Abrasives Wasserstrahlschneiden: Prinzipien, Anwendungen und Branchenauswirkungen

Wasserstrahlschneiden ist eine Spezialtechnologie, die in einer Vielzahl von Branchen vom Bergbau bis zur Lebensmittelverarbeitung seit etwa 1850 eingesetzt wird. In den 1960er und 1970er Jahren wurden große Fortschritte nicht nur in Technologie und Design, sondern auch in den Fertigungsmethoden dieser Hochdruckpumpen gemacht. Bis 1990 wurde ein Hochdruckwasserstrahl mit einem Schleifmaterial gemischt und eine neue Revolution im Formschneiden geboren: das abrasive Wasserstrahlschneiden. Diese Entdeckung, Schleifmittel (Granat) zum Hochdruckstrahl hinzuzufügen, verwandelte diesen Strahl in ein präzises Schleifwerkzeug, das durch JEDES Material schneiden kann, mit dem es in Kontakt kommt. Im nächsten Jahrzehnt wurde der Prozess zu einer Präzisionsschneidtechnologie verfeinert – nicht nur für Blech, sondern buchstäblich für jedes Material. Wasserstrahl kann viele Materialien verarbeiten wie Stahl, Aluminium, Kunststoffe, Holz, Teppich, Schaum, Fliesen, Stein und buchstäblich alles, was Sie anfassen können.

Einschränkungen des Wasserstrahlschneidens

Obwohl es viele Vorteile gibt, gibt es ein paar Regeln und Materialbedingungen, die ebenfalls beachtet werden sollten. Erstens muss ein Wasserstrahl das Material KOMPLETT durchdringen, da allgemein gesprochen Ätzen und abrasives Bearbeiten auf eine kontrollierte Tiefe mit keiner Genauigkeit möglich ist. Unterbrochene Schnitte, wie Hohlräume zwischen Wänden und Rohren, sind im Allgemeinen keine geeigneten Anwendungen für Wasserstrahlen, weil der Strahl nicht mehr kontrolliert ist, wenn er aus der ersten Wand in den Raum zwischen den Wänden austritt – was ein breites „Schrotflinten“-Muster an der gegenüberliegenden Wand erzeugt.

Laminate sind ein problematisches Material für Wasserstrahlen, aber nur beim Einstechen. Das liegt daran, dass der Strahl beim Schnitzen/Mahlen durch das Material (in einer Sacklochbohrung) auch versucht, Schichten voneinander zu trennen. Obwohl es einige Niedrigdruckansätze für diese Materialien gibt, sind sie nicht 100 % zuverlässig. Daher ist die beste Methode, ein Starterloch für die Laminatbearbeitung zu bohren. Gehärtetes Glas, spröde Keramik und ähnliche Materialien sind ebenfalls problematisch, weil sie dazu neigen, zu zerspringen, sobald die Spannung durch die Schneidwirkung des Prozesses entlastet wird.

Vorteile von Wasserstrahlschneidmaschinen

Da wir nun abgedeckt haben, was man bei Wasserstrahlen vermeiden sollte, können wir ausdrücken, dass der Rest der Fertigungswelt und der Materialien weit offen und leicht durch den abrasiven Wasserstrahlprozess zu bearbeiten sind. Die einfache Bedienung eines Wasserstrahlschneidsystems macht es sowohl für Einsteiger- als auch für Expertenwerkstätten sehr attraktiv. Typischerweise sind die einzigen Informationen, die für einen Wasserstrahl erforderlich sind, die Formdatei in einem einfachen DXF-Format – dann gibt der Bediener den Typ, die Dicke und die gewünschte Schnittpräzision ein. Aufgrund der Einfachheit und Flexibilität gibt es jetzt viele Unternehmen, die ihre bestehenden Betriebsmethoden durch Wasserstrahlschneidmethoden ersetzen oder ergänzen, da dies eine präzise Schneidmethode ist, die keine gefährlichen Dämpfe oder Abfälle erzeugt und KEIN thermischer Prozess ist. Das bedeutet, dass Teile aus wärmeempfindlichen Materialien wie den meisten Kunststoffen im Bearbeitungsprozess nicht beschädigt oder zerstört werden. Heute ist Wasserstrahltechnologie in der Lage, Schneiddrücke von über 90.000 PSI (90 kpsi) zu erzeugen.

