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Grundlagenwissen

Wie funktioniert Wasserstrahlschneiden?

| Redakteur: Frauke Finus

Beim Wasserstrahlschneiden werden Werkstücke durch einen Hochdruckwasserstrahl voneinander getrennt. Hierzu wird entweder speziell aufbereitetes Wasser oder zusätzlich ein Abrasivmittel verwendet.

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Wasserstrahlschneiden mit Abrasivmittel.
Wasserstrahlschneiden mit Abrasivmittel.
( Bild: Knuth )

Die Geschichte des Wasserstrahlschneidens

Wasserstrahlschneiden kam Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts auf. Zunächst wurde das Verfahren zum Abtragen von Ton- und Kiesablagerungen verwendet. Wenig später wurde das Wasserstrahlschneiden in den US-amerikanischen Goldminen eingesetzt, um Steine und Erde von den Goldadern zu entfernen. In den 1930er Jahren nutzten amerikanische und russische Ingenieure das Verfahren zur Reinigung von Gussstücken. Der zum Wasserstrahlschneiden genutzte Druck betrug damals lediglich 100 bar. Das erste Patent für eine Maschine, die mit einem Druck von 700 bar zum Wasserstrahlschneiden genutzt wurde, sicherte sich Norman Franz, Professor an der Universität von British Columbia.

In den 1960er Jahren wurde der Flugzeughersteller Boeing auf das Wasserstrahlschneiden aufmerksam, da dies eine optimale Verarbeitung der damals neu eingeführten Verbundwerkstoffe versprach. McCartney Manufacturing, ein Tochterunternehmen von Ingersoll-Rand, setzte ab 1971 Wasserstrahlschneiden kommerziell ein, um Papierrohre zu bearbeiten. Damals wurde ausschließlich mit dem reinen Wasserstrahlschneiden gearbeitet, bevorzugt wurden Materialien für die Luft- und Raumfahrt geschnitten sowie Papierwindeln. Die Hochdruckpumpen von Ingersoll-Rand schafften es, einen Druck von bis zu 3800 bar beim Wasserstrahlschneiden aufzubauen. Deren Tochterunternehmen Bestmatik aus Schweden konzipierte einen speziellen Schneidtisch, um Holzpuzzles präzise per Wasserstrahlschneiden zu bearbeiten.

Rasch stellte sich heraus, dass reines Wasserstrahlschneiden sich zwar hervorragend für weiche mit maximal mittelharte Werkstoffe eignet, aber Materialien wie Stahl, Keramik, Glas und Stein außen vorbleiben. Die Versuche, das Wasserstrahlschneiden mit einem Schleifmittel zu verbessern waren Anfang der 1980er Jahre dann endlich von Erfolg gekrönt. 1984 nahm Ingersoll-Rand das abrasive Wasserstrahlschneiden

in seine Produktpalette auf. Ende der 1990er Jahre optimierte der Hersteller Flow das Verfahren erneut. Der sogenannte Dynamic Waterjet wartet mit noch höherer Präzision und der Möglichkeit, auch sehr dicke Werkstücke zu schneiden, auf.

Was ist Wasserstrahlschneiden? Beim Wasserstrahlschneiden handelt es sich um eine Kaltschneidetechnologie, die es erlaubt, Metalle und andere Werkstoffe durch einen Hochdruckwasserstrahl voneinander zu trennen. Hierzu wird entweder speziell aufbereitetes Wasser oder zusätzlich ein Abrasivmittel mit dem Zusatz von Sand verwendet.

STM zeigt in seinem Video schematisch die Technologie dargestellt, die hinter dem Wasserstrahlschneiden steckt.

Das Verfahren Wasserstrahlschneiden

1. Welche Vorbereitung beziehungsweise Vorbehandlung ist nötig?

Beim Wasserstrahlschneiden wird der Werkstoff entweder durch einen Hochdruckwasserstrahl alleine oder durch die Beimischung eines Abrasivmittels durchgeführt. Zum Wasserstrahlschneiden ist ein hoher Druck notwendig, der bis zu 6200 bar betragen kann, was eine Austrittsgeschwindigkeit von 1000 m/s bewirkt. Es findet dabei nur eine geringe Erwärmung statt. Der hohe Druck erzeugt eine Keimfreiheit des verwendeten Wassers, wobei dieses bestimmte Mindestanforderungen erfüllen muss. Damit die Pumpe optimal arbeiten kann, muss das Wasser unter Umständen speziell aufbereitet werden.

