Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Wasserstrahlschneiden, ein relativ junges Trennverfahren mit großem Potential für die Zukunft. Ziel ist es, das im Vergleich zu Alternativen noch relativ unbekannte Trennverfahren bekannter zu machen und dessen Potential für die Zukunft zu analysieren. Es werden die verschiedenen Verfahrensmöglichkeiten und deren Anwendungsgebiete aus technischer Sicht erklärt und verglichen. Zudem wird ein kurzer Überblick über alternative Trennverfahren gegeben und mit dem Wasserstrahlschneiden in einem Vergleich gegenübergestellt.

Da dieses Verfahren noch laufend weiterentwickelt wird, sind die aktuellsten In-formationen noch nicht aus Literaturquellen, sondern großteils aus dem Internet bzw. von Herstellern und Entwicklern dieses Verfahrens zu beziehen. Die Autorin hat die in dieser Arbeit angeführten Daten nach bestem Wissen und Gewissen auf den neuesten Stand der Technik bezogen, weist jedoch darauf hin, dass aufgrund der laufenden Forschungen demnächst verbesserte bzw. neue Parameter zur Verfügung stehen könnten.

Obwohl das Wasserstrahlschneiden derzeit noch kein anderes Trennverfahren vollständig substituieren kann, zeigt eine Analyse der unterschiedlichen Methoden aus technischer Sicht deutlich die Vorteile dieses Verfahrens und lässt das große Potential für die Zukunft erkennen.

II

Abstract

This thesis deals with waterjet cutting, a relatively young cutting process, but with a huge potential for the future. The aim of this paper is to make this - compared to alternative cutting processes - nameless method more known and analyze its potential for the future. The different process types are matched and their application ranges are explained and compared from a technical perspective. Furthermore, the paper includes a short overview of different alternative cutting processes and a comparison with waterjet cutting.

As this method is currently developed, the latest information cannot be found in literature yet but mainly in the internet respectively from producers and developers of this process. The author obtained the present data in all conscience according to the latest technical up-to-date information, though it is pointed out that improved or upgraded information could be available soon as a result of the ongoing developments.

Though waterjet cutting is currently not able to substitute another industrial cutting process, an analysis of the different methods shows the advantages of this process from a technical perspective and indicates its huge potential for the future.

III

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis   VI

Tabellenverzeichnis   VI

Formelverzeichnis   VI

Abk  ürzungsverzeichnis  VII

1  Einleitung  1

2  Wasserstrahl-Bearbeitungsverfahren  2

2.1  Reinigung  2

2.2  Entgraten  2

2.3  Schneiden.  3

2.4  Übersicht der Einsatzmöglichkeiten  3

3  Trennen durch Abtragen  4

3.1  Chemisches Abtragen (CM)  4

3.2  Elektrochemisches Abtragen (ECM)  5

3.3  Thermisches Abtragen  6

3.4  Mechanisches Abtragen  7

4  Wasserstrahlschneiden  8

4.1  Technologische Grundlagen  8

4.1.1  Physikalische und spezifische Grundlagen  8

4.1.2  Qualität  11

4.2  Wasserstrahl-Schneidemaschinen  13

4.1  Reinwasserstrahlschneiden  15

4.2  Wasserabrasivschneiden.  16

4.2.1  Wasserabrasiv-Injektorstrahlschneiden  16

4.2.2  Wasserabrasiv-Suspensionsstrahlschneiden  17

IV

4.3  Mikro-Wasserstrahlschneiden  18

4.4  Vor- und Nachteile  20

4.5  Exkurs: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung  21

4.6  Anwendungsgebiete  22

4.6.1  Gängige Anwendungsgebiete  22

4.6.2  Spezielle Anwendungsgebiete  22

4.6.3  Neue Anwendungsgebiete  23

4.7  Vergleich der Wasserstrahl-Schneidverfahren  24

4.7.1  Reinwasserstrahlschneiden und Abrasivschneiden  24

4.7.2  Wasserstrahlschneiden und Mikro-Wasserstrahlschneiden  25

4.7.3  Résumée  26

5  Vergleich: Wasserstrahlschneiden und Trennverfahren durch  Abtragen27

5.1  Wasserstrahlschneiden und CM/ECM  27

5.2  Wasserstrahlschneiden und thermisches Abtragen  28

5.3  Résumée  29

6  Potentiale/Ausblick  30

6.1  Wasserabrasiv-Suspensionsstrahlschneiden  30

6.2  Mikro-Wasserstrahlschneiden  30

6.3  Mobiles Wasserstrahlschneiden  31

Literaturverzeichnis   32

V

Abbildungsverzeichnis   

Abb.  1: Strömungsgeschwindigkeit nach Venturi  9

Abb.  2: Prinzip einer Anlage zum Wasserabrasivstrahlschneiden  13

Abb.  3: Reinwasserstrahlschneiden  15

Abb.  4: Wasserabrasiv-Injektorstrahlschneiden  16

Abb.  5: Wasserabrasiv-Suspensionsstrahlschneiden  17

Abb.  6: Musterteile Mikro-Wasserstrahlschneiden  19

Tabellenverzeichnis   

Tab.  1: Einsatzmöglichkeiten eines Hochdruckwasserstrahls  3

Tab.  2: Vergleich Reinwasserstrahlschneiden - Abrasivschneiden  24

Tab.  3: Vergleich Wasserstrahlschneiden - Mikro-Wasserstrahlschneiden  25

Tab.  4: Vergleich der Trennverfahren  28

Formelverzeichnis   

Formel  1: Kontinuitätsgesetz  8

Formel  2: Kontraktionsziffer.  9

Formel  3: Strahlgeschwindigkeit  9

Formel  4: Geschwindigkeitsziffer  10

Formel  5: Düsenziffer  10

Formel  6: Wasservolumenstrom  10

Formel  7: Hydraulische Leistung  11

VI

Abkürzungsverzeichnis

CAD Computer-Aided Design CM Chemical Machining ECM Electro Chemical Machining EDM Electro Discharge Machining WAIS Wasserabrasiv-Injektorstrahlschneiden WASS Wasserabrasiv-Suspensionsstrahlschneiden WSS Reinwasserstrahlschneiden

