Systemvergleich der beiden Wasserstrahlschneidverfahren: Was leistet das Suspensionsverfahren WASS?

Ein anderer Lösungs ansatz 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?

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.

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.

1. Untersuchung: Wasserstrahlschneiden von 8 mm Al₂O₃ Aluminiumoxid

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

Schnittverläufe in Abhängigkeit der Schnittgeschwindigkeit

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:

2. Untersuchung: Wasserstrahlschneiden von V2A 1.4301 10 mm dick

Hier wurde folgende Ausgangsbasis gewählt:

• 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.