Wasserstrahlschneiden

Beim Wasserstrahlschneiden wird ein Werkstück durch einen Hochdruckwasserstrahl getrennt. Dabei wird mit einer Hochdruckpumpe ein Wasserstrahl mit 3500-6000 bar erzeugt. Dabei werden durch den Wasserstrahl oberflächliche und mikroskopische kleine Partikel abgetrennt.

Es wird entweder gefiltertes Wasser (Reinwasserschneiden) oder zusätzlich zum Wasser ein Abrasivmittel (z. B. Sand) verwendet.

Beim Wasserstrahlschneiden ist ein Wasserdruck von 3.500 bis 6.000 bar üblich.

Es gibt 2 Arten des Wasserstrahlschneidens. Das Reinwasserschneiden und das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden. Beim Abrasiv-Wasserstrahlschneiden wird, um eine höhere Schneidleistung zu erreichen, scharfkantiger Schneidsand (Abrasivsand) beigemengt.

Das Reinwasserschneiden eignet sich besonders gut für weiche Materialien wie Schaumstoff, Weichholz, uvm. Das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden ist dagegen für härtere Materialien, wie Metall, Stein, Glas, uvm.

Beim CNC-Wasserstrahlschneiden verschmelzen Software und Maschine zu einem Werkzeug. Dabei wird das Werkstück in der Regel ohne Aufsicht des Mitarbeiters gefertigt und schafft damit neue Ressourcen.

Diese Fertigungsmethode wird u.a. gerne zur Produktion von Prototypen, im Werkzeugbau aber auch bei der Fertigung von Klein- und Großserien angewandt.

• Musterstück digital einspielen (alternativ analog fotografieren und digitalisieren)
• Notwendige Korrekturen vornehmen
• Material und Materialstärke auswählen
• Software berechnet Eigenkosten und empfohlenen Verkaufspreis
• Arbeitsbericht generieren (Material & Bearbeitungszeit werden dokumentiert)

Dank STM SmartCut kann die Flexibilität des Wasserstrahls voll ausgeschöpft werden. Gleichzeitig ist die Bedienung durch vorgeschlagene Strategien und das intuitive Benutzer-Interface sehr einfach.

Die Software kommuniziert direkt zwischen Wasserstrahl-Schneidsystem und einem Standard Office PC als CNC-Kontrolleinheit. StM SmartCut erlaubt schnelleres Abarbeiten von Schneidanforderungen und erfordert keine speziellen CNC- oder EDV-Kenntnisse.

Die Wasserstrahl-Trenntechnologie geht auf einen deutschen Zahnarzt zurück der zu Beginn des 19. Jahrhunderts ein Patent für das Bohren von Zähnen erhalten hat.

Die Technologie des Wasserstrahl-Trennverfahrens in der heutigen industriellen Fertigung beruht hingegen auf dem Prinzip der kinetischen Energie, die ein Wassertropfen hat, wenn er mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus der Wasserdüse austritt. Die Wasserdüse hat dabei die entscheidende Aufgabe, das unter Hochdruck stehende Wasser zu bündeln. Die Wasserdüse ist dabei gerade so groß, dass der Druck nicht abfällt. Typischerweise beträgt der Düsendurchmesser beim Trennverfahren Wasserstrahl Schneiden 0.1 – 0.5 mm.

Die Wassertropfen treten je nach Druck mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus. Bei 4000 Bar beispielsweise ist die Strahlgeschwindigkeit 640 m/sec. Die Wassertropfen trennen bei dieser Geschwindigkeit unterschiedlichste weiche Materialien wie Kunststoffe, Schaumstoffe, Kork, Filz und ähnliche Stoffe.

Wenn mit dem Wasserstrahl-Trennverfahren Metalle, Keramik, Glas oder andere harte Materialien geschnitten werden sollen, muss nach der Wasserdüse Sand (Abrasiv) in eine Mischkammer mit Unterdruck beigemengt werden.

Dazu wird Granatsand mit einer Korngröße von 0,1 bis 0,3 mm verwendet. Der Granatsand ist sehr hart, scharfkantig und schwer genug um ein sehr gutes Schneidergebnis zu erzielen. Gleichzeitig ist er nicht toxisch und kann einfach recycelt sowie in weiterer Folge entsorgt werden.

Typischerweise wird beim Trennverfahren per Wasserstrahl eine 0,35 mm Wasserdüse bei 4000 Bar und 450 g Sand/Minute zum Schneiden verwendet.

