Der Wasserstrahl

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Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern.
SPECIAL
Schweißen und Schneiden
SCHNEIDVERFAHREN
Der Wasserstrahl etabliert sich
als Präzisionswerkzeug
Das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden gewinnt an Terrain im Wettstreit der
Verfahren für anspruchsvolle Trennarbeiten. Blechbearbeiter schätzen
die sauberen Schnittkanten ohne thermische Gefügeveränderungen und
ohne Verzug. Weitere Vorzüge sind eine
flexible Schnittführung und vielseitige
Einsatzmöglichkeiten. Immer mehr
Lohnfertiger praktizieren diese Trenntechnik und erzielen mit ihr Wettbewerbsvorteile. Aufschlussreiche Einblicke gewährt
das auf Hochdruckkomponenten spezialisierte Unternehmen KMT Waterjet Systems
in Bad Nauheim.
KRITERIEN für wirtschaftlichen Erfolg in der Blechbearbeitung sind
Qualität zu wettbewerbsfähigen Konditionen, auf den Kunden zugeschnittene Problemlösungen sowie kurze
Produktions- und Lieferzeiten. Dazu
bedarf es energie-, material- und zeitsparender Produktionsprozesse, möglichst ohne mechanische Nachbearbeitung. Beim Schneiden komplizierter
Geometrien stellt sich damit die Frage
nach der geeigneten Trenntechnik.
»Keine Trenntechnik kann für sich in
Anspruch nehmen, bei allen technischen Anforderungen stets die ideale
Lösung darzustellen. Deshalb findet
man in der Praxis meist mehrere unterschiedliche Trennverfahren nebeneinander«, erläutert Wolfgang Emrich, Product & Marketing Manager
beim Bad Nauheimer Wasserstrahl-
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Schneidspezialisten KMT Waterjet
Systems (www.kmt-waterjet.de).
Vergleicht man die gängigen Verfahren, so genügen für einfache Zuschnitte aus dünnen Blechplatinen manuell
bedienbare Tafelscheren. Meist geht
es jedoch um komplexe Formen und
relativ große Stückzahlen. In diesen
Fällen sind CNC-Stanzzentren oft die
wirtschaftlichste Alternative. Allerdings setzen Blechstärke, hohe Werkzeugkosten und die unvermeidbaren
Rüstzeiten beim Produktwechsel diesem Arbeitsmittel Grenzen. Das gilt
besonders für kleine Lose. Unterhalb
einer kritischen Stückzahl sind Stanzzentren unwirtschaftlich, für Einzelstücke oder Prototypen sogar ungeeignet. Deutlich flexibler sind Anlagen
zum thermischen Trennen, das sind
Autogen-, Plasma- und Laserschneid-
anlagen. Sie ermöglichen einen hohen
Automationsgrad und eignen sich sowohl für die Serienfertigung als auch
für die Einzelfertigung.
Thermischer Schneidprozess
erfordert oft Nachbehandlung
Limitierend wirken bei diesen Anlagen Werkstoffart, zu bearbeitende
Wandstärke und vor allen Dingen
thermisch bedingte Werkstoffveränderungen an den Schnittkanten sowie
Materialverzug. Gefügeveränderungen, Aufhärtung, Anlassfarben, Randoxidation, Schlackereste und Gratbildung erfordern oft eine zusätzliche
Nachbehandlung. Zudem ist eine
Werkstoffzugabe für den mechanischen Abtrag der beschädigten Randzonen zu kalkulieren. Beim Brennschneiden können giftige Metalldämp-
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fe, Rauchgase und Stäube entstehen,
die spezielle Absaugungen und Filter
erfordern. Marc Mezger, Marketingmitarbeiter bei KMT: »Diese Probleme engen den Spielraum für Konstrukteure, Hersteller und Lohnverarbeiter stark ein. Umgekehrt verlangen
moderne Verbundwerkstoffe, die Forderung nach Lean Production und
permanente Kostensenkungsmaßnahmen innovative, kostengünstige und
leistungsfähige Trenntechnologien.
Das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden
verschiebt hier deutlich die Grenzen
des technisch Machbaren und bietet
in vielen Fällen eine wirtschaftliche
Alternative gegenüber konventionellen Verfahren.«
weder Grate noch störende Riefen.
Der Effekt: Nacharbeit entfällt.
