Das Wasserstrahlschneiden ist ein mechanisches Verfahren, bei dem Material durchysischen Kontakt und Materialtrag entfernt wird. Der Hauptunterschied zu anderenidverfahren besteht darin dass es sich um ein Kalttrennverfahren (nicht-thermisch) handelt, also beim Schneidvorgang Hitze eingesetzt wird.
utzutage müssen alle Fertungsverfahren drei Hauptziele erfüllen: die Produktionsung, die Reduzierung von Ausschuss und die Verbesserung der Qualität. Verfahren wie D-Druck, Blechumform, Spritzgießen, Laser- und Plasmaschneiden zielen darauf ab, diese Ziele bei niedrigeren Kosten und kürzeren Produktionszeiten zu erreichen gleichzeitig Effizienz sowie Nachhaltigkeit zu steigern.
Jedes dieser Verfahren hat aufgrund verschiedener Vorteile und Einschränkungen seinen festen Platz in der Fertigungsindustrie. Moderne Wasserstrahlschneidanlagen haben zudem CNC-Technologie in ihre Konstruktion integriert, um diese Ziele noch effektiver zu erreichen.
Im Folgenden werfen wir einen genau Blick auf das fortschrittliche Verfahren des Wasserhlschneidens.
Beim Wasserstrahlschneiden wird ein Hochdruckwasserstrahl, dem häufig ein abrasives Material beigemischt ist, genutzt, um eine Vielzahl von Werkstoffen zu durchtrennen.
Eine Hochdruckpumpe setzt das Wasser unter enormen Druck, welches durch Hochdruckrohre zum Schneidkopf geleitet wird. Dort strömt das Wasser durch eine Düse und wird zu einem extrem feinen Strahl gebündelt, der das vorliegende Material präzise durchtrennt.
Eine Wasserstrahlschneidmaschine kann Drücke von bis zu 100.000 psi bzw. etwa 6.900 bar erzeugen. Zum Vergleich: Feuerwehrschläuche arbeiten mit 8 bis 20 bar. Die Düse wird oft durch ein Visionssystem unterstützt, um eine präzise und effiziente Bearbeitung zu ermöglichen.
Die Düse lässt sich einfach an unterschiedliche Materialien anpassen. Je nachdem, ob ein abrasives Mittel verwendet wird oder nicht, unterscheidet man zwei Arten des Wasserstrahlschneidens:
Beim Schneiden härterer Materialien werden dem Wasser abrasive Stoffe beigemischt. Dies geschieht in einer Mischkammer im Schneidkopf, kurz bevor der abrasive Wasserstrahl das System verlässt.
Beliebte Abrasivmittel sind Granatsand, Aluminiumoxid oder Schmirgel. Mit zunehmender Materialhärte bzw. -dicke sollte auch die Härte des eingesetzten Abrasivmittels erhöht werden.
Mit den passenden Abrasivmitteln lassen sich unterschiedlichste Werkstoffe schneiden. Übliche Materialien sind Keramik, Metalle, Stein und dicke Kunststoffe. Es gibt jedoch Ausnahmen wie Einscheibensicherheitsglas und Diamanten, die nicht mit abrasivem Wasser geschnitten werden können. Einscheibensicherheitsglas zerspringt beim Wasserstrahlschneiden.
Wasserstrahlschneider können auch ohne Abrasivmittel betrieben werden – insbesondere für weiche Materialien. Ein ausschließlich hierfür ausgelegter Wasserstrahlschneider besitzt keine Mischkammer oder spezielle Düse. Eine Hochdruckpumpe presst das Wasser durch eine kleine Öffnung, sodass präzise Schnitte am Werkstück entstehen. Die meisten industriellen Wasserstrahlschneidanlagen ermöglichen jedoch den Einsatz beider Methoden.
Das reine Wasserstrahlschneiden ist weniger invasiv als das abrasive Schneidverfahren. Der Wasserstrahl ist extrem fein und übt keinen zusätzlichen Druck auf das Werkstück aus.
Es eignet sich ideal für weiche Materialien wie Schaumstoffe, Filz, Holz, Gummi, Lebensmittel und dünne Kunststoffe.
Wasserstrahlschneiden bietet zahlreiche Vorteile, die es sowohl für allgemeine als auch für spezielle Anwendungen zur hervorragenden Wahl machen. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen:
Das Wasserstrahlschneiden ist für seine hohe Schnittgenauigkeit bekannt. Selbst bei engen Toleranzvorgaben liefern Wasserstrahlteile eine sehr hohe Qualität.
