Wie funktioniert eine Wasserstrahlschneidanlage?

Bild von Stephanie Albert auf Pixabay

CNC-Wasserstrahlschneidanlagen sind beim zweidimensionalen Schneiden von Flachblechen sehr beliebt geworden, selbst bei Grobblechanwendungen wie sie bei Anlagenherstellern und Verarbeitern zum Einsatz kommen. Mit Hilfe einer Wasserstrahlschneidanlage sind die Geradheit des Schnittes und das Fehlen einer Wärmeeinflusszone möglich. Um zu verstehen, warum es diese Vorteile bietet, werfen wir einen kurzen Blick auf die Funktionsweise des Wasserstrahlschneidens.

Das Wasserstrahlschneiden ist ein nicht-thermischer Prozess

Im Gegensatz zu einem thermischen Schneidprozess, wie Plasma, Autogen oder Laser, ist der Wasserstrahlprozess ein mechanischer Sägeprozess. Man kann es sich fast wie eine Bandsäge vorstellen, die ein dünnes Band aus Metall mit scharfen Zähnen ist, die durch das Material gezogen werden, das man schneidet. Ebenso verwendet der Wasserstrahlschneidprozess einen dünnen Wasserstrahl mit scharfen Gesteinsstücken, die durch das Material geschoben werden.
Die Gesteinsbrocken oder Schleifmittel werden in der Regel aus zerkleinertem Granat hergestellt. In einigen Anwendungen werden andere Materialien verwendet, aber Granat ist bei weitem das häufigste für das Schneiden von Metallplatten. Granat wird auch häufig auf Schleifpapier verwendet und ist ein relativ hartes Gestein. Jedes Schleifkorn, das durchläuft, verschleißt ein wenig vom Material.

Die Geschwindigkeit macht es möglich

Aber das Gießen von sandigem Wasser auf eine Metallplatte reicht nicht aus. Was diesen Prozess funktionieren lässt, ist die Geschwindigkeit, mit der das Schleifmittel auf die Platte trifft. Der Impuls eines Objekts entspricht seiner Masse multipliziert mit seiner Geschwindigkeit. Ein Schleifkorn hat eine sehr geringe Masse, sodass es, um eine Wirkung auf eine Stahlplatte zu haben, eine hohe Geschwindigkeit aufweisen muss. Um das Strahlmittel schnell genug zu beschleunigen, um harte Materialien zu durchtrennen, wird das Wasser auf Ultrahochdruck gesetzt und dann durch eine sehr kleine Öffnung freigegeben. Wer mit einem Gartenschlauch hantiert hat, weiß, dass, wenn die Düsenöffnung verkleinert wird, das Wasservolumen reduziert wird, aber es kommt mit einer höheren Geschwindigkeit heraus. Das passiert im Wasserstrahlschneidkopf.
Der typische Wasserstrahlschneiddruck liegt zwischen 50.000 und 60.000 PSI. Viele neuere Systeme stehen unter Druck bis zu 90.000 PSI. Das Wasser bei diesem Druck wird dann durch eine kleine Öffnung freigegeben, die in einen Diamanten oder Saphir eingearbeitet ist, normalerweise im Bereich von 5 bis 15 tausendstel Zoll Durchmesser. Der resultierende Wasserstrom ist Überschall, er fließt also schneller als die Schallgeschwindigkeit. Glücklicherweise ist es sehr geringes Volumen, nur etwa zwei Liter pro Minute.

Zusätzliches Schleifmittel

Die Bildung des Wasserstroms durch die Edelsteinöffnung und die Vermischung des Strahlmittels mit dem Strom erfolgt in einem Wasserstrahlschneidkopf. Um das Strahlmittel in das Wasser zu leiten, durchläuft der Strahl eine trichterförmige Kammer, in der das Strahlmittel vom Wasserstrom aufgenommen und beschleunigt wird. Der Wasserstrahl, der nun abrasive Partikel trägt, durchläuft dann ein Fokussierrohr oder eine Düse, wodurch das gesamte Strahlmittel vollständig in den Wasserstrahl eingebunden wird und sich in die gleiche Richtung bewegt.
Sobald das Wasser das Fokussierrohr erreicht, entsteht ein Überschallstrom von Wasser und Strahlmittel, der sich schnell durch praktisch jedes Material bewegt, einschließlich Aluminium, Stahl, Edelstahl, Granit, Fliesen, Laminate und sogar viele Arten von Glas.

Ergebnisse

Da jedes Schleifpartikel nur eine winzige Menge an Material durch Erosion entfernt, wird nur sehr wenig Wärme erzeugt. Auch wird die entstehende Wärme durch den Wasserstrahl schnell abgekühlt, bevor sie Zeit hat, das umgebende Material zu erwärmen. Diese schnell bewegten Schleifpartikel schneiden nicht nur ohne Wärmeeinflusszone, sondern der Impuls des Wasserstrahls hält sie auch lange nach dem Austritt aus dem Fokussierrohr in einer geraden Linie in Bewegung, was zu einer extrem geraden, präzisen Schnittkante bei vielen verschiedenen Materialien führt.

Vorteile einer Wasserstrahlschneidanlage

Das Wasserstrahlschneiden bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen Bearbeitungstechnologien:
Geringere Kosten. Wasserstrahlteile werden typischerweise aus Blech oder Plattenmaterial geschnitten und erfordern keine speziellen Klemmen, Vorrichtungen oder Werkzeugwechsel. Dies führt zu einer schnelleren Produktion und niedrigeren Kosten.
Große Auswahl an unterstützten Materialien. Das Wasserstrahlschneiden kann auf den meisten Metallen, vielen Kunststoffen, Holz und Stein angewendet werden. Mit ihm können viele Materialien geschnitten werden, die mit anderen Verfahren, wie beispielsweise wärmebehandeltem legiertem Stahl, nur schwer zu bearbeiten sind.
Keine Wärmeeinflusszone. Bearbeitungsverfahren wie Laserschneiden und Erodieren erwärmen das Material und die Teile müssen nach der Bearbeitung erneut wärmebehandelt werden. Wasserstrahlgeschnittene Teile behalten beim Schneiden ihre Form. Auch dies ist ein Kostenvorteil gegenüber anderen Verfahren, die eine Nachbearbeitung erforderlich machen.