Industrie-Lexikon

Wasserstrahlschneidemaschine

Eine Wasserstrahlschneidemaschine ist eine Werkzeugmaschine zum Trennen von Werkst√ľcken mittels Wasserstrahlschneiden.


Verfahren
Beim Wasserstrahlschneiden wird das zu bearbeitende Material durch einen Hochdruckwasserstrahl und meist mit Beimischung von scharfkantigem Schneidsand getrennt. Dieser Strahl erzeugt auf der Werkst√ľckoberfl√§che einen Druck von meist 4000 bis zu max. 6000 bar und erreicht Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 m/s. Das Schneidgut erw√§rmt sich dabei kaum. Daher eignet sich das Verfahren, im Gegensatz zum Laserschneiden, auch zum Schneiden von geh√§rtetem Stahl. Durch den hohen Druck ist das Schneidwasser keimfrei (Hochdrucksterilisation). Die Wasserqualit√§t muss bestimmten Mindestanforderungen gen√ľgen. Zur Erzielung optimaler Pumpen- und Komponentenstandzeiten ist gegebenenfalls eine spezielle Aufbereitung n√∂tig, die wegen der enorm hohen Dr√ľcke viel Erfahrung und Fingerspitzengef√ľhl erfordert; Standardverfahren wie beispielsweise Wasserenth√§rter oder Umkehrosmose-Systeme erzeugen oft mehr Probleme, als sie l√∂sen. Bedingt durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit des Wassers entsteht beim Schneiden ein Schalldruck bis zu 120 dB. Durch Schneiden unter Wasser, etwa durch Erh√∂hung des Wasserspiegels im Strahlf√§nger und durch Umgeben der D√ľse mit einer Wasserglocke, kann die Schallemission bedeutend reduziert werden.


Anwendungen
Mit dem Hochdruckwasserstrahlverfahren können fast alle Materialien bearbeitet werden, von weichem, porigem Schaumstoff bis zu hartem Saphir. Schwerpunkte sind die Kunststoffbearbeitung, die Metallbearbeitung, die Lederbearbeitung und die Steinbearbeitung. Durch die Möglichkeit des Schwenkens des Schneidkopfes (3-D-Bearbeitung) lassen sich mittels einer Schneidvektorsteuerung fast beliebig komplizierte Formen auch im Raum schneiden.

Es lassen sich Genauigkeiten bis zu 0,005 mm/m Bearbeitungslänge erreichen. Jedoch muss dazu der Bearbeitungsraum klimatisiert werden.

Neben dem Trennen wird das Wasserstrahlschneiden auch zum Entgraten verwendet.

Ein wichtiger Aspekt, der f√ľr das Schneiden mit dem Abrasiv-Wasserstrahl spricht, ist, dass Gef√ľgever√§nderungen (Werkstoffstruktur√§nderungen; siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm) an den Schnittkanten ausgeschlossen werden k√∂nnen. Das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden wird daher mit hohem Erfolg in der Materialforschung und Konstruktion eingesetzt. Eine gute M√∂glichkeit bietet das Wasserstrahlschneiden, wenn es darum geht, ungleichartige Werkst√ľcke zu schneiden, z. B. Keramik-Metall-Mischungen. Die Technik des Wasserstrahlschneidens wird deswegen seit Jahren in Forschungseinrichtungen eingesetzt.

Eine Standardanwendung des Wasserstrahlschneidens ist mittlerweile das Bes√§umen von Verbundlagen-Kunststoff-Armaturenbrettern f√ľr PKW mittels eines F√ľnfachsen-Roboters samt Wasserstrahld√ľse.


Maschinenkomponenten
Eine Wasserstrahlschneidemaschine besteht aus verschiedenen Komponenten, die unterschiedlich kombiniert werden k√∂nnen. Komponenten sind unter anderem: Speicher, Hochdruckverrohrung, CNC-gesteuerte F√ľhrungsmaschine, Druck√ľbersetzer, √Ėltank, √Ėlpumpe, Elektromotor, Ventil und D√ľse. 