Da bei diesem hohen Druck Standardwasseraufbereitungsverfahren wie Enthärtung oder auch Umkehrosmose nur bedingt funktionieren, handelt es sich hierbei um eine Arbeit, die von einem erfahrenen Spezialisten durchgeführt werden muss. Zu beachten ist weiterhin der Schalldruck bis zu 120 dB, der beim Wasserstrahlschneiden durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit erzeugt wird. Emissionen können bedeutend reduziert werden, wenn das Wasserstrahlschneiden unter Wasser erfolgt, die Düse mit einer Wasserglocke ummantelt wird oder im Strahlfänger der Wasserspiegel erhöht wird.

2. Komponenten des Wasserstrahlschneidens

Eine Maschine zum Wasserstrahlschneiden besteht aus den folgenden Hauptkomponenten, die unterschiedlich miteinander kombinierbar sind:

  • Speicher
  • Führungsmaschine, CNC-gesteuert
  • Hochdruckverrohrung
  • Öltank und Ölpumpe
  • Druckübersetzer
  • Elektromotor
  • Wasseraufbereitung zum Entsalzen und Filtern
  • Düse mit Durchmesser zwischen 0,1 und 0,5 mm sowie Ventil

Daneben ist eine Maschine zum Wasserstrahlschneiden wie folgt aufgebaut:

Maschinenrahmen: Die Achsen der Maschine werden von Stahlrohren getragen. Die Führungen werden mit geringer Spannung gefräst, geschabt, geschliffen oder auch geglüht. Per Laserinterferometer wird der Rahmen und die Führung auf die richtige Ausrichtung überprüft und mit Dübeln ausgerichtet. Beim Wasserstrahlschneiden wird generell eine Portalbauweise bevorzugt, wobei zwischen Flachbrett für gewöhnliche Arbeiten und Hochportalanlagen für spezielle Abmessungen zu unterscheiden ist. Auf diese Art lassen sich auch sehr groß dimensionierte Maschinen konstruieren, bei denen das Portal eine Spannweite von bis zu 5000 mm hat. Die beiden Führungsachsen lassen sich über eine CNC-Steuerung koppeln, was bedeutet, dass beide Achsen wie eine agieren. Zudem gibt es noch Varianten als Tragarm, die mit einer einseitigen Querbalkenführung aufwarten. Der Zugang zum Schneidebereich ist dadurch vereinfacht, zudem ist der Anschaffungspreis dieser Maschinen günstiger. In der Vergangenheit funktionierte das Wasserstrahlschneiden mit der Portalbauweise präziser, da es zu weniger Schwingungen kam. Neuere Tragarm-Systeme sind mittlerweile jedoch schwingungsreduziert, sodass Sie hier dieselbe Leistung wie bei einer Portalmaschine erreichen.

Strahlvernichter: Nachdem der Wasserstrahl seine Aufgabe erfüllt hat, besteht im Strahl selbst noch eine hohe Restenergie. Um diese abzubauen, werden häufig Wasserbecken als eine Art Strahlfänger verwendet. Damit diese Restenergie in Wärme umgewandelt werden kann, empfiehlt sich eine Wassersäule von 600 mm. Dieses Wasserbecken sollte von der Maschine selbst abgetrennt sein, da sich sonst das Wasser nach einigen Arbeitsstunden auf zweistellige Temperaturen erwärmen kann. Sind Becken und Maschine gekoppelt, kann es langfristig zu Verschiebungen kommen, die sich auf die Schneidepräzision auswirken. Daneben gibt es die sogenannten Catcher, womit beim Wasserstrahlschneiden ein Fangbecken bezeichnet wird, das auf die Bewegungen der Schneidachse abgestimmt ist. Catcher haben eine extreme Schallemission, daneben tritt viel Spritzwasser auf. Die Restenergie wird mittels integrierter Keramikkugeln umgewandelt. Im Umlauf befinden sich nur geringe Wassermengen. Aus diesem Grund erfolgt die Erwärmung schneller, ist allerdings vom Werkstück abgekoppelt.

