Wasserstrahlschneiden und seine Grundlagen
Sprungverzeichnis zu den Themen auf dieser Seite:
- Wasserstrahlschneiden Grundlagen
- Reinwasserschneiden und Abrasivstrahlschneiden
- Wie funktioniert das Wasserstrahlschneiden? Was ist das Injektor-Prinzip?
- Einsatzgebiete Wasserstrahlschneiden: Nurwasser vs. Abrasiv
- Wasserstrahlschneiden: Vorteile und Nachteile
- Schnittqualität beim Wasserstrahlschneiden
- Wasserstrahl Kosten: Energie, Wasserqualität, Abrasiv, Entsorgung
- Zukunftsaussichten, Tipps zum Wasserstrahlschneiden
Wasser besitzt Energie - Historie Wasserstrahlschneiden (engl. waterjetcutting)
„Steter Tropfen höhlt den Stein“, sagt der Volksmund. Wasserstrahlschneiden nutzt die kinetische Energie von Wassertropfen, um Materialien zu trennen. Wasser besitzt Energie, wie Wasserfälle, Auswaschungen und Landabtragungen zeigen. Konstanter Wasserdruck, auch wenn er gering ist, trennt, trägt ab und schneidet. Ein Wassertropfen mit einem rasiermesserscharfen Sandkorn, der auf 1.000 m/sek beschleunigt wird, kann viel aushöhlen. Stellen Sie sich diese Energie vor, wenn 4.000 bar mit 3,6 Liter/min für den nötigen Nachschub an weiteren Wassertropfen sorgen! Wasserstrahlschneiden, im englischen Sprachgebrauch „waterjetcutting“ genannt, nutzt diese Energie, um verschiedene Materialien zu trennen. Es wird verwendet, um Stahl, faserverstärkte Kunststoffe, Glas, Granit und Lebensmittel formpassend zuzuschneiden. MIt dem Verafhren Wasserstrahlschneiden kann fast jedes Material geschnitten werden.
Historie des Wasserstrahlschneidens
Wasserstrahlschneiden ist ein kostengünstiges Verfahren mit sauberen Schnittkanten und minimaler Materialveränderung, ideal für Gummi, Marmor und Metall. Die evolutionäre Entwicklung des Verfahrens ist komplex und schwer auf ein spezielles Datum zu datieren.
Einsatz der Wasserstrahlschneidtechnik seit Anfang des 20. Jahrhunderts
Wasserstrahlschneidtechnik wurde ursprünglich für den Abbau von Kies, Ton, Kohle und Erz verwendet. In den 1960er Jahren entwickelte Boeing sie für die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen im Flugzeugbau weiter. Die Wasserstrahlschneidtechnik entwickelte sich über Jahrzehnte von der Kiesgewinnung zur Hightech-Anwendung. Dank vieler Entwickler ist sie heute ausgereift.
Industrietaugliches Schneiden mit einem Wasserstrahl
Die Entwicklung eines industrietauglichen Wasserstrahlschneidsystems gelang bereits 1971, Ingersoll-Rand, Schweden. Das ursprüngliche Ziel war das gratfreie und schnelle Schneiden von Holz. Anlagenhersteller entwickelten, unter dem Druck ständig steigender Nachfrage das Wasserstrahlschneiden beständig fort. Beispielsweise gelang es durch ein spezielles Verfahren Winkelfehler, die durch die Strahlaufweitung entstehen können, zu korrigieren. Diese Weiterentwicklung ermöglichte es Anwendern, auch relativ dicke Werkstücke unter Einsatz der Wasserschneidtechnik präzise zu schneiden.
Heute ist die Wasserstrahl-Hochdruckschneidtechnik aus der Industrie nicht mehr wegzudenken.
In den 1960er Jahren entwickelte der amerikanische Hersteller Omax eine industrietaugliche Pumpe für hohe Drücke und kontinuierliches Schneiden.
