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Knuth

Breite Auswahl an Maschinen: beste Schnittqualitäten in 2D und 3D

| Autor/ Redakteur: Ingo Decker / Frauke Finus

Fürs Trennen bietet Knuth Werkzeugmaschinen eine umfangreiche Produktpalette an Wasserschneidanlagen. Sie reicht von der kompakten Einstiegsanlage bis zur Hydro-Jet mit 5-Achs Schneidsystem für die 3D-Bearbeitung. Die Maschinen werden mithilfe von vielfältigen Kundenerfahrungen stetig weiterentwickelt.

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Schneiden mit dem Hochdruck-Wasserstrahl.
Schneiden mit dem Hochdruck-Wasserstrahl.
( Bild: Knuth )

Seit über zehn Jahren bewähren sich die Wasserstrahlschneidanlagen der Knuth Werkzeugmaschinen GmbH im industriellen Einsatz. Vielfältige Kundenerfahrungen sind in die Weiterentwicklung eingeflossen, und das Maschinenangebot wurde ständig erweitert. Neben der Standardserie Hydro-Jet sind heute Premium-Line-Schneidanlagen mit automatischer Schneidwinkelkorrektur für höchste Genauigkeits- und Qualitätsansprüche verfügbar wie auch Maschinen mit einem 5-Achs-Schneidkopf für die 3D-Bearbeitung. Die Maschinenformate reichen von 1,5 x 0,5m speziell auch für Feinschneidaufgaben bis hin zu Großformaten mit 4 x 3m großem Schneidbereich.

Im Vergleich zum Plasma- oder Laserschneiden als den thermischen Trennverfahren ist das Wasserstrahlschneiden ein kalter Schneidvorgang, der auch bei sehr kleinen Schneidgeschwindigkeiten nicht zu einer kritischen Überhitzung des geschnittenen Materials führt. Deshalb ist der Wasserstrahl bis zu großen Werkstückdicken von mehr als 100 mm einsetzbar. Es ist zudem das universellste Trennverfahren, da es weder eine elektrische Leitfähigkeit des Materials voraussetzt, noch von einer ausreichenden Absorption eines Laserstrahls abhängt. Durch den Zusatz eines Abrasivmittels zum Hochdruck-Wasserstrahl wird ein sehr effektiver Materialabtrag in einer schmalen (1 mm oder weniger breiten) Schnittfuge auch bei harten Werkstoffen erreicht.

Verschiedene Qualitäten des Schnitts sind möglich

Die Qualität der erzeugten Schnittfläche hängt maßgeblich von den eingestellten Schneidparametern und den Gegebenheiten der verwendeten Schneidanlage ab. Es kann sowohl eine äußerst ebene Schnittfläche ohne jegliche Schnittriefen mit exakten Schnittober- und -unterkanten erzeugt werden, als auch ein schnellerer grober Trennschnitt, dessen ausgeprägte Schnittriefen von oben nach unten stark zunehmen und eine gewellte Schnittunterkante bilden. Zwischen beiden gezeigten Schnittqualitäten liegen fünf frei wählbare Qualitätsstufen und ein Unterschied in der Schneidgeschwindigkeit mit dem Faktor 6,6:

  • Schnittflächen höchster Qualität entstehen bei langsamem Vorschub, da hier der Hochdruck-Wasserstrahl nicht nur nach vorne schneidet, sondern mit den im Strahl mitbewegten Abrasivkörnern beidseits die gerade entstehenden Schnittflächen „schleift“. Voraussetzung ist ein absolut gleichmäßiger Schneidvorgang, also keine sich bemerkbar machende Druckstöße im Wasserstrahl durch die Hochdruckpumpe, keine Stockungen in der Abrasivzufuhr und keine Störungen der Strahlströmung durch Verschleißerscheinungen oder mindere Qualität bei der Wasserdüse und dem Fokussierrohr.
  • Bei hohen Schneidgeschwindigkeiten hingegen reicht die kinetische Energie der im Hochdruck-Wasserstrahl beschleunigten Abrasivkörner nicht mehr aus, um das Fugenmaterial gleichmäßig abzutragen. Erst ein beginnender Rückstau in der Schnittfuge bringt die nötige Stoßkraft für den Austrieb, das heißt der Schneidvorgang geht in einen pulsierenden Modus über, der sich in der Ausbildung von Schnittriefen manifestiert.

