind die Patente dazu ausgelaufen und man kann auf fast jeder Wasserstrahlschneidmaschine mit 3D-Schneidkopf auch den Winkelfehler über die Software kompensieren. Die Maßhaltigkeit und die geringe Winkelabweichung bleibt auch bei höheren Schneidgeschwindigkeiten erhalten.

Eine moderne Wasserstrahlschneidmaschine bietet zudem eine Reihe von Technologieoptionen zum Fasenschneiden, Bohren, Gewinden und Senken und ermöglicht zudem die Integration von Supporten zum Plasmaschneiden. Mit dieser Technologiekombination werden die Stärken der unterschiedlichen Schneidverfahren vereint und es entsteht ein wertvoller Helfer im Maschinenpark, der Unternehmen eine hochproduktive Anlage für unterschiedlichste Anwendungsfälle beschert.

Wasserstrahlschneiden mit einer MicroStep Wasserstrahlschneidmaschine AquaCut