Trennverfahren für die Blechbearbeitung - Wasserstrahlschneiden

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Geschichte der Wasserstrahlschneidtechnik
1.2 Einordnung in die Trennverfahren nach DIN

2. Grundlegendes Verfahrensprinzip

3. Verfahrensarten

4. Wasserabrasivstrahl
4.1 Injektorstrahl
4.2 Suspensionsstrahl
4.3 Maschinen- /Anlagentechnik

5. Anwendungsbereiche

6. Wirtschaftlichkeit

7. Vorteile/ Nachteile

8. Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Verzeichnis der Abbildungen

Gesonderter Anhang

1. Einleitung

1.1 Geschichte der Wasserstrahlschneidtechnik

Über Jahrmillionen führt die Kraft des Wassers in der Natur zu Auswaschungen und Abtragungen der Erdoberflächen in Form von Erosionen.

Nutzbringend wurde der gebündelte Wasserstrahl bereits vor mehr als hundert Jahren beim Abbau von Tonablagerungen eingesetzt. Aber auch in den kalifornischen Goldminen wurde der Wasserstrahl ver-wendet, um Goldadern von Gestein und Erdreich zu trennen (vgl. [FRI-04, S.362]).

Etwa ab den 1930er Jahren verwendeten amerikanische und russische Ingenieure diese Technologie im Bergbau und zum Putzen von Gussstücken, wobei erstmals mit Wasserdrücken von 100 bar gearbeitet wurde (vgl. [FRI-04, S.362]). Der entscheidende Impuls zum industriellen Einsatz des Wasserstrahles er-folgte Ende der 60er Jahre. 1968/70 wurde die Technik in der Flugzeugindustrie zum Schneiden von Faserverbund- und Schichtwerkstoffen eingeführt. Diese Materialien reagieren besonders empfindlich auf hohe Temperaturen und Drücke. Mit anderen konventionellen Verfahren wird beim Trennen die Struktur (d.h. die Gebrauchseigenschaften) dieser Werkstoffe bis zur Unbrauchbarkeit zerstört (vgl. [FRI-04, S.362]).

Schon 10 Jahre später, etwa 1979/80, gelang der Durchbruch mit der Beimischung von Feststoffpartikeln durch „Injektorprinzip“ [BEC-03, S.48] (Wasserstrahl-Abrasiv-Schneiden) zum Druckwasserstrahl. Mit dieser Verfahrensvariante lassen sich die kompakten, harten und spröden Werkstoffe (sämtliche Metalle, Glas, Keramik, Gestein, Faserverbundwerkstoffe, Holz, Kunststoffe) trennen (vgl. [FRI-04, S.362]).

1.2 Einordnung in die Trennverfahren nach DIN

Das Wasserstrahlschneiden ist nach DIN 8580 - Fertigungsverfahren einzuordnen.

Aus der in Abb.1 beschriebenen Einteilung ergeben sich sechs Hauptgruppen der Fertigungsverfahren, die die Ordnungsnummern 1 bis 6 enthalten. In diesen Hauptgruppen können alle existierenden und denkbaren Fertigungsverfahren eingeordnet werden. Jedes Fertigungsverfahren erhält dann ebenfalls eine Ordnungsnummer, wobei die erste Stelle die Hauptgruppe, die zweite Stelle die Gruppe innerhalb der Hauptgruppen, die dritte Stelle die Untergruppe innerhalb der Gruppe usw. angeben [DIN-03].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1 Übersicht über die Einteilung der Hauptgruppen [DIN-03]

Das Wasserstrahlschneiden wird als Untergruppe 3.3.6 (Strahlspanen) in das Ordnungssystem nach DIN 8580 eingeordnet und gehört zur Gruppe 3.3 (DIN 8589) „Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden“ (Abb.2). Das Strahlspanen (DIN 8200) ist ein Fertigungsverfahren bei dem Strahlmittel (als Werkzeuge) in Strahlgeräten unterschiedlicher Strahlsysteme beschleunigt und zum Aufprall auf die zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstückes (Strahlgut) gebracht werden (vgl. [WES-04, S.140]).

