Fertigungsprozesse

Wasserstrahlverfahren

Prof. Dr.-Ing. Udo BehmerVerbundstudium TBW / FH SWF

Wasserstrahlverfahren

Entwicklung der Wasserstrahltechnik

Verfahrensgrundlagen

Komponenten und Anlagen für die

Wasserstrahltechnik

Technologie des Wasserstrahlschneidens

Anwendung der Wasserstrahlverfahren

Entwicklung der Wasserstrahltechnik

erosive Wirkung des Wassers in der Natur bekannt

bereits in den ersten Jahren des letzten Jahrhunderts Nutzung der Spülwirkung des Wassers

in den 20er Jahren Einsatz von Wasser unter hohem Druck (ca. 100 bar) zum Putzen von Gussstücken sowie im Bergbau zum herauslösen der Kohle in steiler Lage

Mitte des letzten Jahrhunderts waren die wichtigsten Einsatzgebiete das Entzundern in Walzwerken sowie Reinigungsmaßnahmen vor allem in der chemischen Industrie

technische Weiterentwicklungen im Pumpenbau machen erweiterte Einsatzbereiche möglich

in den 70er Jahren erweiterter Einsatz durch abrasive Zusatzstoffe zum Reinigen und Trennen

1968 in den USA erstes Konzept für ein Hochdruck-Wasserstrahl-Schneidsystem patentiert (Druck bis 70 MPa vorgesehen)

heute Einsatz von Hochdruckwasserstrahlen bis 4000 bar (400 MPa)

Anwendungsbereiche der Wasserstrahltechnik

Lohnfertigung: Schneiden von Konturen mit reinem Wasserstrahl oder Wasser-Abrasivstrahl in jedem Material und beliebiger Form in 2D oder 3D

Metallindustrie: Bearbeitung von Stahl, Edelstahl, Aluminium und Buntmetallen

Luft- und Raumfahrtindustrie: Bearbeitung von Verbundwerkstoffen (Kevlar, GFK/CFK etc.), Aluminiumlegierungen, Edelstahl und Titan

Automobilindustrie: Türverkleidungen, Armaturenbretter, Stoßstangen und Autohimmel

Dichtungsindustrie: Schneiden aller Arten von Dichtungsmaterialien

Stein- und Keramikindustrie: Einlegearbeiten, Treppen, Bordüren, Waschtische aus Marmor, Granit, Keramik und andere Materialien

Papier-, Vliesstoff- und Verpackungsindustrie: Kanten-, Quer- und Längsschneiden von beschichtetem Papier, Wellpappe, Vliesstoffe

Lebensmittelindustrie: Schneiden, Teilen und Portionieren von Lebensmitteln

Reinigungsstrahlen in den unterschiedlichsten Bereichen

Quelle: Flow Europe GmbH

Anwendungsbeispiele Wasserstrahlschneiden

Quelle: Dürr

Wirkung des Wasserstrahls

Reinigen

Wasserdruck

Aufrauhen Abtragen Schneiden

Komponenten einer Wasserstrahl-Schneidanlage

Quelle: Hauss

Plungerpumpe

Quelle: Dürr

Wasser

Motor

Hochdruck

Niederdruck

für relativ niedrigen Pumpendruck aber hohe

Fördermengen, z.B. bei Reinigungsaufgaben

Hochdruckpumpe - Druckübersetzerprinzip

Quelle: Hauss

200 bar

4000 bar

Schneidköpfe zum Wasserstrahlschneiden

reiner Wasserstrahl-Schneidkopf

Quelle: Trumpf

Wasserzufuhr

Druckerzeugung

Wasserdüse

Abrasivdüse

Mischkammer

Abrasiv-mittel-vorrat

Abrasiv-Wasser-strahl-Schneidkopf

Abrasivmittelmenge

ca. 15-30 kg/h

Abrasiv-Wasserstrahl-Schneidkopf

Quelle: Hauss

Hochdruck-Wasserdüse

Quelle: König

Düsenstein

Dichtfläche

Dichtfläche

Düse

Wasser

Elastomerdichtung

- Wasserstrahldurchmesser ca. 0,08 – 1,2 mm- Material der Düse überwiegend Saphir- Wasseraustrittsgeschwindigkeit ca. 900 m/s- Abrasivdüsendurchmesser ca. 0,8 – 1,2 mm- Abrasivdüsenlänge ca. 40 – 80 mm (Hartmetall)- Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstück ca. 1 – 2 mm

Quelle: Trumpf

Einstechen beim Wasserstrahlschneiden

stehenderSchneidkopf

kreisenderSchneidkopf

hin und her bewegterSchneidkopf

Verringerung des Staudrucks- Verringerung der Reflexion des Wasserstrahls (u.U. Düsenbeschädigung)- Verringerung der Gefahr der Schichtablösung / Delamination