Wasserstrahlschneidverfahren: Reinwasser und Abrasivstrahl
Wasserstrahlschneiden unterscheidet im groben zwei Verfahren: Reinwasserschneiden und Abrasivstrahlschneiden. Die Geburtsstunde des Wasserstrahlschneidens ist schwer zu bestimmen, da es sich um einen evolutionären Prozess handelt, der von den 1920er Jahren bis in die aktuelle Zeit reicht, bei dem beispieslweise das Wasserstrahl-Abrasiv-Suspensionsverfahren WAS entwickelt wurde. Beim WAS wird das Abrasivmittel durch einen sehr hohen Druck von z.B. 1.500 bar in den Wasserstrahl eingebracht, so dass ein sehr hoher Wirkungsgrad und höhere Schnittgeschnwindigkeiten erreicht werden.
Wann verwendet man was? Nurwasser bzw. Reinwasser oder Abrasiv?
Weiche Stoffe oder gefrorene Lebensmittel werden mit Reinwasser bzw. Nurwasser im Wasserstrahlverfahren geschnitten. Harte Stoffe hingegen werden abrasiv geschnitten, d.h. dem Wasserstrahl wird ein spezielles Schleifmittel aus Sand beigegeben. Der Schneidkopf einer Abrasiv-Wasserstrahlschneidanlage besteht aus der Wasserdüse (aus Saphir, Rubin oder Diamant), der Abrasiv-Mischkammer, in der das Abrasivmittel beigemischt wird und dem Fokussierrohr, in der sich der Strahl beruhigt.
Funktionsweise einer Wasserstrahlpumpe nach dem Injektor-Prinzip (WAIS)
Man unterscheidet bei der Wasserstrahltechnik die beiden Verfahren Nurwasser (Reinwasser) und Abrassiv. Beim Abrasiv-Verfahren wird zum Schneidstrahl ein geeignetes Schleifmittel (ein spezieller Granat-Sand) hinzugemischt.
Mit welchem Druck schneidet der Wasserstrahl?
Der Schneiddruck hängt von der Härte des Werkstücks ab. Für Stahl, Metalle, Steine und Granit werden hydraulische Pumpen mit einem Betriebsdruck von 3.600 bis 4.000 bar eingesetzt. Ein konstante Druck reduziert den Verschleiß von Pumpendichtungen, Ventilen und Düsen und verbessert die Schnittqualität. Hydraulische Druckübersetzerpumpen verwenden Intensifier, um Druckschwankungen zu vermeiden. Systeme mit 4.000 bar Schneiddruck sind am häufigsten anzutreffen, aber auch Systeme mit bis zu 6.200 bar werden verwendet. Das Druckwasser wird über Leitungen zum Schneidkopf der Wasserstrahlanlage geleitet, der auf einer Schneidmaschine montiert ist. Der Schneidkopf wird über einen X-Y-Koordinatentisch mit numerischer Steuerung betrieben. Im Schneidkopf der Wasserschneidanlage übernimmt eine Düse aus Rubin, Saphir oder Diamant die Einschnürung des Wasserstrahls. Die Düsenlöcher bei Nurwasseranwendung haben üblicherweise einen Durchmesser von 0,5 mm oder weniger, während sie beim Abrasiv-Verfahren 1,2 mm oder mehr betragen. Für filigrane Schnitte und hohe Genauigkeit kommen beim Wasserstrahlschneiden Düsen mit viel geringerem Durchmesser oder Microwasserstrahlschneidanlagen zum Einsatz.
Einsatzgebiete Wasserstrahlschneiden: Nurwasser vs. Abrasiv
Wasserstrahlschneidanlagen dürfen nicht als Ersatz für Plasmaschneiden, Laserschneiden oder Brennschneiden verstanden werden. Dieser Rechenansatz würde dem Nutzen der Wasserstrahltechnologie nicht gerecht werden. Jedes Schneidsystem, jede Schneidtechnologie hat ihre Berechtigung, ihre Stärken und ihren speziellen Aufgabenbereiche.
Was kann man alles mit dem Wasserstrahl schneiden?
Mit Hilfe des Wasserstrahlschneidverfahrens können nahezu beliebige Materialien geschnitten werden.
Einsatzgebiete Nurwasser:
- Nahrungsmittelindustrie z.B. gefrorener Fisch
- Konsumgüterindustrie: Verpackungsmaterial, Pappe, Papier, Möbel, Babywindel-Produktion
- Elektronik-Industrie: Leiterplatten-Trennung
- Motorenteile, Dichtungen
- Medizintechnik
Einsatzgebiete Abrasiv:
- Flugzeugindustrie: Titan- und Glasbearbeitung
- Automobilindustrie: Karosseriebearbeitung
- Anlagen- und Maschinenbau: Dampfturbinenräder, Leiträder, Guss-Bearbeitung
- Marmor, Stein, Kunststoffe, Verbundstoffe, etc.