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Abb.2 Übersicht über die Unterteilung der Hauptgruppe 3 [DIN-03]

Die Untergruppe 3.3.6 „Strahlspanen“ unterteilt sich wiederum in das Abtragstrahlen, Trennstrahlen und Entgratstrahlen. Das Wasserstrahlschneiden wird letztlich der Untergruppe Trennstrahlen zugeordnet.

2. Grundlegendes Verfahrensprinzip

Beim Start eines Schneidvorgangs schaltet sich die Hochdruckpumpe (Abb.6) ein und erzeugt einen sehr hohen Druck von bis zu 4000 bar. Hochdruckleitungen (Abb.6) führen das Wasser anschließend bis zum Schneidkopf, der über der Einstichstelle am Werkstück positioniert ist. Der Einstich kann durch ein gebohrtes Startloch am Werkstück erfolgen oder in 2 bis 3 mm Abstand durch Hin- und Herbewegung auf einer Geraden bzw. durch kreisförmige Bewegung im Abfallteil beginnen (vgl. [SCH-00, S.332]).

Ein Hochdruckventil vor der Wasserdüse (Abb.6) mit einem Innendurchmesser von 0,08 bis 0,5 mm schließt im Schneidkopf die Hochdruckleitung ab. Bei geregelter Öffnung des Ventils fließt das Druckwasser in den Schneidkopf und trifft beim Schneidvorgang fokussiert aus der Düse des Schneidkopfs aus 1 bis 2 mm Abstand auf das Werkstück (vgl. [SCH-00, S.332].

„Die im Schneidstrahl enthaltene kinetische Energie wird beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche in potentielle Energie umgewandelt, die sie stoßartig beansprucht. Die dadurch hervorgerufenen Span-nungen haben elastische bzw. plastische Verformungen zur Folge“ [FRI-04, S.362]. Der Strahl reißt dabei mikroskopisch kleine Werkstoffteilchen aus dem Material und arbeitet sich immer tiefer in das Werkstück hinein. Aufgrund der großen Reibungskräfte an den Schnittflächen verliert der Strahl mit wachsender Tiefe an Energie und die Schnittqualität nimmt proportional ab (vgl. [FRI-04, S.363].

Mit der Kompression des Wassers durch den hohen Druck und der engen Öffnung der Düse entsteht ein hiesiger Beschleunigungseffekt, der den Wasserstrahl zu einem scharfen Werkzeug für vielfältige Anwendungen im Blechzuschnitt macht.

3. Verfahrensarten

Bei allen Verfahren der Wasserstrahltechnik wird die hohe Energie des Wasserstrahls zum Bearbeiten genutzt. Je nach Verfahren wirkt er dabei als reiner Wasserstrahl (Abb.3) direkt am Werkstück oder dient zum Transport (Suspensionsstrahl, Abb.4) oder zur Beschleunigung von Abrasivpartikeln^[1] (Injektorstrahl Abb.5), die am Werkstück eine wesentlich größere Wirkung erzielen (vgl. [WES-04, S.141]).

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Abb.3 Reinwasserstrahl [WES-04, S.141] Abb.4 Injektorstrahl [WES-04, S.141] Abb.5 Suspensionsstrahl [WES-04, S.141]

Unter dem Reinwasserstrahlschneiden, auch Purwasserstrahlschneiden genannt (Abb.3), versteht man das Bearbeiten bzw. Schneiden ausschließlich mit dem Medium Wasser (vgl. [WAS-05]). Es werden hierbei weiche Werkstoffe (Kunststoffe, Textilien, Papier, Faserstoffe, Schaum- und Dämmstoffe, Lebensmittel) getrennt. Die sehr geringe Schnittwärme und die trotz extremer Energiedichte sehr kleinen Schnitt- und Reaktionskräfte sind die wichtigsten Gründe, die eine Bearbeitung weicher und nachgiebiger Werkstoffe erlauben, ohne ihre empfindliche Struktur zu zerstören (vgl. [FRI-04, S.364]).