Eine Wasserstrahlschneidmaschine kann Toleranzen von bis zu 0,025 mm erreichen, wobei Toleranzen zwischen 0,075 und 0,125 mm für Teile mit einer Dicke unter 25 mm üblich sind.
Mit zunehmender Materialdicke können die Toleranzen variieren, abhängig von der Technologie. Die Genauigkeit hängt von Faktoren wie Tischstabilität, Maschinenbauweise, Abrasivfluss, Steuerung des Strahls, Strahlverzögerung und Prozessfehlern ab.
Die Wärmeeinflusszone (WEZ) ist ein Nebeneffekt der meisten thermischen Trennverfahren. Bei Verfahren wie Laserschneiden oder Funkenerosion schmilzt der Bereich um die Schnittkante nicht, verändert aber seine Eigenschaften.
Verfärbungen, Hitzeschäden und verhärtete Kanten können die Eigenschaften des Endprodukts beeinträchtigen. Solche Teile müssen oft einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bevor sie eingesetzt werden.
Da das Wasserstrahlschneiden ein Kalttrennverfahren ist, entsteht keine Wärmeeinflusszone. Die Kantenqualität ist dadurch überlegen und die Bauteileigenschaften bleiben erhalten, ohne dass zusätzlicher Stress auf das Teil einwirkt.
So entfällt die Sorge um unvollkommene Schnitte, Schwachstellen und Verzug. Vorgewärmte Teile können ohne Qualitätsverlust bearbeitet werden, was die Produktionskosten senkt.
Da kein thermischer Prozess stattfindet, entstehen auch keine Schlacke und kein Grat.
Das Wasserstrahlschneiden liefert eine Oberflächenqualität, die mit keinem anderen Trennverfahren vergleichbar ist. Die Schnittkanten sind glatt und müssen in der Regel nicht entgratet werden.
Die Endqualität hängt von mehreren Faktoren ab – etwa Schneidgeschwindigkeit, Druck, Abrasivfluss und Düsenöffnung. Die Prozessparameter sollten für ein optimales Ergebnis angepasst werden.
Beim Wasserstrahlschneiden werden keine Schneidwerkzeuge eingesetzt, und die Düse muss nicht gewechselt werden, um unterschiedliche Materialien und Dicken zu bearbeiten. Die Anpassung erfolgt durch das Einstellen der Schneidparameter wie beispielsweise Vorschubgeschwindigkeit.
Da kein Werkzeugwechsel zwischen den Materialien nötig ist, können verschiedene Werkstoffe direkt nacheinander geschnitten werden. Dies spart Zeit und Werkzeugkosten und erhöht die Effizienz.
Das Wasserstrahlschneiden ist im Vergleich zu alternativen Verfahren oft kostengünstiger, besonders in der Lebensmittelindustrie. Meist sind keine zusätzlichen Vorrichtungen, Spannmittel oder Klemmen erforderlich, was die Produktionszeit weiter verkürzt.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, mehrere Materialschichten gleichzeitig zu schneiden. Verschiedene Materialien können übereinandergelegt und in einem Durchgang bearbeitet werden – ein einfacher und effektiver Weg zur Produktivitätssteigerung.
Zudem ist kaum Nachbearbeitung nötig, was die Gesamtkosten senkt. Auch der Materialverlust ist minimal.
Wie bereits erläutert, ist das Wasserstrahlschneiden nicht auf einen bestimmten Werkstoff beschränkt. Mit den richtigen Parametern und Abrasivmitteln können unterschiedlichste Materialien geschnitten werden. Im weiteren Verlauf des Artikels werden wir darauf noch detaillierter eingehen.
Heutzutage ist Nachhaltigkeit ein wichtiger Faktor bei der Auswahl von Fertigungsverfahren. Das Wasserstrahlschneiden erfüllt sämtliche Anforderungen in Bezug auf Umweltfreundlichkeit: Kein Schlacke- oder Gratanfall, keine erhitzten Bauteile und keine Freisetzung giftiger Dämpfe oder Treibhausgase.
Die Endprodukte benötigen keine Nachbearbeitung wie Wärmebehandlung. Das eingesetzte Wasser kann wiederverwendet werden, was die Umweltbelastung minimiert. Zudem sind keine Kühlöle oder Schmierstoffe notwendig, da der Wasserstrahl selbst als Kühlmittel dient.