- Aluminium, Stahl, Glas
Was kann man alles mit dem Wasserstrahl NICHT schneiden?
Es gibt kaum ein Material, dass nicht mit Wasserabrasiv geschnitten werden kann. Jedoch spröde Stoffe, bestimmte Keramiken, gehärtete Gläser, Diamanten, halbflüssige Stoffe, etc. lassen sich nicht mit dem Wasserstrahl schneiden. Ein anderes, relativ neues Schneidverfahren, das WAS Wassersuspensionsschneidverfahren, erlaubt hingegen auch das Schneiden von spröden Materialien. Solange die Härte des Abrasivmittels höher ist als die des Schneidgutes, kann es geschnitten werden.
Wie dick kann der Wasserstrahl schneiden?
Beim Wasserstrahlschneiden durchdringt der Strahl Stahl auch über 200 mm Dicke und Granit über 400 mm, ist aber bei hohen Geschwindigkeiten eingeschränkt. Das WAS-Verfahren erhöht die Schnittgeschwindigkeit, ob es ausreicht, muss individuell entschieden werden.Finden Sie Ihr bestes Angebot für eine Wasserstrahlschneidmaschine mit einer Ausschreibung im B2B-Portal
Wasserstrahlschneiden: Vorteile und Nachteile
Die wichtigsten vier Vorteile in Kürze:
- "Kalter Schnitt" ohne Einbringung externer Wärmequellen, wie dies bei beim Plasmaschneiden, Brennschneiden oder Laserschneiden der Fall ist
- Enorme Vielfalt an zu schneidenden Stoffen, kaum Begrenzung in der Art oder der Dicke des Materials
- Aus umwelttechnischer Sicht eine saubere Sache: Wasser und Abrasiv können recycelt werden
- Günstige Kosten: Teile können auf Fertigmaß geschnitten werden, sodass aufwendige Nacharbeit wie Bohren oder Fräsen nicht selten ganz entfallen kann
Die markantesten vier Nachteile beim Wasserstrahlschneiden in Kürze:
- Im Vergleich zu den thermischen Schneidverfahren ist der Wasserstrahl deutlich langsamer im Zuschnitt
- Weniger gut geeignet für große Serien
- Einsatz von Wasser in der Produktion
- Staub und Abrasivmittel in der Umgebung kann andere Werkzeugmaschinen beeinflussen
Welche Argumente und Eigenschaften überzeugen Sie am meisten?
Wenn Sie sich jetzt für konkrete Preise und Angebote für Wasserstrahlschneidanlagen interessieren, finden Sie in unserem Maschinenkonfigurator und im Marktplatz hierzu interessante Anbieter.
- Keine Wärmezonen
- Kein Aufhärten
- Erzeugt keine Materialspannungen
- Keine Rissbildung
- Keine Materialverformung
- Keine Gefügeänderung
- Geringe Umweltbelastung: Kein Mikro-Staub, Rauch oder Dämpfe
- Kein Nachschärfen des Werkzeugs
- Geringe Schnittfugenbreite und damit wenig Materialabtrag
- Gute Materialausnutzung und damit hohe Verschachtelungsdichte der Konturen möglich. Als Folge: Wenig Verschnitt
- Geringe Tangentialkräfte auf das Werkstück
- Schnelle Prototypenherstellung
- 2D und 3D-Bearbeitung
- Keine tropfende Schlacken oder Schmelzen
- Leicht zu handhaben
- Universell einsetzbar
- Kaum Dickeneinschränkungen (Stand 2017: Schneiddicken in das volle Material bis 300 mm Dicke mit Wassersuspensionstechnik auch weit darüber)
- Wenig Materialeinschränkungen, schneidet nahezu fast alles und gilt wahrscheinlich als das universellste Werkzeug
- Kann auch zur Reinigung und Entgratung eingesetzt werden, Oberflächenreinigung
- Einsatz auch zum Abtragen von Material geeignet
- Hohe Schnittkantenqualität, nur selten Nachbearbeitung erforderlich bei Verwendung eines Qualitätsschnittes
- Erzeugt Fertigteile - dadurch kann die aufwendige Nachbearbeitung (Drehen, Fräsen) von Teilen entfallen
- Die Investitionssumme für derartige Wasserschneidsysteme ist in den letzten Jahren deutlich geringer geworden!