Ein weiterer Vorteil ist laut Wolfgang
Emrich, dass es praktisch keine Einschränkungen vonseiten der physikalischen Eigenschaften der zu verarbeitenden Metalle gibt. Anders als der Laserstrahl erfährt der Wasserstrahl keine
Irritation durch optisch stark reflektierende Metalloberflächen; er ermöglicht
somit stets saubere Schnitte. Auch
Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminiumund Kupferlegierungen
sind für das Abrasivschneiden kein Pro-
Eigenschaften des Metalls
lassen den Wasserstrahl ›kalt‹
Beim Abrasivschneiden bewirkt ein
sehr dünner, mit feinkörnigen und
scharfkantigen abrasiven Granatsanden durchmischter Hochdruck-Wasserstrahl eine ›kalte‹ Mikrozerspanung
in der Schnittfuge der Werkstücke.
Der große Vorteil beim Bearbeiten
von Metallen ist das Trennen ohne
Wärmebeeinflussung an den Schnittkanten. Im Gegensatz zum Brennschneiden gibt es weder Wärmeverzug
noch Gefügeveränderungen, Aufhärtungen oder abtropfende Schlacken.
Außerdem bilden sich keine gesundheitsschädlichen Dämpfe oder Gase,
und weil das Verfahren mit Wasser
schneidet, ist der Prozess auch vollkommen staubfrei. Bei optimal eingestellten Schnittparametern entstehen
Blechdicke
le Werkstoffverluste.
Die Anwendungsmöglichkeiten des
Wasserstrahlschneidens gehen aber wesentlich weiter. »Moderne Fertigungsverfahren sparen, wo immer es geht,
Arbeitsschritte ein«, erläutert Marc
Mezger. »So haben sich in vielen Bereichen der blechbearbeitenden Industrie
kunststoffbeschichtete Bleche als Vormaterial etabliert. Für diese Werkstoffkombination ist das
Große Vielfalt: Komplexe
technische Formteile aus
metallischen Werkstoffen
wie Messing (a), Edelstahl
(b) und Aluminium (c) lassen sich mit dem
Abrasivstrahl ohne thermische Gefügebeeinträchtigung sowie frei von Staub oder giftigen Metalldämpfen erzeugen
blem. Der Wasserstrahl erzeugt aufgrund seiner hohen kinetischen Energie
selbst bei Werkstücken von mehr als
100 mm Dicke sehr feine und genaue
Schnittkonturen. Darüber hinaus lassen
sich bei dickwandigen Blechen sehr feine Löcher mit einem Durchmesser realisieren, der kaum größer ist als der des
Schneidwasserstrahls, also 0,54 bis
1,1 mm). Die Schnittfuge von weniger
als 1 mm Breite verursacht nur minima-
Edelstahl
Titan
Aluminium
2 mm
2800
1800
3300
5 mm
1010
800
1150
10 mm
450
350
520
20 mm
205
120
235
50 mm
71
42
81
100 mm
32
18
37
Von fein zu grob: Erfahrungswerte wie diese zur maximalen Schnittgeschwindigkeit
in mm/min bei 4100 bar Druck und 1,1 mm Düsendurchmesser dienen als Orientierungshilfe
für den Anwender. Um optimale Schnittparameter zu ermitteln, sind Versuche nötig
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Abrasivschneiden die erste Wahl bei
Trennaufgaben. Gleiches gilt für emaillierte Bleche und Bauteile im chemischen Apparatebau, die sich anders
praktisch gar nicht bearbeiten lassen.«
Der allseitig schneidende Wasserstrahl
ermöglicht bei allen Trennarbeiten eine flexible Schnittführung mit spitzen
Winkeln oder schrägen Schnittkanten.
Darüber hinaus lassen sich neben 2Dauch 3D-Schnitte realisieren – bei Bedarf auch robotergestützt. Das bietet
Konstrukteuren und Designern neue
Perspektiven der Produktgestaltung.
Immer mehr Hersteller und Verarbeiter
endecken das Abrasivschneiden für
sich. So ist das Verfahren in der Luftund Raumfahrtindustrie schon Standard beim Herstellen von Triebwerkskomponenten aus Titanlegierungen und
beim Verarbeiten von Cr-Ni-Co-Basiswerkstoffen. Maschinenbauer fertigen
mit dem Hochdruck-Wasserstrahl
Zahnräder, Flansche und multifunktionale Halter; Anlagenbauer führen 3DSchnitte an Rohren oder Kesselböden
aus. Designer und Künstler lassen aus
unterschiedlichen Metallen Wappen,
Metallschriftzüge, Figuren oder Muster
für ›Metall-Intarsien‹ herausarbeiten.