Die Trenntechnologie bzw. das Trennverfahren mit Wasserstrahl ist außerdem sehr flexibel, da jegliche Materialen beginnend bei Glas, Stein, Holz, Keramik, bis hin zu Schaumstoff, Filz, Kork und Metalle in unterschiedlichsten Stärken ohne Wärmeeintrag geschnitten werden können.

Das Wasserstrahlschneiden ist äußerst vielseitig und kann eine breite Palette von Materialien wie Metall, Kunststoff, Stein, Glas und Verbundwerkstoffe trennen. Für weiches Material ist das Schneiden mit reinem Wasser ausreichend. Bei härteren Materialien wird sogenannter Abrasivsand beigemengt.

Die Liste der Materialien die mit einem Wasserstrahl geschnitten werden können ist sehr lang. Metall, Stein, Glas, Holz, Kunststoff, Verbundstoff, Carbon & Glasfaser, Schaumstoff, Lebensmittel, uvm.

Wasserstrahlschneiden funktioniert bei nahezu allen Materialien bis zu 300mm Materialstärke. Beim Reinwasserschneiden von Kunst- und Schaumstoffen sind auch Materialstärken über 300mm möglich. 

Der Verzug des geschnittenen Materials wird in herkömmlichen Trennverfahren durch thermische Einflüsse (z.B. Plasmaschneiden oder Laserschneiden) herbeigeführt. Das Wasserstrahlschneiden ist ein Kaltschneideverfahren und ermöglicht es harte und weiche Werkstoffe ohne Materialverformungen und gratfrei zu trennen.

Über 80% der Benutzer von Wasserstrahlanlagen weltweit schneiden mit ±0.1mm oder höhere Genauigkeit.

Die entstehende Verjüngung ist eine Funktion der Schnittgeschwindigkeit. Die größte mögliche Verjüngung ist gleich der maximalen Schnittbreite an der Materialoberfläche (Bsp.: 0,8 mm) und 0,0 mm an der Materialunterseite.

Beim Reduzieren der Schnittgeschwindigkeit wird auch die Verjüngung kleiner, bis man parallele Seiten bekommt. Die übliche Verjüngung bei Präzisionsschnitten liegt zwischen 0,05 und 0,10 mm.

Die Schnittfuge ist um ca. so breit wie der Innendurchmesser vom Fokussierrohr, in den meisten Anwendungen zwischen 0,8 und 1 mm.

Es bestehen folgende Mindestanforderungen an die Wasserqualität:
• pH Wert 7,0 – 8,5
• Carbonathärte 20 – 60 ppm entspricht 2 – 6 ° dH
• Calciumcarbonat (Ca) 35 – 107 ppm
• Chloridgehalt (Cl) 100 mg/l
• Eintrittstemperatur für Speisewasser 10 – 25 °C
• Elektrische Leitfähigkeit bei +25°C 450 µS/cm
• Filtrattrockenrückstand 350 mg/l
• Freies, gelöstes Chlor 1 mg/l
• Speisewasservordruck 0,2 – 2,5 MPa

Abweichungen von diesen Werten führen zu kürzeren Standzeiten der Hochdruckdichtungen der Pumpe und der Wasserdüsen. Es wird deshalb eine Wasseranalyse und falls notwendig eine entsprechende Wasseraufbereitung empfohlen.

Das ist abhängig von der Leistung der HD-Pumpe bzw. Wasserdüse. In der Regel zwischen 2,22 – 14,42 l/min.

Wasserdüse:
• 0,1: 0,32 l/min
• 0,15: 0,71 l/min
• 0,2: 1,22 l/min
• 0,25: 1,87 l/min
• 0,3: 2,66 l/min
• 0,35: 3,57 l/min
• 0,4: 4,60 l/min
• 0,5: 6,82 l/min

Der größte Vorteil ist die Reduktion des Schneidgeräusches auf unter 75 dBA. Der Nachteil des Unterwasserschneidens ist, dass man während des Schneidens das Werkstück nur schlecht bis gar nicht sieht.

Auch das Werkstück-Handling findet unter Wasser statt – es sei denn man hat eine Wasserstandskontrolle im Wassertank. Weiters ist zu sagen, dass der Schneidvorgang eine Leistungsreduktion von ca. 5% bei 1mm Überdeckung mit Wasser erleidet.