Wasserstrahlen werden durch drei Hauptfaktoren definiert:

1. Tisch/Verfahrweg-Größe oder Kapazität;
2. Schneiddruck; und
3. Schneidleistung (PS).

Ein typisches Wasserstrahlsystem hat einen Tischverfahrweg von 5' x 10' oder 6' x 12' mit einem Betriebsdruck von 60.000 psi (60 kpsi), angetrieben von einer 30 PS elektrisch angetriebenen Hydraulikpumpe, um diesen Druck zu erzeugen. Pumpendruck – und das Wasservolumen, das bei diesem Druck erzeugt wird – kann einen großen Einfluss nicht nur auf die Leistung der Maschine, sondern auch auf die Betriebskosten haben. Eine Pumpe, die mit 40 kpsi arbeitet, mag ein paar Dollar pro Stunde weniger kosten, kann aber buchstäblich doppelt so lange brauchen, um dasselbe Teil in derselben Qualität zu schneiden wie dieselbe Maschine bei 60 kpsi, was die Fertigungskosten verdoppelt. In einem anderen Beispiel produziert eine Pumpe, die 60 kpsi bei 30 PS erzeugt, 0,6 Gallonen pro Minute (GPM) gepresstes Wasser. Derselbe Maschine, die bei demselben Druck (60 kpsi) arbeitet, aber eine 60 PS Pumpe nutzt, produziert 1,2 GPM gepresstes Schneidwasser, was dem Bediener ermöglicht, die Schneidgeschwindigkeiten für dasselbe Teil, auf dieselben Toleranzen, um 40 % zu erhöhen.

Pumpen

Es gibt zwei Hauptpumpentypen, die für den Kauf oder Austausch an einem Wasserstrahlsystem verfügbar sind. Bei weitem waren Intensiviererpumpen aufgrund der höheren Schneidgeschwindigkeiten, des konstanten Betriebsdrucks und der Zuverlässigkeit beliebter. Unten ist eine Beschreibung der für reines Wasser und abrasives Wasserschneiden verfügbaren Pumpentypen:

Direktantrieb

Typischerweise werden drei Kolben von einem Elektro- (oder Benzin-/Diesel-) Motor angetrieben – der eine Kurbelwelle dreht und bis zu 55 kpsi erzeugt. Die Hauptvorteile dieses Pumpentyps sind:

• Geringere Investitionskosten der Pumpe,
• Kein Kühlwasser erforderlich,
• Kein Leistungsverlust durch den Antrieb über ein Ölhydrauliksystem, und
• Das Volumen des erzeugten Hochdruckwassers ist höher als bei einer Intensiviererpumpe.

Die Nachteile dieses Pumpentyps sind, dass der Druck stündlich ab dem Moment, in dem die Pumpe eingeschaltet wird, allmählich abnimmt, da die Dichtungen und internen Pumpenkomponenten verschleißen, was Schneidgeschwindigkeit und -qualität beeinflusst. Diese Pumpe hat auch mehr interne Verschleißkomponenten, was etwas höhere Wartungsausfallzeiten und -kosten erfordert.

Intensivierer

Bei dieser Pumpe erzeugt ein Elektro- (oder Benzin-/Diesel-) Motor einen Hydrauliköldruck von (typischerweise) 3 kpsi oder mehr. Dieser unter Druck stehende Öl wird auf einen Zylinder übertragen, der einen Kolben hin und her treibt. Der Kolben ist mit einem Plunger verbunden, der 20x kleiner ist als der Kolben. Hochdruckdichtungen trennen das Öl in der Kolbenkammer vom Wasser in der Plungerkammer. Die unterschiedlichen Durchmesserverhältnisse zwischen Kolben und Plunger erzeugen den Effekt der Intensivierung, und so erzeugt der 3 kpsi Hydrauliköldruck 60 kpsi Wasserdruck. Die Hauptvorteile dieses Pumpentyps sind, dass der Druck höher und konstanter ist, was erhöhte Schneidgeschwindigkeiten und zuverlässige Schneidoberflächen ermöglicht. Der Nachteil ist, dass diese Pumpe Kühlwasser für das Hydrauliköl benötigt und etwas weniger elektrisch effizient ist.

Beide Arten von Hochdruckpumpen können für reines Wasser oder abrasives Wasserstrahlschneiden eingesetzt werden. Jede abrasive Wasserstrahlmaschine kann als reines Wassermaschine genutzt werden, indem man einfach die Schleifmittelmischung weglässt. Maschinen, die für reines Wasserschneiden ausgelegt sind, können jedoch erhebliche Modifikationen erfordern, um abrasive Bearbeitungsmethoden zu nutzen. Typische Anwendungen für jeweils sind unten aufgeführt:

• Reines Wasser: Verwendet für Anwendungen, die mit Messer oder Schere geschnitten werden können, wie Lebensmittelverarbeitung, Papier, Teppich, Schaum, Glasfaserdämmung, Dichtungen usw.
• Abrasives Strahlschneiden: Metalle, Kunststoffe, Fliesen, Stein, Granite und alle anderen Materialien, die nicht leicht geschnitten werden können.
• Bearbeitete Materialien: Stahl, Aluminium, Edelstähle, Kupfer, Messing, Kunststoffe, Schaum, Dichtungen, Dämmung, Teppich, Glas, Fliesen, Stein, Holz usw.

Beliebte Wasserstrahlhersteller sind Bystronic, Calypso, Esab, Flow, Omax, Jet Edge, Ward Jet, Hydra Jet, Romeo Engineering, Wardjet und KMT. Wenn Sie mehr über Wasserstrahlen oder andere Fertigungsmaschinen erfahren möchten, schauen Sie sich die untenstehende Ressource an oder kontaktieren Sie uns.