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Schweißen und Schneiden
weder robotergeführte Abrasivschneidköpfe ein oder arbeitet mit
Schneidtischen, bei denen zusätzlich
zu den drei Achsen X,Y und Z noch
eine Rotations- und eine Schwenkachse installiert sind. So lassen sich sehr
komplexe Schnittfiguren erzeugen.
Eine nach dem Druckübersetzer-Prinstoff aufzubrechen, wird
zip arbeitende hydraulische Hochbeim Wasserstrahlschneiden
druckpumpe ist das Herzstück einer
Bewegungsenergie (kinetiWasserstrahl-Schneidanlage. Mit eische Energie) in Zerspanem Elektromotor angetrieben, ernungsarbeit umgesetzt. Eine
zeugt sie primärseitig einen Öldruck
typische Anlage zum Abrabis zu 210 bar und gibt ihn an den
sivschneiden besteht aus eiDruckübersetzer weiter, der ihn sener vorgeschalteten Sandzuführung für die Abrasivversorgung so- kundärseitig auf das Zwanzigfache erhöht und auf den Schneidwasserkreiswie oftmals auch einer
lauf überträgt. Pumpen mit einer Leiskonventionellen Wasserenthärtung.
tung von 10 bis 150 kW erzeugen so
Als Schneidwasser eignet sich normales, enthärtetes Leitungswasser. Destil- einen Auslegungsdruck bis 4200 bar.
Der Volumenstrom beträgt 1,5 bis
liertes oder gänzlich entionisiertes
15,2 l/min Hochdruckwasser, das
Wasser ist dagegen ungeeignet – es
über spezielle, teilweise flexible Hochwürde die Kompodruckleitungen an den Schneidkopf
nenten im Hochgelangt. Um jedoch einen Wasserdruckbereich
strahl zum Schneiden von Metallen
schädigen. Den
verwenden zu können, sind
besondere Maßnahmen erLanglebig: Aufgrund einer innoforderlich. Hierzu
vativen metallischen Abdichtung
Marc Mezger: »Reikonnte bei diesem Druckübersetzer im HSEC-Design (Hard Seal End Cap) die Anzahl der
nes WasserstrahlVerschleißteile reduziert werden. Außerdem verlängerte
schneiden, auch
sich die Laufzeit und der Wartungsaufwand nahm ab
Pur-Wasserschneiden genannt, eignet
sich nur zum Trennen weicher WerkKern des Systems bilden die Hochstoffe wie Holz, Papier, Kunststoff
druckpumpeneinheit, ein oder mehreund Leder oder auch von Lebensmitre Abrasivschneidköpfe sowie ein
teln. Für Metalle und andere harte
Schneidtisch mit Wasserauffangtank.
Stoffe reicht die Energie nicht aus.
Letzterer lässt sich optional mit einem
Erst die Zugabe von Abrasivstoffen
Abrasiv-Austragsystem zur automatimacht aus dem Wasserstrahl ein
schen Reststoffentsorgung sowie eiSchneidwerkzeug, dem kein Werkstoff
nem Abwasserfilter ausstatten.
Bei den Schneidtischen für zweidimen- widersteht.«
sionale Schnitte führt eine CNC einen
Neuer Druckübersetzer
oder mehrere parallel angeordnete
spart zwei Dichtungssätze ein
Schneidköpfe in X-Y-Richtung über
das meist tafel- oder plattenförmige
Das Abrasivschneidkopf-System
Material. Um auf Unebenheiten
›Active Autoline‹ von KMT beispielsreagieren zu können, haben diese Arweise besteht aus einem pneumatisch
beitstische häufig eine zusätzliche
gesteuerten Nadelventil und einem DüHöhenverstellung in Z-Richtung. Die
senrohr, an dessen Ende der eigentliche
Werkstücke liegen dabei ohne
Schneidkopf eine kleine Edelsteindüse
Einspannvorrichtungen lose auf einem fixiert, meist aus Diamant oder Saphir.
Gitterrost über dem mit Wasser geDer Druck von 4200 bar presst das
füllten Tank. So kann der durch das
Wasser durch diese enge Düse und beWerkstück hindurchgehende Wasserschleunigt es dabei auf zwei- bis dreifastrahl seine Energie durch Verwirbeln
che Schallgeschwindigkeit. Der noch
im Wasserbecken abbauen. Für mehrreine Wasserstrahl schießt in die
dimensionale Schnitte setzt man entMischkammer des Schneidkopfs, in
Flexible Schnittführung: Zusätzliche
Rotations- und Schwenkachsen
ermöglichen es, auf MehrachsenSchneidtischen hochgenaue
Schrägschnitte zu realisieren
Jüngste Anwendungsmöglichkeiten zielen auf Metallschäume, sogenannte zellulare Metalle, die das Gewicht von
Werkzeugmaschinen reduzieren können
und als Strukturbauteile die Funktion
von Schallabsorbern oder Flammensperren übernehmen.