Beim abrasiven Wasserstrahlschneiden wird ein Hochdruckwasserstrahl mit abrasiven Schleifmitteln kombiniert. Die Abrasivmittel, oft Granatsand oder Aluminiumoxid, erhöhen die Schneidleistung und ermöglichen das Schneiden von harten Materialien wie Metall, Stein oder Glas.

Granatsand ist bei weitem das am meisten verwendete Abrasiv. Er überzeugt in den Bereichen Anschaffungskosten, Schnittgeschwindigkeit, Mischkopflebensdauer und minimale Gesundheitsrisiken. Andere Abrasive enthalten Olivinsand, Aluminiumoxid und einige künstliche Materialien.

Das hängt vom verwendeten Arbeitsdruck und der eingesetzten Wasserdüse ab. In der Regel zwischen 150-450g/Min. Bei 400 MPa Arbeitsdruck braucht man für optimale Schneidleistung:

• Düse 0.15 mm / Fokus 0,6mm 150g/Min
• Düse 0.25 mm / Fokus 0,8mm 350g/Min
• Düse 0.35 mm / Fokus 1,0mm 450g/Min

Laserschneiden ist ein sehr produktiver Prozess. Nichtsdestotrotz hat der Wasserstrahl einige Vorteile gegenüber dem Laser:

• Keine Probleme mit reflektierenden Materialien wie Messing und Aluminium
• Kein Hitzeeinfluss, daher gibt es kein Verbrennen und keine Veränderung des Materialgefüges durch Hitze
• Mit dem Wasserstrahl können hitzeempfindliche Materialien, wie Kunststoff, Gummi, Verbundwerkstoffe, Glas, Stein und sehr harte Keramik, geschnitten werden
• Beim Materialwechsel muss nur die Schnittgeschwindigkeit angepasst werden
• Weitere Schneidköpfe können ohne weiteres für eine erweiterte Produktion angebracht werden
• Abstand zwischen Düse und Material weniger kritisch
• Wasserstrahlanlagen sind in der Anschaffung günstiger

Wasserstrahlschneiden ist eine moderne Alternative zum Laserschneiden.

Mit Wasserstrahl können flexibel unterschiedlichste Materialien geschnitten werden. Diese reichen von Glas über Kunststoffe, Holze, Keramik und Metalle bis hin zu Sondermetallen wie Sintermetall, Bimetall, Federstahl, Titan, Inconel oder Platin, uvm.

Die Bearbeitung des Materials findet ohne Wärmeeinbringung und somit ohne jegliche Gefügeveränderung statt. Es ist keine weitere Nachbearbeitung des Werkstücks notwendig. Im Vergleich zum Schneiden mit Laserschneidanlagen können bei der Bearbeitung mit Wasserstrahl auch sehr unterschiedliche Materialstärken geschnitten werden.

Plasmascheiden ist ein Hitzeprozess. Es fügt dem Werkstück große Mengen an Hitze zu und hinterlässt eine hitzebeeinflusste Zone.

Die von einem Wasserstrahl erzeugte Oberfläche ist generell besser. Es entsteht kein Grat am Materials, somit ist eine Nachbearbeitung nicht nötig.

Der Abrasiv-Wasserstrahl unterliegt weniger Einschränkung der Schnittstärke und mehrere Arbeitsbereiche eines Strahls können dicht beieinander liegen.

EDM ist sehr genau, aber auch sehr langsam. Ein elektrisch leitendes Material ist zwingend erforderlich und ruft eine Veränderung des Materialgefüges durch Hitze hervor.

Wasserstrahlschneiden ist schnell, benötigt kein leitendes Material und es entsteht keine Veränderung des Materialgefüges.

Wenn man den Materialrand sowie Löcher durchschneidet oder Blindbohrungen und Gewinde erzeugen möchte, ist der Abrasiv-Wasserstrahl für gewöhnlich viel schneller, leichter zu programmieren und auch billiger als ein Fräser.

Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass das Material in einem Zug durchgeschnitten wird und dass keine Metallspäne entstehen.

Wasserstrahlschneiden hat eine höhere Genauigkeit als mit einem Brenn- oder Plasmaschneidsystem erzielt werden kann. Außerdem schneiden Wasserstrahlschneidsysteme höhere Materialstärken als Lasersysteme.

Wasserstrahlschneiden ist nicht für Materialien geeignet, die sich bei Kontakt mit Wasser auflösen oder chemisch reagieren, wie zum Beispiel einige Arten von Gummi, bestimmte Kunststoffe oder Materialien, die von Wasser aufgeweicht werden.