Maschinenrahmen
Der Maschinenrahmen, der meist aus Stahlrohr unterschiedlichen Formats zusammengebaut wird, tr√§gt die einzelnen Achsen der Maschine. Dabei werden die F√ľhrungen bei hochwertigen Maschinen spannungsarm gegl√ľht, gefr√§st, geschliffen oder geschabt. Danach wird mittels eines Laserinterferometers die Geradheit des Rahmens und der F√ľhrungsbahnen gepr√ľft. Die Ausrichtung des Rahmens erfolgt √ľber Fixatoren oder D√ľbelelemente.   Standardbauform beim Wasserstrahlschneiden ist die sogenannte Portalbauweise (als Flachbett f√ľr Standardaufgaben oder als Hochportalanlage f√ľr Werkst√ľcke mit extremen Abmessungen), an dem zwei Achsen ohne Verbindung den Querbalken tragen. Mit diesen Typen lassen sich fast beliebig gro√üe Maschinen realisieren (Spannweiten des Portals bis etwa 5000 mm). Bei Portalmaschinen fahren die beiden F√ľhrungsachsen in einem sogenannten Gantry-Verbund, und sind somit √ľber die CNC-Steuerung gekoppelt (zwei Achsen verhalten sich wie eine einzige). Neben dem Portal existiert noch die Konstruktionsvariante als Tragarm, bei der der Querbalken nur einseitig gef√ľhrt wird. Diese Bauform ist in der Herstellung g√ľnstiger und hat einen Vorteil aufgrund der besonders guten Zug√§nglichkeit von drei Seiten zum Schneidbereich. Sie war aber lange Zeit technisch der Portalbauweise unterlegen und f√ľr das Pr√§zisionsschneiden weniger geeignet, weil die Tragarmbauweise grunds√§tzlich zum Schwingen neigte. Aktuelle hochwertige Tragarm-Systeme werden mittels FE-Berechnung schwingungstechnisch so steif ausgelegt, dass dieselben engen Toleranzen wie bei einer Portalmaschine erreicht werden.

Strahlvernichter
Die Restenergie des Wasserstrahls, die nach der geleisteten Schneidarbeit verblieben ist, kann auf verschiedene Weise abgebaut werden. Die am h√§ufigsten anzutreffende Variante ist ein Wasserbecken, das als ‚ÄěStrahlf√§nger“ fungiert. Das Wasserbecken sollte √ľber eine ausreichende Wassers√§ule von √ľber 600 mm verf√ľgen, damit die Restenergie des Wasserstrahls in W√§rme umgewandelt werden kann. Das Wasserbecken sollte ohne mechanische Verbindung zur F√ľhrungsmaschine aufgebaut sein, da sich selbst gr√∂√üere Wasserbecken nach einigen Stunden Schneidzeit im zweistelligen Gradbereich erw√§rmen k√∂nnen. Wenn nun F√ľhrungsmaschine und Wasserbecken eine Einheit sind, f√ľhrt eine solche Erw√§rmung zu Ver√§nderungen in der Maschinengeometrie. Die Folge sind Geradheitsfehler, Materialausdehnung und somit Ungenauigkeiten bei der Teileherstellung.   Abweichungen im Bereich mehrerer Zehntelmillimeter sind nicht un√ľblich. Die Erw√§rmung hat allerdings Einfluss auf das Verhalten des Werkst√ľckes und muss gegebenenfalls bei h√∂heren Genauigkeitsanforderungen zeitnah mit eingerechnet werden (Online-CNC-Korrektur).

Neben der Verwendung feststehender Wasserbecken gibt es auch noch eine weitere Variante, n√§mlich den sogenannten ‚ÄěCatcher“. Ein Catcher bezeichnet beim Wasserstrahlschneiden ein fahrbares schmales Wasserfangbecken, das sich synchron zur Bewegung der Schneidachse bewegt. Diese Catcher sind oftmals mit Keramikkugeln gef√ľllt, die die Restenergie umwandeln sollen. Gr√∂√üter Nachteil dieser Catcher sind extreme Luftschallemission von der nicht wasserbedeckten Oberseite, sowie hoher Spritzwasseranteil. Infolge wesentlich geringerer Wassermengen im Umlauf ist die Erw√§rmung im Catcherbetrieb weitaus schneller, jedoch vom Werkst√ľck entkoppelt.