Das Verfahren ist mit einer Vielzahl von Materialien kompatibel. Im Folgenden betrachten wir die unterschiedlichen Materialarten, die sich effektiv mit einem Wasserstrahlschneider bearbeiten lassen:
Die hohen Geschwindigkeiten und Drücke im Wasserstrahlsystem ermöglichen das Schneiden von dünnen und dicken Metallen gleichermaßen. Selbst extrem harte Werkstoffe wie Titan und Inconel lassen sich ebenso bearbeiten wie gängige Metalle wie Aluminium und Baustahl.
Das Verfahren wird insbesondere für dickere Werkstücke eingesetzt, die sich mit Laser oder Plasma nicht schneiden lassen. Für dünnere Metalle ist das Laserschneiden jedoch schneller. Ein Wasserstrahlschneider mit einer 30-PS-Pumpe kann beispielsweise 12 mm Titan mit einer Geschwindigkeit von 180 mm/min schneiden.
Ein großer Vorteil beim Metallschneiden ist das Fehlen einer Wärmeeinflusszone, was die Qualität des Endprodukts deutlich erhöht. Nachbearbeitung ist in den meisten Fällen nicht erforderlich, da die Kanten eine satinartige Glätte aufweisen.
Wasserstrahlgeschnittene Metallteile erfüllen höchste Qualitätsanforderungen und werden daher in anspruchsvollen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wo Fehler nicht toleriert werden.
Eine leistungsfähige Wasserstrahlschneidanlage kann Holz mit einer Dicke von bis zu 125 mm bei einer Geschwindigkeit von bis zu 15 m/min bearbeiten. Sie eignet sich sowohl zum Spalten als auch für filigrane Formen. Der Strahl durchdringt das Holz so schnell, dass praktisch keine Oberflächenfeuchtigkeit entsteht – das Holz nimmt kein Wasser auf. Auch die Delamination bleibt minimal.
Bei Astlöchern im Holz muss die Maschine ggf. neu kalibriert werden. Entweder wird ein höherer Druck gewählt, der auch durch Aststellen schneidet, oder es werden unterschiedliche Drücke für verschiedene Bereiche eingesetzt. Beide Methoden können die Endqualität beeinflussen.
Wasserstrahltechnik wird zunehmend zur Bearbeitung von Gummi verschiedener Stärken eingesetzt. Ein entscheidender Vorteil: Es entstehen keine konkaven Schnittkanten wie beim Stanzschneiden.
Die Technologie ist nicht auf eine bestimmte Gummistärke begrenzt. Mit abrasiven Wasserstrahlschneidern können Gummis unterschiedlicher Härte und Dicke auf die gewünschte Endqualität zugeschnitten werden.
Häufig reicht reines Wasserstrahlschneiden aus, um die Produktspezifikationen für Gummiwaren zu erfüllen. Damit lassen sich Schwammgummi bis 50 mm Dicke und Hartgummi über 25 mm Dicke mit einer Toleranz von ±0,25 mm schneiden.
Wasserstrahltechnik kommt häufig in industriellen Schneidmaschinen für Keramik zum Einsatz. Keramiken sind hart und spröde – die Bearbeitung mit anderen mechanischen Verfahren ist schwierig, da sie dem hohen Druck nicht standhalten.
Beim Wasserstrahlschneiden wird außer am Schneidpunkt kein übermäßiger Druck auf das Werkstück ausgeübt. Dies macht es zum idealen Verfahren für Keramik. Der Strahl kann selbstständig ein Anfangsloch erzeugen und komplexe Formen präzise ausschneiden.
CNC-Technik (Computergestützte numerische Steuerung) in Verbindung mit abrasivem Wasserstrahlschneiden sichert eine wiederholgenaue Präzision und hervorragende Kantenqualität.
Mit Wasserstrahltechnik lassen sich verschiedenste Gläser mit unglaublicher Detailgenauigkeit schneiden. Selbst empfindlichstes Glas kann ohne Risse oder Krater bearbeitet werden. Ebenso ist das Schneiden von Buntglas möglich.
Das Schneiden erfordert kein Ätzen oder Brechen. Anfangslöcher werden wegen der Bruchgefahr bei niedrigerem Druck erzeugt. Bis zu 50 mm Panzerglas können geschnitten werden, bei anderen Gläsern ist noch mehr möglich.