Als wesentliche Verfahrensbesonderheit im Vergleich zum Reinwasserstrahl ist beim Abrasivstrahl die Beimengung von Abrasivmitteln (auch Strahlmittel, Schleifmittel oder Feststoffpartikel genannt) zu dem Hochdruckwasserstrahl. Hierbei werden zwei Verfahrensarten eingesetzt, die sich in der Art der Zumischung des Abrasivmittels unterscheiden (vgl. [WES-04, S.141]).

4. Wasserabrasivstrahl

4.1 Injektorstrahl

Bei einem Injektorstrahl wird der durch den Freistrahl erzeugte Unterdruck in einer so genannten Mischkammer (Abb.4) dazu benutzt, ein Gemisch aus Luft und einem Schleifmittel anzusaugen [KÖN-90, S. 196]).

Das heißt, dem Druckwasser wird dabei zum Schneiden harter, fester und dickwandiger Werkstoffe feinkörniger (0,2 - 0,5 mm Durchmesser) Granat- oder Olivinsand (auch Quarzsand, Korund [WES-04, S.141], Silikatschlacke, Glasperlen und Eisenschrot [KÖN-90, S. 197]) in der Mischkammer zugesetzt, wodurch eine Mikrozerspannung erfolgt. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit des durch die Wasserdüse gebildeten Druckwasserfreistrahls erzeugt anschließend in der Mischkammer (Abb.6) den Unterdruck, der infolge dessen das Abrasivmittel ansaugt [FRI-04, S.365]. Seine Energie wird dabei an die Feststoffpartikel übertragen.

Im mechanisch sehr hoch beanspruchten Mischrohr (Fokussierrohr Abb.4) wird der mit dem Abrasivmittel vermischte Wasserstrahl erneut gebündelt und auf das Werkstück gelenkt (vgl. [FRI-04, S.365]). Die Abtragleistung nimmt mit der Härte und Scharfkantigkeit des Abrasivmittels zu. Ebenso wirkt eine möglichst konstante Korngrößenverteilung [FRI-04, S.365].

4.2 Suspensionsstrahl

Beim Suspensionsstrahl wird das Abrasivmittel direkt auf der Hochdruckseite im Abrasivstoffdruckbe-hälter (Abb.5) beigemengt und mit dem Wasser an der Düse beschleunigt (vgl. [WES-04, S.141]).

Eine Verwendung von bereits vorgemischten Abrasivsuspensionen stellt sowohl eine Erweiterung als auch Verbesserung des Wasserabrasivinjektorstrahlschneidens dar. Aktuelle Untersuchungen ergeben, dass derartige Wasserabrasivsuspensionsstrahlen extrem leistungsfähiger als Wasserabrasivinjektor-strahlen sind [HAN-05].

Aufgrund verfahrenstechnischer Probleme und noch nicht ausgereifter Technik findet diese Variante jedoch bislang kaum industrielle Anwendung (vgl. [WES-04, S.141]).

4.3 Maschinen- /Anlagentechnik

„Je nach erforderlicher Teilegenauigkeit werden moderne Wasserstrahlanlagen entweder als Ausleger- oder Portalanlage mit Ein- oder Mehrkopftechnik ausgestattet“ [BEC-03, S.48]. Die Konzepte reichen von Systemen mit einer XY-Führungseinheit bis hin zu robotergeführten Systemen für die Bearbeitung mit dem reinen Wasserstrahl. In der Blechbearbeitung werden jedoch vorwiegend Maschinen in Portalbau-weise eingesetzt, da sie eine hohe Positioniergenauigkeit mit einer großen Dynamik der Bewegungs-einheit verknüpfen (vgl. [HAU-96, S.87]).

Die Basis jeder Wasserstrahlschneidanlage ist die Hochdruck-Erzeugung mittels einer Ultrahochdruck-pumpe (Abb.6) und des Übersetzerprinzips. In modernen Anlagen wird eine solche Pumpe heutzutage für Dauerarbeitsdrücke von mehr als 4100 bar (zum Vergleich: der Druck in einer Haushaltswasserleitung beträgt etwa 6 bar [HAU-96, S.87]) ausgelegt (vgl. [BEC-03, S.48].

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^[1] abrasiv, von abrasio [lat.]: Abtragung, Abschabung [SCH-00, S.332]