Hochdruckpumpe: Damit der Wasserstrahl beim Wasserschneiden möglichst pulsationsfrei ist, kommt eine Hochdruckpumpe zum Einsatz. Einfache Modelle werden lediglich mittels Druckluft betrieben, was zu einem schlechten Wirkungsgrad führen kann. Verbreiteter beim Wasserstrahlschneiden sind Hochdruckpumpen, die durch Ölhydraulik einen Druck bis 200 bar erzeugen. Ein Proportionalventil ermöglicht die Druckregelung. Komprimiertes Öl wird zunächst in den Hochdruckübersetzer gepumpt. Dort wirkt es mit Übersetzungsverhältnissen von 20:1-40:1 auf die Wasserfläche. Dadurch wird ein Druck von bis zu 6200 bar ermöglicht. Das Wasser gelangt danach in einen Pulsationsdämpfer, der wie ein Gashochdruckspeicher als eine Art Pufferzylinder mit 1 bis 2 l Volumen funktioniert. Druckschwankungen bei der Umkehrung des Hydraulikkolbens werden so gedämpft. Je größer diese Puffer konzipiert sind, desto besser ist die Schneideleistung. Heutige Anlagen verfügen über eine Leistung zwischen 11 und 149 kW bei einer Fördermenge von bis zu 15,2 l pro Minute. Neuere Maschinen setzen Schneidpumpenaggregate mit Plungerpumpen ein, die direkt einen Druck von 4100 bar erzeugen können. Dadurch wird die Hydraulik und durch die geringe Pulsation außerdem der Pulsationsdämpfer überflüssig. Der erzeugte Volumenstrom beträgt bis zu 100 l/m bei einem Druck von 3800 bar und einer Antriebsleistung von 7450 kW. Außerdem gibt es für die Hochdruckpumpen zum Wasserstrahlschneiden verschiedene Antriebskonzepte im Vergleich.

Entsorgung des Schneidewassers: Im Abrasivverfahren ist das Schneidewasser mit verschiedenen Stoffen vermischt, weshalb das Wasser aus dem Strahlvernichter entfernt werden muss. Hierzu stehen Kratzförderer zur Verfügung, die Reste kontinuierlich aus dem Strahlvernichter entfernen. Es existieren zudem Modelle, bei denen das Wasser manuell entfernt wird. Nachdem das Wasser gefiltert wurde, kann es wieder zum Wasserstrahlschneiden verwendet werden. Durch Abrasive Recycling können Kosten und Ressourcen beim Wasserstrahlschneiden gespart werden.

Steuerkomponenten: Wasserstrahlschneiden wird ausschließlich mit einer CNC-Steuerung durchgeführt. Einfach Maschinen haben eine Plottersteuerung. Bei hochwertigen Modellen finden Sie Steuerungen mit adaptierten Vorschubgeschwindigkeiten, bei denen zudem die Achsen interpoliert werden. Neben einer CAD-Schnittstelle haben diese Maschinen zum Wasserstrahlschneiden auch über eine CAM-Anbindung. Einige Modelle verfügen über eine PC-Steuerung, die auch CNC-ungeübten Anwendern das Wasserstrahlschneiden erlaubt.

Welche Arten von Wasserstrahlschneiden gibt es?

Beim Wasserstrahlschneiden werden Materialien mithilfe eines Hochdruckwasserstrahls getrennt. In der Industrie wird dabei ein Druck eingesetzt, der zwischen 1000 und 4000 bar beträgt, es ist jedoch – abhängig von der Konsistenz des zu schneidenden Materials – möglich, den Druck auf bis zu 6200 bar zu erhöhen. Der Druck, der auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübt wird, bestimmt die Tiefe des Schnittes. Unter einem Druck von 600 bar ist überhaupt kein Materialabtrag möglich. Mit der Höhe des Drucks steigt die Schnitttiefe linear an. Der Durchmesser der verwendeten Düse muss proportional zur Schnitttiefe gewählt sein, beim Abstand der Düse hingegen umgekehrt proportional.

Durchschnittlich beträgt die Austrittsgeschwindigkeit 900 bis 1000 m/s. Typisch für dieses materialschonende Verfahren ist eine nur geringe Hitzeentwicklung. Beim reinen Wasserstrahlschneiden wird lediglich Wasser zum Schneiden genutzt. Das Endergebnis wird von den Parametern Pumpendruck, Düsenabstand, Durchmesser der Düsen sowie der Vorschubgeschwindigkeit bestimmt. Die Wahl dieser Parameter bestimmt den Energieeintrag direkt an der Wirkstelle und somit auch die Qualität der Oberfläche und die erreichte Produktivität des Schnittes. Bei härteren Materialien wird das abrasive Wasserstrahlschneiden angewendet. Hier wird zusätzlich ein Abrasivmittel zugesetzt, was weitere Parameter im Verfahren wie Fokusdurchmesser, Fokuslänge, Härte, Körnung und Massenstrom erfordert. Die Fuge wird dadurch breiter, die Trennbarkeit jedoch erhöht.

