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Präzise geschnitten

CNC-unterstütztes Wasserstrahlschneiden

| Autor/ Redakteur: Roland Simon / Peter Königsreuther

Beim Schneiden mittels Wasserstrahl bieten sich dem Anwender viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Trennverfahren wie dem Sägen oder Plasmaschneiden, die das Werkstück thermisch oder mechanisch belasten. Mit oder ohne Abrasiv und in Kombination mit einer CNC können Werkstoffe von weich bis glashart besonders präzise und flexibel geschnitten werden.

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Diese Produktbeispiele aus verschiedenen technischen Materialien sollen die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten des CNC-unterstützten Wasserstrahlschneidens demonstrieren.
Diese Produktbeispiele aus verschiedenen technischen Materialien sollen die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten des CNC-unterstützten Wasserstrahlschneidens demonstrieren.
( Bild: Eckelmann )

Aluminium, Glas, Leder, Marmor, hochfester Stahl, NE-Metalle, Kunststoffe, Schaumstoffe, Textilien, Holz oder Verbundwerkstoffe. Was haben all diese Materialien gemeinsam? Sie lassen sich mit einem Wasserstrahl unter Hochdruck schneiden, mit oder ohne Beimengung von Abrasiven wie Quarz-, Granat- oder Korundsand. Mit Abrasivbeimengung lassen sich mit Wasser selbst extrem harte Materialien schneiden. Abrasivsand aus Granat hat eine Mohs-Härte von 8 und damit lassen sich noch Materialien gleicher Härte bearbeiten.

Beim Wasserstrahlschneiden wird Wasser mit Hochdruckpumpen verdichtet und im Schneidkopf durch eine Düse (Durchmesser: 0,25 bis 0,4 mm) aus Diamant, Rubin oder Saphir gepresst, wobei Drücke von 4000 bis 6000 bar auftreten und der Strahl auf eine Geschwindigkeit von 1000 m/s beschleunigt wird. Beim Wasserstrahlschneiden mit Abrasiv wird nun noch der Zusatz eindosiert und in einer Mischkammer wegen des breiteren Rohrquerschnitts angesaugt (ähnlich wie bei einer Wasserstrahlpumpe aus dem Laborbereich). Der Strahl wird dann in einem Fokussierrohr gebündelt.

Präzision der kalten Art

Die Vorteile des Verfahrens sind vielseitig: Anders als thermische Trennverfahren wie Plasma- und Autogenschneiden oder der Lasereinsatz belastet das Wasserstrahlschneiden als Kaltschneidverfahren das Material im Bereich der Bearbeitungsrandschicht thermisch kaum und hat die Kühlung gewissermaßen „eingebaut“. Verbrennungen, Aufhärtungen, Verzug, tropfende Schlacke oder Schmelzen treten bei diesem Verfahren folglich nicht auf. Allerdings darf man das Thema Kühlung auch beim Wasserstrahlschneiden nicht völlig außer Acht lassen, denn die enorme kinetische Energie des Wasserstrahls wird im Sammelbecken in Wärme umgewandelt und es müssen entsprechende technische Vorkehrungen getroffen werden, damit diese Wärme nicht die Randbedingungen bei längeren Schneidzeiten beeinträchtigt und etwa zur Ausdehnung des Werkstücks führt.

Das Wasser wird hierbei auf doppelte Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Deshalb kann es beim Wasserstrahlschneiden auch ziemlich laut werden, wobei ein Schalldruck bis maximal 120 dB auftreten kann. Die Lärmentwicklung ist jedoch materialabhängig und kann beispielsweise durch Unterwasserschneiden gemildert werden.

Wasserstrahlschneidanlagen erzielen Schnittkanten mit einer Wiederholgenauigkeit von ± 0,05 mm. Je nach Anlage werden auch schmale Schnittfugen bis 0,4 mm erreicht. Auf eine kostspielige Nachbearbeitung der Schnittkante und ein Entgraten kann in den meisten Fällen verzichtet werden. Selbst aufwendige geometrische Figuren und filigrane Konturschnitte lassen sich mit dem Wasserstrahl in hoher Präzision anfertigen. Auf speziellen Maschinen für das Mikrowasserstrahlschneiden können außerdem Teile angefertigt werden, die nur wenige Millimeter messen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass während des Schneidprozesses keine giftigen Dämpfe, Stäube oder Gase freigesetzt werden, zu deren Beseitigung spezielle Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden müssen.

Nicht nur Industriewerkstoffe im Fokus

Schließlich eignet sich das Reinwasserschneiden auch zum Schneiden von Lebensmitteln, wie Kuchen, Fleisch, Fisch, Pizza, Obst, Pommes Frites oder Tiefkühlkost, um nur einige häufige Anwendungen zu nennen. Der Vorteil ist auch hier die schonende Verarbeitung (keine thermische Einwirkung) und das Wasser selbst stellt ein hygienisches Schneidwerkzeug dar, weil es durch Hochdruck sterilisierbar ist.

In der Einleitung wurde gezeigt, dass Wasserstrahlschneiden eine sehr vielseitige Technologie ist. Um sie präzise und effizient zu beherrschen, kommt es ganz entscheidend auf die Steuerungstechnik an. Und hier kommt Eckelmann ins Spiel, als ausgewiesener Steuerungspartner für die Automatisierung von Schneidmaschinen: Kunst kommt von Können und das gilt auch für den Einsatz einer CNC. Die meisten CNC können zwar universell für viele Bearbeitungsmaschinen eingesetzt werden, doch ihre wahre Meisterschaft zeigt sich erst, wenn sie ihre Fertigkeiten in einer speziellen Disziplin konkret unter Beweis stellen müssen.

Dieser Beitrag soll nun verfahrensspezifische Funktionen für das Wasserstrahlschneiden näher erläutern, welche die CNC E°EXC 66 von Eckelmann standardmäßig unterstützt. Die Funktionsbibliothek für das Wasserstrahlschneiden ist das Ergebnis der langjährigen Erfahrung mit der Wasserstrahlschneidtechnik. In partnerschaftlichem Ko-Engineering hat Eckelmann in zahlreichen Anwendungen für Kunden aus dem Maschinenbau ein umfangreiches Know-how aufgebaut. Ein Beispiel ist die Partnerschaft mit STM, einem der führenden Anbieter von Wasserstrahlschneidsystemen. Das Unternehmen rüstet seit zwei Jahren einen Teil seiner Wasserstrahlschneidmaschinen mit Steuerungen von Eckelmann aus, weil die Steuerung über eine umfangreiche Funktionsbibliothek für Schneidanwendungen im Allgemeinen und das Wasserstrahlschneiden im Besonderen verfügt. Zu den spezifischen Funktionen für das Wasserstrahlschneiden zählen:

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