Ebenso sind sehr harte oder spröde Materialien manchmal schwierig zu schneiden, da der Wasserstrahl möglicherweise nicht genug Schneidleistung aufbringen kann. In solchen Fällen sind andere Schneidverfahren wie Laserschneiden oder Drahterosion möglicherweise besser geeignet.

Die Auflagegitter oder Werkstückauflagen halten viele Schneidstunden, vorausgesetzt man schneidet nicht immer auf derselben Stelle. Die Gitter können verschoben, getauscht und umgedreht werden, wie bei Laser- oder Plasmaschneidanlagen.

Die Hochdruckdichtungen müssen ausgetauscht werden, wenn sie undicht sind! Bei einem konstanten Arbeitsdruck von 400 MPa sollten die Dichtungen nach 400 bis 1.000 Schneidstunden ausgetauscht werden.

Fokusse aus gutem Keramik-Carbid halten rund 100 Stunden. Fokusse aus der höchsten Keramik-Carbid Qualität halten um ca. 30% länger als Fokusse aus anderen Materialien.

Solch ein Fokussierrohr kann, bei einer Ausweitung des Durchmessers um 0,5 mm, bis zu 150 Schneidstunden halten. Viele unserer Kunden verwenden schon etwas gebrauchte Fokusse für die Erzeugung von Teilen, bei denen keine hohe Genauigkeit gefragt ist.

Eine Saphirdüse hält 25 Schneidstunden. Eine Diamantdüse (die höchste Düsenqualität) hält viel länger, kostet aber um ein vielfaches mehr.

Meistens werden für den Lohnschnitt auf Abrasiv-Wasserstrahlschneidanlagen zwischen € 120,00 und € 220,00 pro Stunde verrechnet.

Die Kosten pro Stunde beginnen bei € 15,00 für einen kleinen Schneidkopf (Düse: 0,15 mm / Fokus 0,6 mm) und gehen bis € 35,00 für einen großen Schneidkopf (Düse 0,35 mm/ Fokus 1,0 mm).

In dem Betrag sind alle maschinenrelevanten Kosten enthalten. Arbeitzeit, Anschaffungskosten und Abschreibung müssen noch dazugerechnet werden.

Das Abrasiv kostet aktuell je nach Qualität ca. 450 Euro pro Tonne.

Die Kosten für Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden können je nach spezifischem Projekt variieren. Bei dünnen Materialien oder bei großen Serienproduktionen, ist Laserstrahlschneiden oft günstiger als das Wasserstrahlschneiden.

Wasserstrahlschneiden bietet jedoch eine größere Materialvielfalt und ist bei bestimmten Materialien, dickeren Werkstücken oder komplexen Formen oft eine bessere Wahl.

Die tatsächlichen Kosten hängen aber von den Anforderungen und Eigenschaften des jeweiligen Projekts ab.

Bei Materialien mit glatter Oberfläche ist Restfeuchte kein Problem. Das Bauteil wird mit Druckluft abgeblasen.

Bei Materialien die aktiv Wasser anziehen und binden, wie Holz, offenporige Schaumstoffe und Textilien, sollte das Material anschließend getrocknet werden. In der Praxis werden dazu Gebläsetrockner eingesetzt.

Mehrere Schneidköpfe verwenden Sie, wenn Sie viele gleiche Teile erzeugen wollen.

Entweder wird ein zweiter Schneidkopf an die bestehende Z-Achse angebracht, oder es wird eine zweite Z-Achse installiert, an der dann weitere Schneidköpfe befestigt werden können.

Wichtig ist, dass jeder einzelne Schneidkopf mit demselben Druck und derselben Durchflussmenge versorgt werden muss, um einen gleichmäßigen Schnitt verwirklichen zu können.

Der Wasserstrahl erzeugt sich bei den meisten Materialien sein Startloch (Anschuss) selbst. Bei einigen Verbundwerkstoffen muss der Pumpendruck reduziert und eine spezielle Borhspindel verwendet werden.

Pro installiertem Schneidventil muss eine Anschlussleistung von mindestens 11 kW berücksichtigt werden.

Da die auf das Werkstück einwirkende Kraft sehr klein ist (unter 1 kg bei Präzisionsschnitten und unter 5 kg für durchschnittliche Schnitte) fallen aufwendige Spannvorrichtungen weg. Die meisten Anwender verwenden einfache leichte Gewichte, um ihre Werkstücke stabil zu halten.