1. Rein-Wasserstrahlschneiden

Mit reinem Wasser lassen sich sowohl weiche als auch festere, zähe Werkstoffe bearbeiten. Die Trennung in Einzelteile erfolgt bei diesem Verfahren durch reines, gefiltertes Wasser. Da kein Staub und keine Späne entstehen oder toxische Gase freigesetzt werden, ist diese Variante des Wasserstrahlschneiden umweltfreundlich. Nach Abschluss des Schneidevorgangs kann das Wasser weiter genutzt und schlussendlich dem Wasserkreislauf zugeführt werden. Der Durchmesser des Wasserstrahls ist relativ klein, wodurch eine Entstehung von Tropfen vermieden wird. Er kann geringer als 0,1 mm sein. Gerade bei Materialien von nur geringer Dicke können so optimale, passgenaue Schneideergebnisse erzielt werden. In der Regel kommen Maschinen mit mehrerer Düsen zum Einsatz, die dabei auf einer oder mehreren Traversen montiert sind. Wenn während des Schneidevorgangs ein Druck von 4000 bar aufgebaut wird, ist es möglich, Textilien bis zu einer Dicke von 30 mm akkurat zu trennen.

Das Prinzip des Wasserstrahlschneidens mit Abrasivmittel.
Das Prinzip des Wasserstrahlschneidens mit Abrasivmittel.
( Bild: STM )

2. Abrasiv-Wasserstrahlschneiden

Aus einem Reinwasserstrahl kann ein Abrasivwasserstrahl erzeugt werden. Hierzu werden dem Schneidkopf drei zusätzliche Komponenten hinzugefügt:

  • Reinwasser-Fokussierdüse
  • Abrasiv-Mischkammer
  • Abrasivfokussierdüse

Weiterhin ist die Zugabe eines Abrasivmittels erforderlich. Zunächst sorgt die Reinwasserdüse dafür, dass hoch komprimiertes Wasser zu einem Strahl geformt wird. Mit einer Geschwindigkeit von 1000 m/s schießt dieser Strahl durch die Abrasiv-Mischkammer, wodurch im Schneidekopf ein Vakuum entsteht. Durch eine minimale Öffnung im Schneidekopf kann nun das eigentliche Schneide- oder Abrasivmittel in die Mischkammer gesaugt werden. Dort vermischt es sich mit dem Wasserstrahl und tritt, durch die Düse fokussiert, zum Schneiden aus. Dieser Strahl ist im Schnitt 0,2 mm größer als beim reinen Wasserstrahlschneiden. Als Abrasivmittel wird häufig Granatsand oder Olivsand eingesetzt. Je härter das verwendete Abrasivmittel ist, desto höher ist das Schneidevermögen. Zuweilen wird, vor allem für weichere Werkstoffe, Korund verwendet. Stahl kann so bis zu einer Dicke von 50 mm und andere Metalle bis zu einer Dicke von 120 mm geschnitten werden.

Das Wasserstrahlschneiden von beeindruckend dicken Blechen zeigt Schmidt in diesem Video.

Weitere Verfahren von Wasserstrahlschneiden

Das Mikrowasserstrahlschneiden von kleinsten Strukturen benötigt eine komplexe Strahlsteuerung.
Das Mikrowasserstrahlschneiden von kleinsten Strukturen benötigt eine komplexe Strahlsteuerung.
( Bild: Omax )

Das Mikrowasserstrahlschneiden wartet mit einem deutlich verkleinerten Wasserstrahldurchmesser auf, wodurch eine Schneidegenauigkeit von +/-0,01 mm erreicht wird. Dadurch reduziert sich auch die Schnittbreite beim reinen Wasserstahlschneiden auf 0,08 mm sowie beim abrasiven Wasserstrahlschneiden auf 0,2 mm. Wasserstrahlschneiden in 3D ermöglicht Ihnen dreidimensionales Schneiden, wodurch sich sehr komplexe Teile einzeln oder in Serie anfertigen lassen. Der Schneidekopf ist bei diesem Verfahren schwenkbar.

Weitere Informationen zum Wasserstrahlschneiden in 2D und 3D finden Sie hier.

Ein aktuelles Forschungsprojekt bringt Wasserstrahlschneiden auf neue Ebene.

Mögliche Alternativen zum Wasserstrahlschneiden

Bei einer Vielzahl von Materialien ist der direkte Kontakt zum Wasser nicht erwünscht. Diese Alternativen zum Wasserstrahlschneiden stehen Ihnen zur Verfügung:

Plasmaschneiden: Bei diesem System kommt ein spezielles Gas zum Einsatz, das bei 30.000 °C zu Plasma wird. Druckluft leitet das geschmolzene Material aus der Schnittfuge. Das Verfahren ist beliebt bei Stahl mit einer Stärke von bis zu 15 mm. Die Schneidegeschwindigkeit ist ein großer Vorteil dieses Verfahrens.