Komplexe Schnittkonturen
sind einfach herstellbar
Im Gegensatz zu thermischen Verfahren, bei denen Brenngase, Strom oder
Laserlicht die Energie liefern, um die
chemischen Bindungskräfte im Werk-
Hersteller
KMT Waterjet Systems ist ein Tochterunternehmen der schwedischen KMT AB,
Ronneby. Weltweit arbeiten bei KMT
mehr als 200 Spezialisten. Über 6000
Systeme sind bereits installiert und
jährlich kommen etwa 500 bis 600 neue
hinzu. Die Niederlassung in Bad Nauheim betreut den europäischen Markt,
Afrika, das westliche Asien sowie China.
Sie unterhält ein Versuchtechnikum sowie einen Lohnschneidbetrieb, in dem
sich Kundenversuche realisieren lassen.
Das Unternehmen konzentriert sich auf
die stete Weiterentwicklung der Hochdruckkomponenten von WasserstrahlSchneidanlagen und versteht sich als
einer der wichtigsten Kooperationspartner führender OEM-Anbieter und Anlagenbauer auf dem Gebiet der Wasserstrahl-Schneidtechnik.
KMT Waterjet Systems GmbH
61231 Bad Nauheim
Tel. 0 60 32/9 97-0
Fax 0 60 32/9 97-2 74
www.kmtgroup.com
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IT hilft: Leistungsfähige
Schneidprogramme auf
der Basis von CAD-Daten
können WasserstrahlMehrkopfanlagen so
steuern, dass mit optimaler Schneidleistung,
Schnittfolge und größtmöglicher Blechausnutzung getrennt wird
der sich ein dosiert zugeführter, scharfkantiger Abrasivsand durch Injektionswirkung mit dem Wasserstrahl vermengt – ähnlich dem Prinzip des Parfumzerstäubers. Die Fokussierdüse am
Ende des Schneidkopfes sorgt für eine
innige Durchmischung sowie für die
Gleichrichtung des Gemenges. Primär
dient sie als Beschleunigungsstrecke für
die Abrasivpartikel, die hier auf einer
definierten Strecke – vom Strahl mitgerissen – ihre maximale Geschwindigkeit erreichen. Das Ergebnis ist ein
hochenergetisches Abrasivstoff-WasserLuft-Gemisch zum Präzisionsschneiden
fast aller Werkstoffe. Erst vor Kurzem
hat KMT die Wartungsfreundlichkeit
des Druckübersetzers mit der Einführung des HSEC-Designs weiter verbessert. Wolfgang Emrich: »Das wichtigste Merkmal des neuen Druckübersetzers ist das sogenannte Hard Seal
End Cap Design (HSEC). Bei dieser
Bauart ersetzt eine rein metallische Abdichtung die konventionellen Dichtungen im Bereich des Dichtkopfes. So sparen wir pro Hochdruckzylinder ein
Dichtungspaket ein, also pro Druckübersetzer zwei Dichtungssätze. Die patentierte Hochdruckdichtung ›Hyperlife‹ sichert eine besonders lange Laufzeit
der Anlage. Insgesamt haben wir durch
SPECIAL
die neue Technik die Anzahl der Verschleißteile reduziert und die Laufzeit
verlängert. Eine komplette Demontage
des Druckübersetzers für Wartungsarbeiten ist nicht notwendig. Dichtungsund Ventilkopfwechsel eines Hochdruckzylinders lassen sich in einem
Schritt innerhalb von etwa 15 min
durchführen – das entspricht einem
Zeitvorteil von rund 30 Prozent gegenüber der älteren Bauweise.«
Das Anwendungspotenzial des Wasserstrahlschneidens ist längst noch
nicht ausgeschöpft. Es liegt an den
Konstrukteuren, Designern und Anwendern, die Möglichkeiten dieser
Technik auszuloten und in der Produktgestaltung und Fertigungsplanung zu berücksichtigen. Ein erster
Schritt hierzu können Versuche mit
Originalwerkstoff bei einem Lohnschneidunternehmen sein, das über
Wasserstrahlschneidtechnik verfügt –
oder im Technikum eines kompetenten Anlagenherstellers. ■
HANS P. FRITSCHE
Redaktionsbüro Fritsche, Bad Nauheim
[email protected]
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