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Wasserstrahlschneiden

Mit Wasser schneiden

| Autor/ Redakteur: Barbara Stumpp / M.A. Frauke Finus

Wasserstrahlschneiden ist vielseitig und präzise, einfach zu handhaben und man kann fast jedes Material trennen. Es ist eine durchaus ausgereifte Technik, die noch Zukunftspotenzial bietet.

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Abrasivschneiden mit Wasserstrahl.
Abrasivschneiden mit Wasserstrahl.
(Bild: Knuth)

Die Vorteile des Wasserstrahlschneidens sind offensichtlich: Man kann nahezu alle festen Materialien schneiden. Die Bandbreite reicht von Stein, Fliesen, Glas, Metall bis hin zu Schaum, Gummi, Kunststoff und Lebensmitteln. Verglichen mit anderen Schneidverfahren wie Plasma-, Laser- oder EDM gibt es kaum eine Einschränkung der Schneidtiefe. Von 0,5 bis 300 mm, bei Edelstahl bis 280 mm Dicke schneidet der Strahl problemlos. Wird der Laser bei stark reflektierenden Materialien wie Kupfer oder Messing ausgebremst, passiert das beim Wasserstrahlschneiden nicht. Es wird keine Wärme eingebracht, die das innere Gefüge des Materials verändern oder die Ränder aufhärten könnte. Der Materialwechsel ist einfach: Nur die Schnittgeschwindigkeit ist zu ändern. Das Programmieren geht über eine normale CAD-Steuerung. Die Wartung solcher Anlagen ist bei vergleichbarer Schneidfläche ist, verglichen mit dem Laser, weniger schwierig und die Anlagen selber sind weniger kapitalintensiv.

Beim Wasserstrahlschneiden wird Wasser mittlerweile mit bis zu 6000 bar durch eine Düse gedrückt und so auf mehrfache Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Nach Zugabe des Abrasivmittels am Ende des Fokussierrohres ist es immerhin noch einfache Schallgeschwindigkeit. Das Werkstück bleibt fast kalt, denn der Wasserstrahl schneidet nicht nur, sondern kühlt auch gleichzeitig im Schnittspalt. Außerdem entstehen keine schädlichen Gase, wie mitunter beim thermischen Schneiden. Meist genügt eine einfache Klemmvorrichtung, die das Rohteil auf dem Tisch hält, bei schweren Blechen kann sogar das Eigengewicht zum sicheren Halt reichen. Ist es zu laut, kann das Schneiden unter Wasser erfolgen.

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Bei weichen Stoffen wie Gummi reicht der reine Wasserstrahl. Sonst werden Abrasivstoffe zugemischt. Damit lassen sich dann alle Materialien schneiden, die eine geringere Härte als das Abrasiv-
material haben. Noch ein Vorteil: Es gibt kaum oder keine Schnittgrate. Die Schnittqualität hängt dabei weitgehend von der Schnittgeschwindigkeit ab, je schneller, umso rauer.

Kombination mit Plasmabrennern ist möglich

Aber Wasser macht nass und die Bauteile müssen nach dem Schneiden getrocknet werden. Das Trocknen der Bauteile kann man bisher nur mit Pressluft umsetzen. René Schönheit, Area Sales Manager bei TCI Cutting, verweist auf die Anwendungsmöglichkeiten: „Es sind 2D- und 3D-Schneidköpfe und die Kombination mit Plasmabrennern verfügbar. Auf einem Portal können mehrere Schneidköpfe eingesetzt werden und pro Schneidtisch sind mehrere Portale möglich, was die gleichzeitige Abarbeitung von unabhängigen Schneidaufträgen ermöglicht. Dazu kommen Bohraggregate – zum Einstechen in brüchige oder mehrschichtige Materialien.“ Also alles, was den Blech- und Rohrbearbeiter glücklich macht und so hier kaum Wünsche offenlässt. „Die auszuschneidenden Teile kann man eng nebeneinander platzieren. Das bringt ein gute Materialausnutzung und reduziert den Abfall“, ergänzt Jürgen Moser von STM Waterjet.

Die Technik des Wasserstrahlschneidens ist, wie gesagt, durchaus ausgereift, aber trotzdem immer noch verbesserbar. Sascha Reinkober, Abteilungsleiter Fertigungstechnologien am Fraunhofer-IPK, verweist auf weitere Möglichkeiten: „Eine Option ist, einen gepulsten Wasserstrahl zu verwenden, der für einen definierten Abtrag sorgt. Auch das Mikro-Wasserstrahlschneiden bietet noch Potenzial.“ Beim Druck ist man mit maximal rund 6.000 bar am Anschlag und der Verschleiß ist hoch. „Eine weitere Erhöhung senkt die Effizienz der Anlagen“, weiß Ralf Winzen, Vertriebsleiter bei Innomax. Entwicklungspotenzial hat seiner Meinung nach das Mikroschneiden mit Wasserstrahl. Beim Mikroschneiden lassen sich Strukturen unter 0,3 mm schneiden. Das geht aber nicht ohne hochauflösenden Präzisionsantrieb und eine torsionssteife Verbindung von Tisch und Traversen. Natürlich sind die Düsendurchmesser dann entsprechend klein und zum Schneiden wird ein feinerer Sand als üblich verwendet. Die Herausforderung hier ist, diesen feinen Sand rieselfähig zu halten, um einen stetigen Sandfluss zu garantieren. Diese Anlagen zum Mikroschneiden sind zwar kleiner, aber trotzdem teurer als vergleichbare „normale“ Wasserstrahlanlagen derselben Schneidtischgröße.

