Systemvergleich der beiden Wasserstrahlschneidverfahren Injektor (WAIS) versus Suspension (WASS)



Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahl WASS schneidet Aluminium 10 mm dick
Suspensionsstrahl schneidet Aluminium 10 mm dick

Was versteht man unter Wasser-Abrasiv-Suspensions-Strahl (WASS)?

Wasser-Abrasiv-Suspensions-Strahl (WASS, auch mit WAS abgekürzt) ist ein neues Verfahren für das Wasserstrahlschneiden im Bereich der industriellen Teilefertigung. Der aktuelle Standard in der Wasserstrahlwelt ist das Schneiden mit dem Wasser-Abrasiv-Injektor-Strahl (WAIS). In diesem Bericht werden beide Verfahren gegenübergestellt und deren Vor- und Nachteile als Systemvergleich exploriert.

Die Nachfrage nach neuen Materialien und stetig wachsenden Forderungen nach Senkung der Schneidkosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Schneidleistungen animiert die Forschung bei der Suche nach neuen Schneidverfahren.

Eine Variante sieht den Einsatz von Hochdruckpumpen mit höheren Schneidrücken vor. Diese erfüllen hinsichtlich Schnittgeschwindigkeit und Leistungsspektrum zwar viele Wünsche, doch bleiben nicht selten die Erwartungen beim Wirkungsgrad und damit der Wirtschaftlichkeit zurück. Der hohe Schneidruck von beispielsweise 6.200 bar erlaubt zwar höhere Schnittgeschwindigkeiten und auch das Trennen größerer Materialdicken, aber leider erhöhen sich die Schnittkosten durch den höheren Verschleiß der Hochdruckkomponenten und der Verschleißteile.

Damit führt der Ansatz der Druckerhöhung, nach dem Motto „viel hilft auch viel“ leider nicht automatisch zum Ziel. Wenngleich es Anforderungen gibt, die derartige Hochdrucksysteme erfordern und auch rechtfertigen.

Ein anderer Lösungsansatz stellt sich die Frage, wie sieht der Abrasiv-Wasserstrahl aus, woraus besteht er und wie kann sein Wirkungsgrad beeinflusst werden? Der Abrasivstrahl besteht zu über 90% aus Luft. Wie ist das möglich?

Gegenüberstellung als Tortengrafik Bestandteile des Wasserstrahls beim Injektorverfahren WAIS versus Suspensionsverfahren WAS
Der Wasserstrahl beim Injektorverfahren (WAIS) besteht aus über 90% Luft

Woher stammt der hohe Luftanteil beim Injektorschneiden?

Funktionsweise des normalen Wasser-Abrasiv-Injektor-Schneidens (WAIS):

Das herkömmliche WAIS Schneiden basiert auf dem Bernoulli-Prinzip. In der Düse bewirkt die Querschnittsverengung eine Erhöhung der Strahlgeschwindigkeit des unter Hochdruck (zwischen 3.000 und 6.200 bar) stehenden Wassers auf mehrfache Schallgeschwindigkeit. Der durch die Mischkammer laufende Hochgeschwindigkeitswasserstrahl erzeugt in dieser einen Unterdruck mit dem das Abrasivmittel aus dem Vorratsbehälter angesaugt und im Anschluss mit Hilfe der kinetischen Energie des Wasserstrahls im Fokussierrohr beschleunigt wird.

Im Ergebnis entsteht beim Wasser-Abrasiv-Injektor-Schneidverfahren (WAIS) ein dreiphasiger Strahl aus einem Wasser-Abrasiv-Luft-Gemisch, wobei die größte Phase Luft darstellt. Wasser und das eigentliche Schneidmittel machen nur einen geringen Teil aus. Der unerwünschte Luftanteil eignet sich nicht zum Schneiden fester Stoffe.

Die Schnittqualität beim Wasserstrahlschneiden nach dem Injektorprinzip wird wesentlich durch Luft beeinträchigt, die den Verlauf und damit das Strömungsverhalten der Schneidemulsion senkt und damit den Wirkungsgrad negativ beeinflusst.

