Hier gelistete Premiumhersteller stellen sich vor:
Preiswerter Schneiden durch alternative Strahlmittel
- Fachbeitrag, Referat am Deutschen Schneidkongress® 2025: Potentiale von alternativen Strahlmitteln
- Ausgangssituation beim Schneiden von Keramiken, Glas, Titan, Faserverbaundstoffen
- Zielsetzung: Ressourcenschonung durch Recycling oder alternativer Strahlmittel
- Lösungsansatz: Untersuchung der Strahlmittelauswahl
- Versuchsaufbau
- Auswertung der Schneidversuche
- Anwendungspotentiale alternativer Strahlmittel
Ressourcenschonung und Wirtschaftlichkeit beim Wasserstrahlen: Potentiale von alternativen Strahlmitteln
Autor: M.Sc. Brendan Görres, HydroMill GmbH, Aachen
Anlass: Referat am Deutschen Schneidkongress® 07.05.2025
Dieser Beitrag wurde am 07.05.2024 in Essen am Deutschen Schneidkongress, der vom 06.05. bis zum 08.05.2025 statt fand, gehalten.
Brendan Görres hat diesen Artikel als Fullscript Paper erstellt und uns diesen freundlicherweise für unsere Leser zur Verfügung gestellt.
Der Titel des ursprünglichen Referats lautete:
Bewertung alternativer Strahlmittel für bestimmte Anwendungen
- Wasserstrahltechnologie und Ressourcenoptimierung: Die Wasserstrahltechnologie ist effektiv bei der Bearbeitung schwer zu bearbeitender Materialien, bei denen der Einsatz von Abrasivmittel obligatorisch ist. Granatsand ist hier der Industriestandard, aufgrund seiner Leistung und Verfügbarkeit. Aber die Verknappung von Rohstoffen und die steigenden Kosten erfordern Prozessoptimierung.
- Bewertung alternativer Strahlmittel: Ein Konzept zur Bewertung alternativer Strahlmittel wird vorgestellt, das die Materialeigenschaften in der Wechselwirkung zwischen Strahlmittel und Werkstoff berücksichtigt.
- Anwendungsbeispiele für Ressourcenschonung: Praxisnahe Anwendungsbeispiele zeigen, wie der Einsatz alternativer Strahlmittel zur Ressourcenschonung und zum Umweltschutz in der Wasserstrahltechnologie beitragen kann.
Was der Leser hier erfährt: 3 Dinge, die Sie heute über alternative Abrasivmittel wissen müssen
- Wann ist Granat die bessere Wahl?
- Welche Alternativen hierzu gibt es?
- Wie unterscheiden sich alternative Abrasivmittel und wann setzt man sie ein?
Auf diese Punkte gehen wir im folgenden Abschnitt ein.
Ausgangssituation beim Schneiden von Keramiken, Glas, Titan, Faserverbaundstoffen
Hochleistungswerkstoffe wie technische Keramiken, Gläser, Titanlegierungen und Faserverbundwerkstoffe sind zentrale Bestandteile moderner und innovativer Produkte u.a. in der Luft- und Raumfahrt, Energie- und Medizintechnik. Ihre hervorragenden mechanischen und chemischen Eigenschaften gehen jedoch mit Bearbeitungsproblemen einher:
Konventionelle Fertigungsverfahren stoßen aufgrund meist sprödharten Materialeigenschaften der Produkte an ihre Grenzen und limitieren den Anwendungsbereich aufgrund hohem Werkzeugverschleiß, geringe Standzeiten und hohe Ausschussraten.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurden präzise kontaktlose Alternativverfahren wie das Wasserstrahlschneiden mit abrasiven Zusatzstoffen
entwickelt. Es ermöglicht leistungsstarke Trennprozesse ohne thermische Beeinflussung der Bearbeitungszone.
Neue Verfahren wie das Wasserstrahlfräsen (Materialabtrag auf definierte Tiefe) erweitern das Anwendungsspektrum auf die Formbearbeitung [1]. Trotz Ressourcenknappheit, wachsenden Regulierungen und instabiler Marktlage wird in der Industrie standardgemäß Granatsand als Strahlmittel verwendet, der meist über weite Strecken importiert wird – u. a. aus Australien, Indien, Südafrika, China und den USA [2].
Zielsetzung: Ressourcenschonung durch Recycling oder alternativer Strahlmittel
Angesichts dieser Herausforderungen gewinnt die Wiederverwertung von Granatsand und der Bedarf nach einer kosteneffizienten und leistungsfähigen Alternative zunehmend an Bedeutung. Aus technologischer Sicht ist es möglich ca. 50% des verwendeten Strahlmittels zu recyclen, was aber aufgrund hoher Energiekosten der erforderlichen Trocknung in der Industrie keine gängige Praxis ist.