Hochdruckpumpe
Die Hochdruckpumpe dient zur Erzeugung eines m√∂glichst pulsationsfreien Hochdruckwasserstrahles. Einfachste Ausf√ľhrungen werden mit Druckluft betrieben, die √ľber einen Druck√ľbersetzer den Hochdruck liefern. Aufgrund des schlechten Wirkungsgrades kommt dies aber nur f√ľr Anlagen im Low-End-Bereich zum Tragen. In der Regel werden beim Wasserstrahlschneiden Hochdruckpumpen eingesetzt, die eine Hydraulikeinheit verwenden (der Wirkungsgrad liegt bei ca. 65 %).   Diese Einheiten erzeugen √∂lhydraulisch einen Vordruck von bis etwa 200 bar. Der Druck ist bei besseren Pumpen √ľber ein Proportionalventil beliebig abregelbar. Das komprimierte √Ėl wird in den Hydraulikzylinder des Hochdruck√ľbersetzers gepumpt. Hier wirkt das √Ėl auf eine Kolbenstange mit einem √úbersetzungsverh√§ltnis von etwa 20:1 – 40:1 (Hydraulikfl√§che zur Wasserfl√§che). Somit lassen sich Dr√ľcke bis in den Bereich von etwa 6500 bar erzeugen. Das Hochdruckwasser, das den Hochdruckzylinder verl√§sst, gelangt in einen sogenannten Pulsationsd√§mpfer. Hierbei handelt es sich um einen Gashochdruckspeicher, einen ‚ÄěPufferzylinder“ (meist mit einem oder zwei Liter Volumen), der die Druckschwankungen bei Umkehrung des Hydraulikkolbens d√§mpfen soll. Je gr√∂√üer die Pufferflasche, desto besser die Schneidleistung und -qualit√§t. HD-Pumpen k√∂nnen √ľber mehrere Hochdruck√ľbersetzer und Pufferflaschen verf√ľgen. Die Leistung heutiger Anlagen liegt zwischen etwa 11–149 kW. Die F√∂rdermenge kann bis zu 15,2 Liter pro Minute betragen. Seit neuestem werden Schneidpumpenaggregate eingesetzt, die mittels Plungerpumpen einen Druck von 4100 bar erzeugen. Hierbei kann auf den Umweg √ľber die Hydraulik verzichtet werden. Bei diesen Wasserstrahl-Schneidpumpenaggregaten wird die Hochdruckpumpe direkt angetrieben, so dass ein Wirkungsgrad von √ľber 90 % erreicht wird. Aufgrund der Triplex-Charakteristik ist die Pulsation so gering, dass zus√§tzlich auf einen Pulsationd√§mpfer verzichtet werden kann. Im Leistungsbereich k√∂nnen mit dieser Technik bis 750 kW Antriebsleistung umgesetzt und dabei ein Volumenstrom bis zu 100 l/min bei 3800 bar erzeugt werden.

Entsorgung
Das mit Schneidmaterial und Abrasivstoffen vermischte Schneidwasser muss aus dem Strahlvernichter entfernt werden. Dies geschieht entweder kontinuierlich durch eine Entsorgung oder in Abst√§nden manuell. Die kontinuierliche Entsorgung besteht entweder aus einem Kratzf√∂rderer, der die Schneidmittelreste aus dem Strahlvernichter entfernt, oder aus einem Wasserumlauf, der die Reste aus dem Strahlvernichter aussondert. Das Wasser aus dem Strahlvernichter wird dann gefiltert und dem Schneidbecken wieder zugef√ľhrt.

Steuerung
Wasserstrahlschneidanlagen werden durchg√§ngig mit CNC-Steuerungen ausger√ľstet. Neben einfachsten Ausf√ľhrungen, die nur eine Plottersteuerung zulassen, verf√ľgen h√∂herwertige Maschinen √ľber Steuerungen, die sowohl alle Achsen interpolieren als auch eine adaptive Vorschubgeschwindigkeitsreduktion abh√§ngig vom Schneidprozess durchf√ľhren k√∂nnen. Hier existiert neben einer CAD-Schnittstelle auch oft eine CAM-Anbindung. Seit einigen Jahren sind auch PC-Steuerungen am Markt, die den Vorteil der leichten Einarbeitung f√ľr CNC-unkundige Bediener bieten.

Quelle: Wikipedia

 

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