Laserschneiden: Das Laserschneideverfahren fokussiert mittels Licht Energie auf den zu bearbeitenden Werkstoff. So verdampft das Material punktuell. Am Schnittspalt ist bei hochwertigen Maschinen nahezu nichts zu sehen. Komplexe und spitzwinklige Schnitte sind so machbar. Es handelt sich um eines der präzisesten Verfahren überhaupt.

Plotter: Mithilfe eines Tangential- oder Schleppmessers wird der Werkstoff bei einem Messerplotter zertrennt. Schneideeinsätze sind austauschbar, sodass sich eine Vielzahl von Materialien schneiden lässt. Die Anschaffungskosten sind gering. Fräsen und neue Schneideeinsätze verursachen langfristig jedoch Kosten. Ein Plotter ist für Sie nur dann interessant, wenn Sie sehr dünne Materialien wie Folien und Textilien schneiden müssen.

Weitere Informationen zu den Vor- und Nachteilen des Wasserstrahlschneidens im direkten Vergleich zu anderen Trennverfahren in der Blechbearbeitung finden Sie hier.

Hersteller, wie zum Beispiel TCI Cutting, bieten einen schnittigen Mix: Wasserstrahlschneiden mit Plasmacutting kombiniert..

Wasserstrahlschneiden – die Anwendungsbeispiele

Bei folgenden Werkstoffen kommt das Wasserstrahlschneiden mit reinem Wasser bevorzugt zum Einsatz:

  • Textilien
  • Kunststoffe
  • Papier
  • Faserstoffe
  • Elastomere
  • Folien
  • Dichtungsmaterialien
  • Dämmstoffe
  • Schaumstoff
  • Silikon
  • Leder
  • Lebensmittel

Mit dem Abrasiv-Wasserstrahlschneiden können die folgenden Werkstoffe sauber getrennt werden:

  • Stahl
  • Aluminium
  • Titan
  • Laminate aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Schmelzpunkten
  • Glas, auch Panzerglas
  • Keramik
  • Marmor
  • Holz
  • Grafit
  • verschiedene Gesteinsarten

Bei Wasserstrahlschneiden mit reinem Wasser können folgende Materialdicken geschnitten werden:

  • Papier und Karton: 0,2 bis 5 mm
  • Kunststoffe (auch glasfaserverstärkter und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff: 5 mm
  • Sperrholz: 5 mm
  • Leder: 5 mm
  • Gummi: 25 mm
  • Dämmstoffe: 100 mm

Im Abrasivverfahren sind beim Wasserstrahlschneiden folgende Dicken trennbar:

  • Verbund aus Faser-Kunststoff: 5 mm
  • Titan: 20 mm
  • Stahl: 25 mm
  • Aluminium: 30 mm
  • Keramik: 30 mm
  • Glas: 35 mm
  • Beton: 50 mm
  • Naturstein: 50 mm

Wasserstrahlschneid-Verband EWJCAIn Aarwangen in der Schweiz hat der europäische Wasserstrahlschneid-Verband EWJCA (European Waterjet Cutting Association) seinen Hauptsitz. Er vertritt die Interessen der paneuropäischen Wasserstrahlschneider. Der Verband bezweckt Maßnahmen zur Förderung der Unternehmen. Dazu zählen Standards für die Maschinenzulassung, die Erarbeitung von Sicherheits- und Qualitätsrichtlinien sowie die Förderung nachhaltiger Arbeitsprozesse.

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Knuth; KMT; STM; Bild: Eckelmann; Stumpp / TU Chemnitz; TCI Cutting; STM Stein-Moser GmbH; Perndorfer; Archiv: Vogel Business Media; Anca; ; Omax; Schuler; Meusburger; picsfive - Fotolia; LVD; Trumpf; Eutect / Lebherz; Stefanie Michel; RK Rose+Krieger; Lucas+Dursski; Mack Brooks; Schall; J.Schmalz; Inocon; Zeller + Gmelin; Okamoto Europe; Lantek; Simufact; IKT; Schöller Werk; Vollmer; Wirtschaftsvereinigung Stahl; © earvine95, pixabay; Thyssenkrupp; Esta; IFA; CWS; totalpics; Design Tech; Deutsche Fachpresse; Automoteam; MPA Stuttgart