Industrie-Lexikon

Wasserstrahlschneidemaschine

Eine Wasserstrahlschneidemaschine ist eine Werkzeugmaschine zum Trennen von Werkst├╝cken 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├╝ckoberfl├Ąche einen Druck von meist 4000 bis zu max. 6000 bar und erreicht Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 m/s. Das Schneidgut erw├Ąrmt sich dabei kaum. Daher eignet sich das Verfahren, im Gegensatz zum Laserschneiden, auch zum Schneiden von geh├Ąrtetem Stahl. Durch den hohen Druck ist das Schneidwasser keimfrei (Hochdrucksterilisation). Die Wasserqualit├Ąt muss bestimmten Mindestanforderungen gen├╝gen. Zur Erzielung optimaler Pumpen- und Komponentenstandzeiten ist gegebenenfalls eine spezielle Aufbereitung n├Âtig, die wegen der enorm hohen Dr├╝cke viel Erfahrung und Fingerspitzengef├╝hl erfordert; Standardverfahren wie beispielsweise Wasserenth├Ąrter oder Umkehrosmose-Systeme erzeugen oft mehr Probleme, als sie l├Âsen. Bedingt durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit des Wassers entsteht beim Schneiden ein Schalldruck bis zu 120 dB. Durch Schneiden unter Wasser, etwa durch Erh├Âhung des Wasserspiegels im Strahlf├Ąnger und durch Umgeben der D├╝se mit einer Wasserglocke, kann die Schallemission bedeutend reduziert werden.


Anwendungen
Mit dem Hochdruckwasserstrahlverfahren k├Ânnen 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 M├Âglichkeit 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 Bearbeitungsl├Ąnge erreichen. Jedoch muss dazu der Bearbeitungsraum klimatisiert werden.

Neben dem Trennen wird das Wasserstrahlschneiden auch zum Entgraten verwendet.

Ein wichtiger Aspekt, der f├╝r das Schneiden mit dem Abrasiv-Wasserstrahl spricht, ist, dass Gef├╝gever├Ąnderungen (Werkstoffstruktur├Ąnderungen; siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm) an den Schnittkanten ausgeschlossen werden k├Ânnen. Das Abrasiv-Wasserstrahlschneiden wird daher mit hohem Erfolg in der Materialforschung und Konstruktion eingesetzt. Eine gute M├Âglichkeit bietet das Wasserstrahlschneiden, wenn es darum geht, ungleichartige Werkst├╝cke 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├Ąumen von Verbundlagen-Kunststoff-Armaturenbrettern f├╝r PKW mittels eines F├╝nfachsen-Roboters samt Wasserstrahld├╝se.


Maschinenkomponenten
Eine Wasserstrahlschneidemaschine besteht aus verschiedenen Komponenten, die unterschiedlich kombiniert werden k├Ânnen. Komponenten sind unter anderem: Speicher, Hochdruckverrohrung, CNC-gesteuerte F├╝hrungsmaschine, Druck├╝bersetzer, ├ľltank, ├ľlpumpe, Elektromotor, Ventil und D├╝se. 

Maschinenrahmen
Der Maschinenrahmen, der meist aus Stahlrohr unterschiedlichen Formats zusammengebaut wird, tr├Ągt die einzelnen Achsen der Maschine. Dabei werden die F├╝hrungen bei hochwertigen Maschinen spannungsarm gegl├╝ht, gefr├Ąst, geschliffen oder geschabt. Danach wird mittels eines Laserinterferometers die Geradheit des Rahmens und der F├╝hrungsbahnen gepr├╝ft. Die Ausrichtung des Rahmens erfolgt ├╝ber Fixatoren oder D├╝belelemente.   Standardbauform beim Wasserstrahlschneiden ist die sogenannte Portalbauweise (als Flachbett f├╝r Standardaufgaben oder als Hochportalanlage f├╝r Werkst├╝cke mit extremen Abmessungen), an dem zwei Achsen ohne Verbindung den Querbalken tragen. Mit diesen Typen lassen sich fast beliebig gro├če Maschinen realisieren (Spannweiten des Portals bis etwa 5000 mm). Bei Portalmaschinen fahren die beiden F├╝hrungsachsen in einem sogenannten Gantry-Verbund, und sind somit ├╝ber 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├╝hrt wird. Diese Bauform ist in der Herstellung g├╝nstiger und hat einen Vorteil aufgrund der besonders guten Zug├Ąnglichkeit von drei Seiten zum Schneidbereich. Sie war aber lange Zeit technisch der Portalbauweise unterlegen und f├╝r das Pr├Ązisionsschneiden weniger geeignet, weil die Tragarmbauweise grunds├Ątzlich 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├Ąufigsten anzutreffende Variante ist ein Wasserbecken, das als ÔÇ×Strahlf├Ąnger“ fungiert. Das Wasserbecken sollte ├╝ber eine ausreichende Wassers├Ąule von ├╝ber 600 mm verf├╝gen, damit die Restenergie des Wasserstrahls in W├Ąrme umgewandelt werden kann. Das Wasserbecken sollte ohne mechanische Verbindung zur F├╝hrungsmaschine aufgebaut sein, da sich selbst gr├Â├čere Wasserbecken nach einigen Stunden Schneidzeit im zweistelligen Gradbereich erw├Ąrmen k├Ânnen. Wenn nun F├╝hrungsmaschine und Wasserbecken eine Einheit sind, f├╝hrt eine solche Erw├Ąrmung zu Ver├Ąnderungen in der Maschinengeometrie. Die Folge sind Geradheitsfehler, Materialausdehnung und somit Ungenauigkeiten bei der Teileherstellung.   Abweichungen im Bereich mehrerer Zehntelmillimeter sind nicht un├╝blich. Die Erw├Ąrmung hat allerdings Einfluss auf das Verhalten des Werkst├╝ckes und muss gegebenenfalls bei h├Âheren Genauigkeitsanforderungen zeitnah mit eingerechnet werden (Online-CNC-Korrektur).