Außerdem sinkt die Kornqualität nach der Benutzung, da die Partikelzerkleinerung im System und auf dem Zielwerkstoff zu einer Erhöhung des Feinstaubanteils führt. Vor einer erneuten Benutzung muss dieser in einem Trennprozess herausgefiltert werden, um die Schneidleistung und nicht zuletzt die
Rieselfähigkeit aufrecht zu erhalten.
Eine weitere Methode den ökologischen Fußabdruck in der Fertigung zu reduzieren ist die Verwendung alternativer Strahlmittel aus anderen Gesteinen oder aus synthetischer Herstellung.
Um hierzu eine Bewertungsgrund zur Einordnung zu geben, soll im Folgenden die Erosionsleistungen selektierter alternativer Strahlmittel zur Substituierung etablierter Granatsande untersucht und diverse Anwendungspotentiale evaluiert werden.
Anzeige
Lösungsansatz: Untersuchung der Strahlmittelauswahl
Industriell eingesetzter Granatsand (ca. 7,5-8 Mohs) weist je nach Herkunft teils erhebliche Unterschiede in chemischer Zusammensetzung und physikalische Kenngrößen auf, mit direktem Einfluss auf die Erosionswirkung. Während Fluss- oder Strandsande (z.B. Australien und Südafrika) rund und glatt sind, zeichnen sich Abrasive aus Steinbrüchen (z.B. China und USA) durch eine scharfkantige Korngeometrie aus. Daher wurde zur Vergleichbarkkeit ein Mittelwert aus diesen vier typischen Granatsanden gebildet.
Weitere verwendete alternative Strahlmittel umfassten sowohl industrielle Nebenprodukte (z. B. Schlacken aus Kohle-, Eisen- und Kupferverarbeitung) als auch Lokal vorkommende natürliche Mineralien wie Granit, Grauwacke und Olivin. Die Auswahl basierte auf Kriterien wie Härte, Schartigkeit und Verfügbarkeit – wobei insbesondere Olivin als Silikat bereits industriell als Abrasiv verwendet wird.
Hersteller der Schneidbranche
Anzeige
Versuchsaufbau
Alle Strahlmittel wurden zur Gewährleistung der anwendungsbezogenen Relevanz auf eine Korngröße gemäß des Industriestandards Mesh #80 gesiebt und die Massenströme aufgrund unterschiedlicher Schüttdichten für jedes Strahlmittel einzeln kalibriert. Die Versuche erfolgten im Injektionsverfahren auf dem Werkstoff 42CrMo4, sowohl im weichgeglühten (perlitische Kristallstruktur) als auch im gehärtet-angelassenen Zustand (martensitische Kristallstruktur).
Zunächst wurden standardisierte Schneidversuche durchgeführt, bei denen ein Keilprofil vollständig getrennt und die erzielte Schnitttiefe zur Bewertung der Schneidleistung analysiert wurde.
In einem zweiten Schritt wurden die Strahlmittel beim Wasserstrahlfräsen als neuartige Verfahrensvariante des industriell etablierten Wasserstrahlschneidens untersucht. Hierbei wurden einfache Kerbversuche durchgeführt
(Abbildung 1), bei denen die Abtragsleistung anhand des Kerbprofils, der Oberflächenrauheit und der Abtragsrate anhand optischer Methoden unmittelbar gemessen und bewertet wurde.
Abbildung 1: Schneidversuche am Keilschnittprofil (links) und Kerbversuche für die Abtragsexperimente
Beliebte Produkte der Schneidbranche
Hier gelistete Premiumhersteller präsentieren:
Anzeige
Auswertung der Schneidversuche
Die Schneidversuche (Abbildung 2 , links) mit den vier Granatsanden ergaben eine gleichmäßige und vergleichbare Leistung mit nur geringen Abweichungen. Im Gegensatz dazu erreichten die alternativen Strahlmittel geringere stark schwankende Schnitttiefen.
Besonders Granit und Grauwacke blieben trotz ihrer Härte hinter den Erwartungen zurück, ebenso wie die getesteten Industrieschlacken.
Bei der Analyse der resultierenden Oberflächenrauheit nach den Abtragsversuchen (Abbildung 2, rechts) zeigte sich hingegen, dass Granatsand im Kerbgrund signifikant höhere Rauheitswerte verursachte.
Die alternativen Strahlmittel hingegen, insbesondere industrielle Schlacken, hinterließen glattere Oberflächen auf beiden Gefügezuständen des Stahls.