Eine Prinzipskizze erläutert die Düsenfunktion beim Wasserstrahlschneidverfahren: WAIS Injektor vsersus WASS Suspension Schneidkopf
Prinzipskizze: Gegenüberstellung WAIS Injektor vs. WASS Suspension

Wie kann der Wirkungsgrad beim Wasserstrahlschneiden erhöht werden?

Entfernt man den Störfaktor Luft aus dem Dreikomponentengemisch des Wasserstrahls verbessert man den Wirkungsgrad und eine Reihe weiterer Faktoren ergeben sich daraus.

Wie funktioniert das Wasserabrasiv-Suspensionsschneiden (WAS)?

Beim WAS Wasser-Abrasiv-Suspensionsverfahren wird das Abrasivmittel mit Wasser unter einem Druck von 500 bis 1.500 bar VOR der Düse in einem Druckbehälter gemischt und so dem Schneidkopf zugeführt. Dieses Zweikomponentengemisch besteht lediglich aus Wasser und Abrasivmittel, die Luft spielt bei diesem Verfahren als Störfaktor keine Rolle mehr.

Der Wirkungsgrad des WAS-Verfahrens ist damit höher als beim Injektorschneiden mit Dreikomponentengemisch. Die Abrasivmittelkörner werden beim WAS-Verfahren ohne siginfikante energetische Verluste beschleunigt und können damit größere Materialdicken und höhere Schnittgeschwindigkeiten als beim Injektorschneiden bei gleicher Pumpenleistung erreichen, wie die Messergebnisse, siehe unten, zeigen. Der Wasserstrahl wird beim WAS-Verfahren nicht durch die störende Luftphase behindert bzw. aufgefächert, so dass ein stärkerer fokussierter Strahl zur Verfügung steht.

Wie leistungsfähig ist der Suspensionsstrahl (WAS)?

Für dieses Thema haben wir zwei wissenschaftliche Studien der TU Chemnitz zu Rate gezogen. Wir verweisen dabei auf die Wissenschaftler der TU Chemnitz, die eine Gegenüberstellung der Parameter der beiden Schneidverfahren WAS und WAIS untersucht haben. Florian Morczinek, M.Sc. sowie weitere Wissenschaftler waren in diesem Projekt mit der Untersuchung der beiden Verfahren beauftragt. Florian Morczinek, M.Sc. war auch als Referent am Deutschen Schneidkongress® 2020 zu diesem Thema eingeladen. Die Ergebnisse seiner Studie stellen wir Ihnen in Kurzform vor.

In der ersten Studie wurde als Gegenstand der Schneiduntersuchung eine 8 mm dicke Keramik Aluminiumoxid (Al2O3) mit einer Härte von Mohs 9 eingesetzt. Aluminiumoxid ist als keramischer Hochleistungswerkstoff häufig in der Industrie anzutreffen.

In einer zweiten Untersuchung wurde Edelstahl 1.4301 V2A mit 10 mm Dicke mit den beiden Wasserstrahlschneidverfahren verglichen.

Zum Vergleich der Schnittqualität wurde das Material mit dem Laserstrahl, linkes Foto und mit dem Wasser-Injektionsverfahren geschnitten und unter dem Rasterelektronenmikroskop vergleichen.

Die mit Laser geschnittene Kontur, siehe Bild unten, zeigt eine aufgeschmolzene Oberfläche mit einer Vielzahl an Spannungsrissen.
Während der Wasserstrahlzuschnitt eine kristalline Grundstruktur besitzt, die auf einen mechanischen Trennvorgang hinweist.