Stein und Fliesen sind ein weiteres klassisches Einsatzgebiet für Wasserstrahlschneider. Mit den richtigen Einstellungen lassen sich Zement, Keramik, Glas, Granit, Kalkstein, Mosaik, Metall, Porzellan, Travertin und Natursteinfliesen schneiden.
Das Wasserstrahlschneiden ist in der Lebensmittelindustrie weit verbreitet, da es höchste Hygiene und Produktivität gewährleistet. Auch die USDA hat das Verfahren zugelassen, da es die Lebensmittel nicht mit Bakterien oder anderen Verunreinigungen belastet.
Präzises Schneiden und Portionieren von kleinen und großen Lebensmitteln wie Süßwaren, Backwaren, Geflügel, Fisch und Tiefkühlkost erfolgt schnell und sauber.
Das Wasserstrahlschneiden bietet zahlreiche Vorteile gegenüber alternativen Schneidverfahren. Im Folgenden vergleichen wir das Wasserstrahlschneiden mit anderen Verfahren wie Draht-EDM (elektrische Funkenerosion), Laser- und Plasmaschneiden in Bezug auf:
Wasserstrahltechnik kann praktisch jedes Material bis zu einer Dicke von 300 mm (bei manchen Materialien bis 600 mm) schneiden. Laserschneiden eignet sich für Metalle bis zu 25 mm (bei einigen Werkstoffen weniger), ausgenommen reflektierende Metalle. EDM funktioniert nur mit leitfähigen Materialien und bei Dicken bis 300 mm.
Plasmaschneiden bearbeitet nahezu alle Metalle bis 50 mm Dicke (teilweise bis 75 mm). Autogenschneiden ist eine weitere Option und kann Metalle bis 150 mm schneiden, ist jedoch in der Materialvielfalt eingeschränkt. Aluminium- und Kupferlegierungen sind damit kaum zu schneiden, und die Schnittkantenqualität bleibt klar zugunsten des Wasserstrahls.
Wasserstrahlschneiden ist fast immer die bevorzugte Methode bei hohen Materialdicken und/oder wenn höchste Kantenqualität gefordert ist.
Beim Wasserstrahlschneiden entsteht keine WEZ, bei EDM ist sie sehr gering ausgeprägt. Laser- und Plasmaschneiden erzeugen – je nach verwendetem Gas – eine deutliche WEZ, was eine Nachbearbeitung zur Entfernung der WEZ und eventueller Verzüge notwendig macht. Dies ist der Hauptgrund, warum Wasserstrahlschneiden die beste Kantenqualität direkt ab Maschine liefert.
Laser- und EDM-Schneiden erreichen Toleranzen bis 0,025 mm, vergleichbar mit dem Wasserstrahl. Plasmaschneiden bietet eine Genauigkeit bis maximal 0,25 mm. Die Schnittgeschwindigkeit kann hier jedoch Einfluss auf die erreichbaren Toleranzen nehmen – je schneller, desto geringer die Präzision.
Der Aufbau der Wasserstrahlmaschine bleibt unabhängig vom Material meist gleich. Alle anderen Verfahren erfordern unterschiedliche Setups und Verbrauchsmaterialien für unterschiedliche Aufträge.
Das Wasserstrahlschneiden bietet zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Verfahren. Seine Vielseitigkeit im Umgang mit nahezu jedem Material, kombiniert mit Sicherheit, Nachhaltigkeit und Präzision, macht es zu einer bevorzugten Technologie in vielen Branchen.
Hersteller setzen jedoch bevorzugt auf das Laserschneiden, wenn besonders hohe Schnittgeschwindigkeit gefragt ist. Dies ist jedoch nur bei bestimmten Materialdicken und bei zulässiger Wärmebelastung möglich. Die höhere Geschwindigkeit reduziert zudem die Stückkosten, sodass Laserschneiddienstleistungen in manchen Fällen günstiger sind als Wasserstrahlschneiddienstleistungen.
Wasserstrahltechnologie findet Anwendung in der allgemeinen Fertigung, Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Textilbranche, Medizintechnik, im Bergbau und vielen weiteren Bereichen. Mit dem technischen Fortschritt wird das Wasserstrahlschneiden künftig noch kostengünstiger und weiter verbreitet in der Fertigungsindustrie sein.