Abbildung 2: Schnitttiefe der alternativen Strahlmittel im Trennversuch (links) und erzielte arithmetische Höhen im Kerbgrund bei den Abtragsversuchen auf eine definierte Tiefe (rechts) im Vergleich zur Referenz Granatsand (rot gestrichelte Linie)
Es ist jedoch anzumerken, dass sich die Ergebnisse ausschließlich auf Versuche mit dem Werkstoff 42CrMo4 beziehen. Die Performance der Abrasive kann je nach Werkstoff und Anwendungsfall stark variieren, was die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Materialien einschränkt.
Die hier vorgestellte Vorgehensweise lässt sich jedoch entsprechend erweitern, z.B. für die Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen. Diese können bei geringer Materialstärke bereits mit dem Reinwasserstrahl getrennt werden. In solchen Fällen wird ein Abrasiv jedoch benötigt, um eine gratfreie Schnittkante zu erzielen oder Faserbildung bzw. Delamination zu vermeiden. Gerade hier bieten sich alternative Strahlmittel mit regionaler Herkunft an, da bei gleichwertiger Leistung der ökologische Fußabdruck deutlich reduziert werden kann.
Foto-Galerie der Anbieter
Unsere Unternehmen stellen vor:
Anzeigen. Unternehmen stellen sich vor
Neuigkeiten aus der Schneidbranche
Darüber spricht die Branche.
Anzeige
von
Hypertherm Europe
Hypertherm Associates, ein in den USA ansässiger Hersteller industrieller Schneidsysteme und Software, gab die Einführung der arabischen Sprache auf der OMAX®-Wasserstrahlschneid-Website bekannt.
Mehr erfahren
von
LANTEK Systemtechnik
Der IT-Experte für die Blechfertigung nimmt an Branchentreffen in Europa, Nordamerika und Asien teil – und erstmals an der FABTECH Canada nach seiner Expansion in Nordamerika.
Mehr erfahren
von
Eckert Cutting Technology
Das Schneiden von gesintertem Quarz und Naturstein gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben in der modernen Steinbearbeitung
Mehr erfahren
Anwendungspotentiale alternativer Strahlmittel
Die Ergebnisse basierend auf der vielfältigen Stahllegierung 42CrMo4 bieten eine belastbare Grundlage für die Bewertung der Strahlmittel für diese Werkstoffklasse. Trotz der notwendigen Erweiterung auf andere Werkstoffklassen oder Anwendungsfälle ist zu erwarten, dass sich ein erhebliches Potenzial für den Einsatz alternativer Strahlmittel ableiten lassen kann. Insbesondere wenn eine hohe Oberflächengüte relevant ist und dafür der Materialabtrag zugunsten einer feineren Bearbeitung reduziert werden kann.
Vielversprechende Anwendungsfälle wären beispielsweise das Entschichten von hybriden Materialien mit einer metallischen Grundmatrix und keramischer oder
FVK-beschichteter Oberfläche (z.B. Turbinenschaufel oder Leichtbaukomponenten).
Außerdem ermöglicht die hohe Flexibilität des Wasserstrahls die effiziente Einbindung von ressourcenschonenden Strahlmitteln in Prozessketten mithilfe des gleichen Werkzeuges.
Autor:
M.Sc. Brendan Görres, HydroMill GmbH, Aachen
Anlass:
Referat am Deutschen Schneidkongress® 07.05.2025
Firmenvorstellung:
Die HydroMill GmbH entwickelt einen digitalisierbaren und automatisierbaren Wasserstrahlfräsprozess für die Direktbearbeitung von Hochleistungswerkstoffen. Als eigenständiges Fraunhofer-Spin-off ist die HydroMill naturgemäß stark in der Forschung verwurzelt. Es bietet seinen Kunden durch den Transfer des langjährigen Know-hows aus über 35 Jahren Erfahrung in der Anwendung der Wasserstrahltechnologie eine umfangreiche Technologie- und Innovationsberatung.
Kontaktdaten:
HydroMill GmbH
Arndtstraße 30
52064 Aachen, Germany
E-Mail: brendan.goerres@hydromill.de
Internet: www.waterjet.expert
Literatur:
[1] Schüler, M.; Dadgar, M.; Herrig, T. et al.: Experimental investigation of abrasive properties in waterjet machining. In: Procedia CIRP 101 (2021), S. 210-213.
https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.03.128.
[2] IMARC Group: Industrial Garnet Market – Size, Share, Trends and Forecast by Type, Application, and Region, 2025-2033, 2024.