VII

1 Einleitung

In der Wirtschaft ist heute hohe Qualität zu niedrigen Preisen gefordert. Im Bereich „Trennen“ sind viele etablierte Verfahren im Einsatz, jedoch ist die Anwendung jedes dieser Verfahren nur für einen bestimmten Einsatzbereich oder bestimmte Materialien möglich. Dabei gewinnt das Wasserstrahlschneiden nicht nur als umwelt-freundliches Trennverfahren immer mehr an Bedeutung, sondern stellt durch seine Flexibilität und seine vielfältigen Einsatzmöglichkeiten auch eine geeignete Alternative zu „herkömmlichen“ Trennverfahren dar.

Zielsetzung/Gewünschtes Ergebnis

• Erläutern der Verfahrensarten des Wasserstrahlschneidens sowie deren An-wendungsgebiete und Vor- und Nachteile aus technischer Sicht • Schaffen eines Vergleichs zwischen Wasserstrahlschneiden und alternativen

Trennverfahren

• Analysieren von Entwicklungen und Potentialen im Bereich Wasserstrahl-

schneiden

Der interessierte Leser soll einen Einblick in Trennverfahren durch Abtragen und im Speziellen in die Verfahren des Wasserstrahlschneidens erhalten. Durch die Kenntnis der verschiedenen Verfahrensarten sowie über deren Vor- und Nachteile kann beurteilt werden, welche Methode für welchen Einsatz geeignet ist. Zudem wird ein Vergleich von Wasserstrahlschneiden mit alternativen Trennverfahren durchgeführt, um hier ebenfalls einen Einblick über Anwendungsmöglichkeiten sowie Vor- und Nachteile aus technischer Sicht zu erhalten.

Lesergruppe

Die vorliegende Arbeit richtet sich an die an industriellen Trennverfahren interessierte Öffentlichkeit mit technischem Verständnis bzw. Grundwissen. Im Speziellen kann sie Mitarbeitern der Beschaffung und des Qualitätsmanagements als Hilfestellung zu einer möglichen Qualitäts- und Kostenoptimierung durch Vergleich der Verfahren dienen.

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2 Wasserstrahl-Bearbeitungsverfahren

Wasser unter Druck wird in der industriellen Fertigung für verschiedene Zwecke eingesetzt. Die Wasserstrahl-Technologie ist dort inzwischen nicht mehr wegzudenken und wird in Zukunft auch noch weiter an Bedeutung gewinnen. Eingeteilt nach Größe des Druckes bzw. der Strahlgeschwindigkeit bieten sich unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten.

2.1 Reinigung

Das Säubern von Materialien mittels Wasserstrahlen gewinnt immer mehr an Bedeutung, da es eine direkte - und staubfreie - Konkurrenz zum Sandstrahlen darstellt. Es wird mit Drücken zwischen 350 bar und 800 bar gearbeitet. Beispielsweise Flugrost oder Beschichtungen können schon mit solchen relativ geringen Drücken

schnell und wirtschaftlich entfernt werden. 1

Auch beim Gussputzen punktet der Wasserstrahl. Häufig bei komplexen, gegossenen Geometrien eingesetzt, kann der Wasserstrahl sowohl selbständig dem Strömungskanal folgen, als auch durch Schläuche an die zu bearbeitenden Stellen herangeführt werden. So können beispielsweise in Ventilgehäusen und Pumpenrädern relativ einfach Form- und Kernreste entfernt werden. 2

2.2 Entgraten

Der Wasserstrahl eignet sich hervorragend, um Grate zu entfernen. Besonders an schwer zugänglichen Stellen im Werkstückinneren - etwa bei sich kreuzenden Bohrungen - wird das Wasserstrahlverfahren zur Gratentfernung genutzt. Durch Berechnung des richtigen Wasserdruckes und der Strahlrichtung ist es möglich, die Grate sauber abzubrechen, ohne dabei den Grundwerkstoff anzugreifen. Wenn nötig, kann dem Wasser auch Abrasivmittel zum Entgraten beigemengt werden. 3

¹ Vgl.: Fritz, Alfred Herbert/Schulze, Günter (2009): Fertigungstechnik. 8., neu bearbeitete Auflage. Berlin: Springer Verlag. S. 378.

² Vgl.: Spur, Günter (Hrsg.)/Stöferle, Theodor (1987): Abtragen, Beschichten. München Wien: Carl Hanser Verlag (= Handbuch

der Fertigungstechnik. Abtragen, Beschichten und Wärmebehandeln 4/1). S. 22.

³ Vgl.: Spur/Stöferle (1987): Abtragen, Beschichten. S. 23.

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