Ein zweiter Aspekt der Schnittqualität ist die Maßhaltigkeit der geschnittenen Teile. Wie in der Abbildung angedeutet, führt der Erosionsvorgang in der Schnittfuge stets dazu, dass die Schnittfugenbreite nach unten hin kleiner wird, also eine kleine Neigung der Schnittfläche zur Richtung des Hochdruck-Wasserstrahls unvermeidlich ist. Dementsprechend sind die Schneidteile auf der Unterseite immer etwas größer als auf der Oberseite. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je höher der Vorschub gewählt wird, und erreicht bei der maximalen Trenngeschwindigkeit für die jeweilige Materialdicke die Größenordnung eines Drittels der Fugenbreite auf der Oberseite. Die maximale Neigung gegenüber dem exakt senkrechten Schnitt beträgt zum Beispiel bei 40 mm dickem Material 0,6 Grad das heißt auch bei einem groben Trennschnitt bleiben die Maßabweichungen des Bauteils kleiner als 0,8 mm.

Winkelstellung des Schneidkopfes wird fortlaufend angepasst

Diese Abhängigkeit impliziert für den Fall einer reinen 2D-Schneidanlage, also zum Beispiel für die preisgünstigen Maschinen der Hydro-Jet-Serie von Knuth, dass zur Herstellung nachbearbeitungsfreier Schneidteile hoher Genauigkeit der Vorschub soweit herunter geregelt werden muss bis die jeweils geforderte Maßhaltigkeit erreicht wird, auch wenn die Anforderungen an die Rauheit der Schnittflächen höhere Schneidgeschwindigkeiten zulassen würden. Da bei vermindertem Vorschub sich die Schneiddauer um den gleichen Faktor verlängert, die Schneidkosten je Zeiteinheit aber unverändert bleiben, erhöhen solche Genauigkeitsanforderungen die Stückkosten entsprechend. Eine alternative Lösung bieten die höherwertigen Schneidanlagen der Serie Water-Jet in der Klasse der Stahlwerk-Premium-Line. Diese Maschinen verfügen über einen Schneidkopf mit einer 2-achsigen Kleinwinkel-Kippvorrichtung. Sie ermöglichen damit sowohl das automatische Kompensieren der am Schneidteil entstehenden Schnittflächenneigung (Englisch als taper angle control bezeichnet), wobei die an den gegenüberliegenden Schnittflächen des Blechrestes auftretenden Neigungen dafür doppelt so groß werden, als auch ein Anstellen des Schneidkopfes in den Vorlauf (Englisch: forward tilting) dergestalt, dass der Riefennachlauf minimiert wird und damit das Schneiden kleiner Schneidteilradien und -ecken mit höherem Vorschub ermöglicht wird: Je nach momentaner Schneidrichtung und Vorschubgeschwindigkeit, je nach Werkstoffart und Materialdicke sowie je nach den anderen Schneidparametern wie Wasserdruck, Düsendurchmesser und Abrasivzufuhr wird durch eine spezielle Software die Winkelstellung des Schneidkopfes fortlaufend angepasst. Die Maßabweichungen zwischen der Ober- und der Unterseite des Schneidteils können damit kleiner als 0,03 mm gehalten werden, jedenfalls bei Materialdicken bis 40 mm. Die Empfindlichkeit bei der Nachführung der Schneidkopfneigung ist von der Größenordnung 0,025 Grad und ist somit der 24. Teil des oben genannten maximalen Neigungswinkels, der beim reinen 2D-Wasserstrahlschneiden an den Bauteilschnittflächen maximal auftreten kann und zu kompensieren ist.