- Die Wirtschaftlichkeit eines solchen Systems kann durch Mehrkopftechnik, Servoantriebstechnik oder Wassersuspensionstechnik deutlich verbessert werden!
- Teilweise geringe Schnittgeschwindigkeit, daher ergeben sich potentielle Einschränkungen bei
Großserienfertigung, wenn nicht mit Mehrkopftechnik gearbeitet wird. - Feuchtigkeit und direkter Wasserkontakt, daher eingeschränkte Einsatzmöglichkeiten, wo Kontakt mit Wasser oder hohe Luftfeuchte aufgrund des Materials/Umgebung vermieden werden muss.
- Nachlauf beim Austritt des Wasserstrahls, dadurch muss in Ecken und engen Radien die Schnittgeschwindigkeit abgesenkt werden, wenn nicht eine besondere Schwenkkopftechnik eingesetzt wird.
- Strahlaustrittsgeräusche können sehr hoch sein, wenn Überwasser geschnitten wird
- Sorgfältige Wasseraufbereitung erforderlich und sinnvoll
- Probleme beim Schneiden besonders spröder oder gehärteter Materialien, beispielsweise kann es zu Problemen kommen, wenn gehärtetes Glas (Herdflächen, Balkongeländer etc.) geschnitten werden soll
- Entsorgung des Schlamms muss geklärt werden
- Teilweise hohe elektrische Anschlussleistung erforderlich, wobei der Trend eindeutig zu energiesparenden Pumpen geht
- Halle kann verstauben, Probleme für benachbarte empfindliche Maschinen möglich
Schnittqualität beim Wasserstrahlschneiden
Wasserstrahlschneiden bietet hohe Schnittqualität ohne Verzug, Gefügeänderung oder Materialspannung. Die Genauigkeit liegt bei ± 0,1 mm, mit Mikrowasserstrahltechnik bei ± 0,05 mm. Die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst die Qualität, wobei die höchste Stufe 5 langsamste Schnitte mit bester Qualität ermöglicht, so dass auch die mechanische Nacharbeit häufig entfällt. Wir haben zur Schnittqualität eine ausführliche Beschreibung erstellt ...
Wasserstrahl Kosten: Energie, Wasserqualität, Abrasiv, Entsorgung
Was kostet eine Stunde Wasserstrahlschneiden?
Stundensätze für Wasserstrahlschneiden variieren je nach Betrieb, Automatisierung und Schneidaufgabe zwischen 90 und 290 Euro. Schnittkosten pro Meter werden im Schnittkostenrechner ermittelt. Daher zeigen wir in den Kenndaten Eckwerte der Wasserstrahlanwendungen auf und erklären die Schnittkosten umfangreich und detailliert auf einer eigenen Seite. Im Schnittkostenrechner können Sie die Schneidkosten pro Meter Schneidlänge ermitteln.
Was kostet eine Wasserstrahlschneidanlage?
Eine Wasserstrahlschneidanlage benötigt eine Hochdruckpumpe, ein CNC-gesteuertes Koordinatensystem mit Antrieben, eine z-Achsen Höhensteuerung, einen Schneidtisch, ein Abrasivfördersystem und Software. Die Preise variieren stark, von 50.000 € bis über 250.000 €. Die meisten Anlagen kosten zwischen 150.000 und 220.000 €. Schlammaustragsförderer, Wasseraufbereitungsanlagen oder Recyclingsysteme erhöhen den Preis. Spezialanlagen für spezielle Anwendungen, wie die Rohrbearbeitung, können über 0,5 Mio. € kosten. Erstellen Sie eine Budgetkonfikuration mit unserem Maschinenkalkulator.
Wie wichtig ist die Wasserqualität?
Die Wasserqualität ist ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer des Systems. Wasseraufbereitungsanlagen, wie Enthärtungs- und Filtersysteme, beeinflussen die Schnittkosten und die Schnittqualität. Die spezifischen Anforderungen an die Wasserbeschaffenheit und Härte werden von jedem Hersteller individuell für sein Pumpensystem definiert. Eine hohe Wasserqualität führt zu einem geringeren Verschleiß von Pumpe, Dichtungen und Düsen, was eine längere Lebensdauer, weniger Störungen, geringere Wartungskosten und Ausfälle zur Folge hat. Mehr dazu unter Wasserqualität ...