Gegenüberstellung mikroskopische Vergrößerung der Schneidkanten von Aluminiumoxid geschnitten links mit Laser, enthält Risse versus rechts mit Wasserstrahl
Gegenüberstellung mikroskopische Vergrößerung der Schneidkanten von Aluminiumoxid geschnitten links mit Laser, rechts mit Wasserstrahl

1. Untersuchung: Wasserstrahlschneiden von 8 mm Al2O3 Aluminiumoxid

In der Gegenüberstellung der beiden Wasserstrahlschneidverfahren Suspension (WAS) vs. Injektor (WAIS) wurde folgende Ausgangsbasis gewählt:

Tabellarische Darstellung der Systembeschreibung der für den Versuch gewählten Prozessparameter
Systembeschreibung der für den Versuch gewählten Prozessparameter

In beiden Fällen ging man von einer Leistung von 15 kW aus. Das Injektionsverfahren arbeitete mit 2.900 bar, während beim Suspensionsverfahren 1.500 bar verwendet wurden. Aus der Konstellation ergaben sich die Düsendurchmesser, das Wasservolumen und die für beide Verfahren gleiche Abrasivmittelmenge von 200 g/min. Während beim WAIS durch das Fokussierrohr der Strahldurchmesser 0,8 mm betrug, konnte beim WAS Suspensionsverfahren 0,4 mm eingesetzt werden.

Daraus errechnete sich ein Gesamtwirkungsgrad von 39% beim Injektor zu 65% beim Suspensionsverfahren.

Die Auswertung der Schnittbilder ergab folgende Verläufe:

Mikroskopische Darstellung der Schnittverläufe in Abhängigkeit der Schnittgeschwindigkeit
Mikroskopische Darstellung der Schnittverläufe in Abhängigkeit der Schnittgeschwindigkeit

Gemäß VDI/NCG 5210 bzw. SN 214001 stellt u in mm den Winkelfehler dar.
Vr in mm/s ist die Schneidgeschwindigkeit.

Man erkennt, dass das Suspensionsverfahren bei gleicher Geschwindigkeit eine teilweise 300% bessere Rechtwinkligkeit Ra besitzt. Diese wurde gemäß Norm als Mittenrauwert auf der 10%-Marke der unteren Schnittfläche erfasst. Die Fotos zeigen, dass bei allen Schnittgeschwindigkeiten die Rauheit beim Suspensionsschneiden besser ist.

Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 0,7 mm/s schafft es das Injektorverfahren nicht mehr, das Material zu trennen und scheidet aus, während das Suspensionsverfahren noch immer mit einer geringen Rauheit das Material sauber trennt.

Abgenutzte Düse eines Suspensionsstrahl-Schneidkopfes: Noch immer funktionsfähig
Abgenutzte Düse eines Suspensionsstrahl-Schneidkopfes: Noch immer funktionsfähig

2. Untersuchung: Wasserstrahlschneiden von V2A 1.4301 10 mm dick

Hier wurde folgende Ausgangsbasis gewählt:

Injektor WAIS Suspension WAS Suspension WAS
Pumpendruck: 3500 bar 1500 bar 1500 bar
Düsendurchmesser: 0,25 mm 0,4 mm 0,4 mm
Fokussierrohr: 0,8 mm - -
Düsenziffer: 0,7 0,97 0,97
Abrasivmittelmenge: 240 g/min 240 g/min 350 g/min

  • Abrasivmittel: Barton Garnet HPX 120
  • Ausgehend vom Düsendurchmesser 0,4 mm resultierte eine Leistung von 9,5 kW, die für beide Verfahren als gleiche Größe, unter Berücksichtigung der Düsenziffer, festgelegt wurde.
  • Es wurden Versuchsreihen mit den Schnittgeschwindigkeiten 50 / 100 / 150 / 200 mm/min vorgenommen.

Auch hier zeigte sich ein ähnliches Bild:

  • Der Winkelfehler u war beim Suspensionsverfahren bis 100 mm/min Schnittgeschwindigkeit um den Faktor 10 geringer.
  • Bei 150 mm/min um den Faktor 4 geringer. Und bei 200 mm/min um rund 30% geringer.
  • Die Rauigkeitswerte waren hingegen nicht weit voneinander entfernt.