Rundum-Service hilft sofort, um Maschinenausfälle zu vermeiden

Eine solch exakte Neigungskompensation führt dann zu insgesamt sehr hohen Bauteilgenauigkeiten, wenn auch die Koordinatenführung des Schneidkopfes entlang der X- und Y-Achse entsprechend hochpräzise ist. Die in dieser Kombination erreichbare Schnittqualität wird an dem Knuth-Musterteil deutlich: Das Musterteil besteht aus zwei Schneidteilen, die aus der Materialplatte geschnitten werden. Das Einsetzteil, bei welchem die Bögen im Vergleich zum Rahmenteil um 90 Grad gedreht geschnitten werden, lässt sich spielfrei in das Rahmenteil eindrücken, ohne dass sich Spalte entlang der Bögen ergeben. Dies ist sowohl in der gleichen Materiallage möglich als auch in der umgedrehten Lage mit der unteren Plattenseite nach oben. Für das Fasenschneiden stehen Maschinen mit einem in 5-Achsen bewegten Schneidkopf zur Verfügung. Der bei Knuth entwickelte 3D-Schneidkopf basiert auf dem Konstruktionsprinzip des Nutators: Bewegungen des Schneidkopfes mit den beiden Rotationsachsen lassen die Position des Wasserstrahlauftreffpunktes auf dem Werkstück unverändert, so dass für eine Winkeländerung der Schneidstrahlrichtung keine Ausgleichsbewegungen in den Linearachsen X, Y, Z gemacht werden müssen. Das besondere Merkmal dieses 3D-Schneidkopfes ist, dass er endlos drehbar ist. Mit ihm können somit ohne Schneidunterbrechung Konturen erstellt werden, die Rotationen um die Z-Achse mit einem Mehrfachen von 360 Grad erfordern, zum Beispiel Schneiden spiralförmiger Konturen. Er kann deshalb sehr vorteilhaft ebenso für die beschriebene Neigungskompensation der Schnittflächen und die Minimierung des Riefennachlaufs eingesetzt werden, was ihn äußerst wirtschaftlich macht. Andererseits lässt sich der 3D-Schneidkopf über das Fasenschneiden hinausgehend zum Schneiden komplexerer 3D-Bauteile nutzen. Er erlaubt die volle 3D-Bearbeitung, wenn in der Maschinensteuerung die simultane Interpolation aller fünf Bewegungsachsen freigeschaltet ist. Der mechanische Aufbau aller Wasserstrahlschneidanlagen von Knuth ist auf die jeweiligen Genauigkeitsanforderungen abgestimmt und zielt auf eine möglichst gute Bedienbarkeit: In allen Fällen ist das Wasserbecken vom Maschinengestell mechanisch entkoppelt, so dass die Führungsmaschine nicht von dem durch den Schneidstrahl bewirkten Energieeintrag in das Wasserbecken beeinflusst wird. Die hochpräzisen Premium-Water-Jet-Anlagen sind mit Maschinenbrücken versehen, die die lange Achse des Arbeitsraums überspannen (leichtere Materialbeschickung von der Langseite her) und die dabei von einem präzisen Gantry-Antrieb bewegt werden. Die Hydro-Jet-Serie arbeitet dagegen nach dem Flying-Bridge-Konzept, welches eine ideale Zugänglichkeit des Wasserbeckens auf drei Seiten bietet. Alle Maschinen sind mit zuverlässigen BHDT-Hochdruckpumpen ausgestattet, für die wie auch für die Komponenten des Hochdruckstrangs eine umfangreiche Vorratshaltung aller Verschleiß- und Ersatzteile eingerichtet ist. Im Bedarfsfall sorgt ein schneller Service dafür, dass es nicht zu längeren Maschinenausfällen kommt und dem Anwender auch Hilfestellungen beim Realisieren seiner neuen Schneidaufgaben.

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