Neben der Verwendung feststehender Wasserbecken gibt es auch noch eine weitere Variante, n├Ąmlich den sogenannten ÔÇ×Catcher“. Ein Catcher bezeichnet beim Wasserstrahlschneiden ein fahrbares schmales Wasserfangbecken, das sich synchron zur Bewegung der Schneidachse bewegt. Diese Catcher sind oftmals mit Keramikkugeln gef├╝llt, die die Restenergie umwandeln sollen. Gr├Â├čter Nachteil dieser Catcher sind extreme Luftschallemission von der nicht wasserbedeckten Oberseite, sowie hoher Spritzwasseranteil. Infolge wesentlich geringerer Wassermengen im Umlauf ist die Erw├Ąrmung im Catcherbetrieb weitaus schneller, jedoch vom Werkst├╝ck entkoppelt.

Hochdruckpumpe
Die Hochdruckpumpe dient zur Erzeugung eines m├Âglichst pulsationsfreien Hochdruckwasserstrahles. Einfachste Ausf├╝hrungen werden mit Druckluft betrieben, die ├╝ber einen Druck├╝bersetzer den Hochdruck liefern. Aufgrund des schlechten Wirkungsgrades kommt dies aber nur f├╝r 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 ├Âlhydraulisch einen Vordruck von bis etwa 200 bar. Der Druck ist bei besseren Pumpen ├╝ber ein Proportionalventil beliebig abregelbar. Das komprimierte ├ľl wird in den Hydraulikzylinder des Hochdruck├╝bersetzers gepumpt. Hier wirkt das ├ľl auf eine Kolbenstange mit einem ├ťbersetzungsverh├Ąltnis von etwa 20:1 – 40:1 (Hydraulikfl├Ąche zur Wasserfl├Ąche). Somit lassen sich Dr├╝cke bis in den Bereich von etwa 6500 bar erzeugen. Das Hochdruckwasser, das den Hochdruckzylinder verl├Ąsst, gelangt in einen sogenannten Pulsationsd├Ąmpfer. Hierbei handelt es sich um einen Gashochdruckspeicher, einen ÔÇ×Pufferzylinder“ (meist mit einem oder zwei Liter Volumen), der die Druckschwankungen bei Umkehrung des Hydraulikkolbens d├Ąmpfen soll. Je gr├Â├čer die Pufferflasche, desto besser die Schneidleistung und -qualit├Ąt. HD-Pumpen k├Ânnen ├╝ber mehrere Hochdruck├╝bersetzer und Pufferflaschen verf├╝gen. Die Leistung heutiger Anlagen liegt zwischen etwa 11–149 kW. Die F├Ârdermenge 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 ├╝ber die Hydraulik verzichtet werden. Bei diesen Wasserstrahl-Schneidpumpenaggregaten wird die Hochdruckpumpe direkt angetrieben, so dass ein Wirkungsgrad von ├╝ber 90 % erreicht wird. Aufgrund der Triplex-Charakteristik ist die Pulsation so gering, dass zus├Ątzlich auf einen Pulsationd├Ąmpfer verzichtet werden kann. Im Leistungsbereich k├Ânnen 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├Ąnden manuell. Die kontinuierliche Entsorgung besteht entweder aus einem Kratzf├Ârderer, 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├╝hrt.

Steuerung
Wasserstrahlschneidanlagen werden durchg├Ąngig mit CNC-Steuerungen ausger├╝stet. Neben einfachsten Ausf├╝hrungen, die nur eine Plottersteuerung zulassen, verf├╝gen h├Âherwertige Maschinen ├╝ber Steuerungen, die sowohl alle Achsen interpolieren als auch eine adaptive Vorschubgeschwindigkeitsreduktion abh├Ąngig vom Schneidprozess durchf├╝hren k├Ânnen. 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├╝r CNC-unkundige Bediener bieten.

Quelle: Wikipedia

 

 

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