Automatisierung nur in begrenztem Rahmen möglich

Und ein noch zu lösendes Problem sind die Abfallschlämme. Die Entwicklung von Filtern, um das Wasser zurückzugewinnen und so den Anlagenbetrieb kosteneffizienter zu machen, sind in der Forschung. Aber wenn teure Materialien wie Titan geschnitten werden, wäre es auch sinnvoll, diese Metallspäne zurückzugewinnen. Auf eine weitere Möglichkeit weist Jürgen Moser hin: „Neu ist es, den Sand im Hochdruckbereich zuzugeben. Das ermöglicht eine schnellere Bearbeitung, bringt aber auch höheren Verschleiß mit sich. Dies im kontinuierlichen Betrieb zu realisieren, ist neu und gibt es nur als Prototypen.“ Ralf Winzen sieht hier aber nur einen kleinen Markt für solche, wohl teure Anlagen.

Die extreme Vielfalt, was geschnitten werden kann, grenzt aber die Automatisierung ein. Denn zum Beispiel Metall und Gummi kann man zwar hintereinander auf derselben Anlage schneiden, aber die Teile automatisiert zu packen mit demselben Roboter, macht Probleme, denn Gummi ist biegeschlaff. Hier hilft nur eine Einschränkung bei den Materialien. „Eine sinnvolle Kombination ist die mit mehreren Schneidköpfen und Bohraggregaten, das macht die Anlage zum Allrounder“, weiß René Schönheit.

Bei der Automatisierung geht es letztlich nicht darum was man kann, sondern was der Kunde bezahlen will. Knuth bietet die Lösung mit Roboter an. Auch beim Thema Industrie 4.0 sind die Anforderungen der Anwender an die Erhebung von Daten und Informationen noch nicht die Regel. „Aber wir können unsere Kunden bei der Umsetzung von Industrie-4.0-Projekten tatkräftig unterstützen, da wir auch Spezialisten für Elektronik und Software im Haus haben“, fasst Michael Gniffke, technischer Leiter und Produktionsleiter Schneidanlagenzentrum bei Knuth, zusammen. Gegen eine hohe Automatisierung sprechen noch weitere Gründe. Die Abrasivpartikel verteilen sich über und in die Systeme und das erhöht den Wartungsbedarf. „Außerdem braucht bei Beschickzeiten ohne Automatisierung der Bediener wenige Zehner Minuten, gegenüber einem Roboter mit wenigen Minuten. Dagegen stehen Bearbeitungszeiten in der Größenordnung von Stunden. Da ist Automatisierung nicht so relevant“, ist sich Innomax-Vertriebsleiter Winzen sicher. Und wenn wie üblich nur kleine und mittlere Serien geschnitten werden, ist die Automatisierung des Ganzen schlicht zu teuer. Einzig bei weichen Materialien geschieht das Schneiden ausreichend schnell, sodass in gewissem Ausmaß eine Automatisierung einen Sinn hat.

Beim Abrasivschneiden sind die Nebenzeiten gering

Natürlich ist es sinnvoll, die Überwachung der Anlage in die unternehmensinternen ERP- und MES-Systeme einzubinden, um die Maschinendaten auswerten zu können für ein zielgerichtetes Warten der Anlagen und Meldung der Zustände auf Smartphones oder Tablets der Bediener. „Düsen verschleißen und Fokussierrohre verstopfen und da ist ein permanentes Monitoring nötig“, so Fraunhofer-Forscher Reinkober. „Eine durchgehende, komplette Automation wird sich auf breiter Front nicht durchsetzen“; schätzt Michael Gniffke. Allerdings, Serviceangebote wie Fernwartung auf Wunsch bietet man schon an, denn das rechnet sich für den Kunden. Auch für Ralf Winzen ist der Roboter die Ausnahme. Insbesondere beim Abrasivschneiden sind die Nebenzeiten, also Abräumen und Rüsten, im Vergleich zu den Schneid- beziehungsweise Hauptzeiten meist so gering, dass sich Automation eigentlich nicht lohnt.

Bei STM Waterjet steht man Industrie 4.0 positiv gegenüber. Dafür wurde extra eine Schnittstelle mit Standards geschaffen, um Schneid-Files automatisch zu übertragen oder Rückmeldungen über geschnittene Anzahl, Schneidzeit und so weiter automatisch zu übertragen. Die Wasserstrahl-Software ist immer der Schlüssel, um die flexiblen Möglichkeiten voll auszunützen. Für den Wechsel zwischen den unterschiedlichen Konturen und Materialien genügt beim Wasserstrahl ein Klick in der Software, ähnlich wie beim Laser. Auch bei TCI Cutting bietet man Features aus Industrie 4.0 an, wie Joblisten für automatisierte Produktion, Sammeln, Verarbeiten und Aufbereiten von Maschinendaten, Pushnachrichten über Maschinenstatus und anstehende Wartungsintervalle aufs Smartphone.

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