Die höhere Parallelität der Schnittflächen beim WAS Suspensionsverfahren können mit der höheren Energiedichte im Suspensionsstrahl erklärt werden, der ohne Luftanteil arbeitet.

Nun wurde eine weitere Testreihe erstellt, bei der man beim WAS Suspensionsverfahren alle Parameter konstant hielt, aber die Abrasivmittelmenge auf 350 g/min erhöhte. Dabei zeigte sich, dass Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 350 mm/min erreicht wurden, wenngleich die Rauigkeit dann eher zu einer Welligkeit wurde und nicht mehr messbar war. Wobei u der Winkelfehler noch immer um mehr als dem Faktor 3 besser war als beim Injektionsschneiden mit 200 mm/min Vorschub. Beim Einsatz von mehr Abrasivmittel verbesserte sich auch die Rauheit beim Suspensionsstrahl um mehr als die Hälfte bei der Schnittgeschwindigkeit von 200 min/min gegenüber dem Einsatz von nur 240 g/min Abrasivmittel beim Suspensionsstrahl.

© Florian Morczinek, IWP, TU Chemnitz. Veröffentlicht in AWTmagazin 10/2020, Seite 9, Leibniz Universität Hannover: Vergleich der Schnittflächen: Wasserstrahlschneiden Injektor- vs. Suspensionsstrahl beim Schneiden von Edelstahl V2A 10 mm dick
© Florian Morczinek, IWP, TU Chemnitz. Veröffentlicht in AWTmagazin 10/2020, Seite 9 Leibniz Universität Hannover: Vergleich der Schnittflächen: Wasserstrahlschneiden Injektor- vs. Suspensionsstrahl beim Schneiden von Edelstahl V2A 10 mm dick

Fazit aus den Versuchsreihen:

Bei gleichem Energieeintrag können Schnitte mit dem Suspensionsverfahren bei ähnlicher Oberflächenrauheit aber einer deutlich besseren Winkligkeit u beim Schneiden von Edelstahl mit 10 mm Dicke erzeugt werden. Da beim Suspensionsschneiden eine Erhöhung der Abrasivmenge möglich ist, kann auch mit deutlich höheren Schnittgeschwindigkeiten bzw. größere Materialdicken durchtrennt werden, ohne dass der Schnittwinkelfehler bis zu einer gewissen Materialgrenze zunimmt bei gleichzeitiger Verbesserung der Rauigkeitswerte Ra.

Recyceltes Abrasivmittel im feuchten Zustand beim Suspensionsverfahren problemlos einsetzbar
Recyceltes Abrasivmittel im feuchten Zustand beim Suspensionsverfahren problemlos einsetzbar

Zusammenfassung und Gegenüberstellung der Vorteile und Nachteile der beiden Wasserstrahlschneidverfahren: Suspension vs. Injektor

Stand 2021

Vorteile Suspensionsstrahl-Schneidverfahren (WAS):

  • Hoher Wirkungsgrad des Verfahrens durch Zweikomponenten-Suspension
  • Höhere Standzeiten der Pumpendichtungen, da nur geringerer Pumpendruck erforderlich ist
  • Verringerung des Strahldurchmessers
  • Schneidet vorteilhaft härtere Materialien und Keramiken, schneidet sprödes Material und dickes Material schneller
  • Verbundstoffe, wie GFK oder CFK lassen sich ohne Delamination schneiden
  • Sandwich und Hohlstrukturen lassen sich gut schneiden
  • Durch höheren Abrasivmitteleinsatz sind höhere Schneiddicken und Schnittgeschwindigkeiten bei gleicher Leistung und gleicher Schnittqualität gegenüber Standard-Injektorverfahren erzielbar
  • Ressourcenschonung: Recyceltes Abrasivmittel muss nicht getrocknet werden
  • Der recycelbare Anteil des Abrasivmittels ist höher als beim Injektorschneiden
  • Erzeugt kleinere Winkelfehler gegenüber Standard-Injektorverfahren, siehe Fotos, was sich besonders bei harten, spröden oder dicken Materialien positiv auswirkt