Quelle: Hauss

Einstechen beimWasserstrahlschneiden

mit mechanischem Bohrkopf

Quelle: Hauss

Schneidrichtung

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Wasser-Abrasivstrahl-schneidprozess

charakteristisches Riefenmuster

- Glattschnittzone

- Restfläche

Schnittfläche beim Wasserstrahlschneiden

Schnittspalt beim Wasser-Abrasivstrahlschneiden

Quelle: Trumpf

hohe Schnittgeschwindigkeit

niedrige Schnittgeschwindigkeit

zu niedrige Schnittgeschwindigkeit

Quelle: Trumpf GmbH

Schnittflächenqualität beimWasser-Abrasivstrahlschneiden

Trennschnitt:möglichst schnell, Qualität vonuntergeordneter Bedeutung

Schneidrichtung

Qualitätsschnitt:gute Qualität, wirtschaftlicherAbrasivmittel- und Wasserverbrauch

Feinschnitt:höchste Qualität, hoher Abrasiv-mittel und Wasserverbrauch

Quelle: Hauss

Schnittflächenqualität beimWasser-Abrasivstrahlschneiden

Vorschubgeschwindigkeiten beimWasser-Abrasivstrahlschneiden

Quelle: König

Nase Kerbe Auswaschung

Zu hoheGeschwindigkeitan der Ecke

Zu hoheBeschleunigungan der Ecke

Zu niedrigeGeschwindigkeitan der Ecke

Eckenfehler beim Wasserstrahlschneiden

Vor- und Nachteile des Wasserstrahlschneidens

Vorteile des Wasserstrahlschneidens: fast alle Materialien schneidbar (Metalle bis 100 mm und Weichstoffe bis

300 mm Materialdicke geringe mechanische Belastung des Werkstoffes keine thermische Werkstoffschädigung bzw. –beeinflussung schmale Schnittfuge geringer Werkzeugverschleiß (Anlagenkomponenten) hohe Präzision mit einer Toleranz von 0,1 mm keine Nachbearbeitung der Schnittkanten hohe Flexibilität und Teilevielfalt in der Geometrie Schneiden in alle Richtungen Bearbeiten von Material auch in explosionsgefährdeten Bereichen keine Freisetzung gesundheitsschädigender Stoffe wie Rauch oder Gas

Nachteile des Wasserstrahlschneidens: evtl. Korrosionsgefahr rel. Geringe Schneidgeschwindigkeiten rel. starke Geräuschbildung (ca. 90 dB)

Anwendungsgebiete des Hochdruckwasserstrahl

Quelle: Fritz, König

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Einsatzgebiete des Wasserstrahlschneidens

reines Wasserstrahlschneiden: Textilien, Leder Schaumstoff Zellstoff Wellpappe und Pappe Faserverbundwerkstoffe Lebensmittel

Wasser-Abrasivstrahlschneiden: Gestein, technische Keramiken alle Metalle, u.a. auch hochfeste und schwerzerspanbare Legierungen

(Titan, Nickelbasislegierungen) Glas (einzige Ausnahme gehärtetes Glas) Kunststoffe Verbundwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe und Laminate Sandwich Materialien organische Materialien

Quelle: Flow Europe GmbH

Helmvisier

Faserverbundplatte

Wasserstrahlschneiden von Faserverbundwerkstoffe

Wasserstrahlschneiden in der Metallbearbeitungund Dichtungsindustrie

Quelle: Hauss

wasserstrahlgeschnittenes Titanbauteilaus der Luft- und Raumfahrttechnik

wasserstrahlgeschnittene Dichtung

wasserstrahlgeschnittene Aluminiumplattemit hitzeempfindlicher Lötschicht undKunststoff-Schutzfolie

Pizza

Schokoriegel

Wasserstrahlschneiden im Lebensmittelbereich

Wasserstrahlschneiden in der Zellstoffindustrie

mit Wasserstrahlgeschnittene Wellpappe

herkömmlich (mechanisch)geschnittene Wellpappe

Wasserstrahlschneiden von Glas und Stein bzw. Keramik

wasserabrasivgeschnittener Glasblock

Einlegearbeitin Keramik

Reinigung mit Hochdruck-Wasserstrahl

Reinigung von Schiffskörpern

Reinigung von Produktionsanlagen

Reinigung von Transporthalterungen in der industriellen Lackiertechnik

Reinigung von Druck- und Prägewalzen

Abtragen von Reifenabrieb auf Flughafenbahnen

Betonsanierung

lösungsmittelfreie Entlackung von Flugzeugen

...

Verbrauch und Kostenaufteilung beimWasser-Abrasivstrahlschneiden

Quelle: Hauss

Anhaltswerte für den Verbrauch:• Wasser: 1,5 l/min• Energie: 20-25 kW/h• Abrasivmittel: 250-300 g/min• Schlammentsorgung: 250-300 g/min

Kostenaufteilung:

Filme zur Wasserstrahlbearbeitung

Wasserstrahl-Schneidanlage Fa. Trumpf

Fernsehausschnitt Galileo Pro 7

Wasserstrahltechnik Fa. Flow Europe

Wasserstrahltechnik Fa. Innomax

Fernsehausschnitt Hannover Messe