Warum ist das Abrasivmittel so wichtig?
Das Abrasivmittel, das mit hohem Druck Metall schneidet, muss bestimmte Härte- und Korngrößenanforderungen erfüllen. Je nach Korngröße variieren der Düsendurchmesser des Schneidkopfes und der Durchfluss an Schneidwasser. Sowohl das Schneidwasser als auch das Abrasivmittel können wieder aufbereitet werden.
Die Kosten für Abrasivmittel schwanken aufgrund von Angebot und Nachfrage. Geeignetes Abrasivmittel stammt häufig aus Australien oder Indien, wobei die Qualität stark variiert. Die Preise liegen von 500,- bis 800,- pro Tonne, in Krisenzeiten auch darüber. Was es alles beim Abrasiv zu beachten gibt, erfahren Sie hier.
Entsorgung Abrasivmittel:
Das Abrasivmittel wird tonnenweise benötigt. Die nicht mehr recycelbaren Reste müssen zusammen mit der Schlacke aus dem Schneidtisch entsorgt werden. Dies übernimmt entweder ein geeigneter Schrotthändler, ein Entsorgungsunternehmen oder sogar der Lieferant des Abrasivmittels.
Zukunftsaussichten, Tipps zum Wasserstrahlschneiden
Wer für die Zukunft plant, sollte Wasserstrahlschneiden in sein Portfolio mit hinein denken und überprüfen, ob dieses Verfahren nicht eine potentielle Chance für eine Produkt-Diversifikation beinhalten könnte!
Besuchen Sie zu diesem Thema auch unsere Videothek zum Wasserstrahlschneiden ...
Einzigartigkeit der Wasserstrahlschneidtechnik
Wasserstrahlschneidanlagen bieten einzigartige Flexibilität und materialschonende Abtragung. Sie können nahezu alle Stoffe schneiden und haben einen geringen mechanischen Einfluss sowie eine thermische Neutralität, die das Materialgefüge nicht negativ beeinflusst. Aufhärtung der Schnittfugen und Randzonenaufhärtung der Schnittspalte sind keine Probleme.
Nicht ob, sondern wann sollte man das Wasserstrahlschneiden einsetzen?
- Das fragliche Thema ist, wann ein Unternehmen sein Produktangebot um zusätzliche Schneidmöglichkeiten erweitern sollte.
- Die Wasserstrahltechnik bietet Möglichkeiten für das Schneiden von Stahl, mit einem anderen Stundensatz und anderen Randbedingungen, möglicherweise mit anderen Kunden.
- Wasserstrahltechnik ist geeignet für das Schneiden von Materialien ohne Wärmeeinwirkung, ohne Verzug.
- Wasserstrahltechnik ist geeignet für das Schneiden einer Vielzahl von Materialien, einschließlich nichtmetallischer Werkstoffe.
- Wasserstrahltechnik kann hohe Schnittqualitäten und Genauigkeiten liefern, möglicherweise sogar für Fertigteile.
Auf die Pumpe kommt es an
- Wichtigkeit der Pumpe: Für jede Schneidaufgabe gibt es eine bestimmte Hochdruckpumpe. Finden Sie durch eine übersichtliche Darstellung der zur Zeit auf dem Markt häufig anzutreffenden Pumpenarten das ideale Modell für Ihre Anwendung.
- Vielseitigkeit des Wasserstrahlschneidens: Ermöglicht die Bearbeitung verschiedener Materialien und die Erschließung neuer Einsatzgebiete.
- Vorteile für Unternehmen: Breite Produktpalette und Flexibilität verringern die Abhängigkeit von einzelnen Marktsegmenten und erhöhen die Krisenfestigkeit.
Fazit:
Unternehmen mit breiter Produktpalette, wie Wasserstrahlschneidunternehmen, sind in Krisenzeiten widerstandsfähiger. Die Flexibilität, auf andere Produkte und Einsatzgebiete umzusteigen, macht den Wasserstrahl unverzichtbar in Industrie und Handwerk.