Nachteile Suspensionsstrahl-Schneidverfahren (WAS):

  • Das Zweikomponenten-Gemisch wird über einen speziellen Schneidkopf und eine Düse auf das zu schneidende Material übertragen. Auch wenn der Druck beim WAS-Verfahren erheblich geringer ist als beim Injektorschneiden, so wird doch das hoch beschleunigte Abrasivmittel durch die Düse im Schneidkopf geleitet, die dadurch schneller abnutzt.
  • Das An- und Abschalten des Strahls erfolgt je nach Größe der Schneidanlage mit einer Verzögerungszeit bis die Zweikomponentenemulsion den Schneidkopf erreicht. Bei Bauteilen mit vielen Bohrungen und Anstichen kann sich dies bemerkbar machen.
  • Die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit ist unter anderem durch Erhöhung des Abrasivmittels erreicht worden.

Vorteile Injektor-Schneidverfahren (WAIS):

  • Spontanes An- und Abschalten des Wasserabrasiv-Stromes direkt an der Düse
  • Schnellere Verfügbarkeit des Schneidmediums am Material, dadurch besser geeignet für kleinere Zuschnittteile und viele Start-Stopp-Sequenzen
  • Höhere Standzeiten der Düsen, da nur pures Wasser durch sie strömt

Nachteile Injektor-Schneidverfahren (WAIS):

  • Kürzere Lebensdauer der Verschleißteile der Hochdruckpumpe
  • Höhere Drücke erfordern höhere Anforderungen an die Wasserqualität
  • Geringerer Gesamtwirkungsgrad
  • Bei dicken, harten oder spröden Materialien geringere Schnittgeschwindigkeit und höhere Winkelfehler
  • Höhere Anforderungen an den Recyclingprozess des Abrasivmittels und geringere Wiederverwendbarkeit

Fazit:

In den letzten Jahren gab es viele Weiterentwicklungen der Schneidverfahren. Umso mehr freuen wir uns, nun auch im Bereich des Wasserstrahlschneidens ein neues Verfahren vorstellen zu können. Dass die Entwicklung neuer energiesparender Pumpen, 3D-Schneidköpfe und Schnittwinkelfehlerkompensationen im Wasserstrahlschneiden bereits weite Anwendung in der Injektor-Technik und deren Optimierung gefunden haben, darüber haben wir bereits berichtet. Dass nun aber auch durch ein alternatives Schneidverfahren eine ganz neue Komponente ins Spiel gekommen ist, macht das Wasserstrahlschneiden noch spannender, attraktiver und erhöht die Einsatzmöglichkeiten für neue Anwendungsfälle und neue Materialien.

In dieser Gegenüberstellung wurden die reinen Systemvergleiche der Verfahren durch nachvollziehbare wissenschaftliche Studien, auf Basis der zum jeweiligen Zeitpunkt dem Forschungsinstitut zur Verfügung stehenden Ausrüstung, gegenübergestellt.

Qualitative Aussagen zur Wirtschaftlichkeit der Schneidverfahren lässt der Bericht nicht zu und verfolgte diese Absicht auch nicht.

Wann sich welches Verfahren für Sie eignet, ermitteln Sie am besten an Hand Ihrer eigenen Bauteile und Fertigungsvorgaben direkt in Abstimmung mit den jeweiligen Herstellern, denn jedes Verfahren hat seine Vor – und Nachteile und jeder Betrieb hat seine eigenen Vorstellungen und Randbedingungen.  
Fragen bezüglich der Wirtschaftlichkeit beider Verfahren klären Sie direkt mit den Herstellern ab. Hierzu finden Sie im Marktplatz Anbieter beider Systeme, die Sie über ein Anfrageformular schnell, diskret und kostenlos anfragen können.


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