Wasserstrahlschneiden von Kohlenstofffasern:Vorteile, Nachteile und Best Practices

Was ist ein Wasserstrahl?

Ein Wasserstrahl verwendet eine Pumpe, um einen Wasserstrahl mit hohem Druck (bis zu 90.000 psi) zu erzeugen, der alles durchschneiden kann, von Schaumstoff bis hin zu 8-Zoll-Stahlplatten. Beim Durchtrennen von Metall oder Kohlenstofffasern wird ein abrasives Material wie Granat verwendet, um den Schneidvorgang zu unterstützen. (Weitere Informationen zur Funktionsweise von Wasserstrahlen finden Sie unter den Links „Quelle“ am Ende des Beitrags.)

Schauen wir uns nun an, warum ein Wasserstrahl ein so gutes Werkzeug zum Schneiden von Kohlenstofffasern ist.

Teildicke

Ein großer Vorteil des Wasserstrahls besteht darin, dass er relativ einfach sehr dicke Carbonplatten schneiden kann. Mit einer Oberfräse erfordern dicke Teile mehr Durchgänge, was Zeit kostet und zu einem stärkeren Verschleiß des Bohrers führt. Sie müssen sich auch darum kümmern, Späne und Staub aus tiefen Schlitzen zu entfernen. Darüber hinaus können Sie mit der richtigen Abstimmung problemlos kleine Merkmale ausschneiden, die aufgrund der Tiefe auf einer Oberfräse nicht möglich wären.

Geschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit mit einem Wasserstrahl ist, insbesondere bei kleinen Merkmalen, viel höher als bei der Verwendung einer Oberfräse. Bei einer Oberfräse hängen Schnitttiefe und Vorschubgeschwindigkeit von der Größe Ihres Fräsers und der Teiledicke ab. Kleinere Teile und dickere Teile erfordern mehrere Durchgänge, wohingegen ein Wasserstrahl das gleiche Teil in einem Durchgang und normalerweise mit einer schnelleren Vorschubgeschwindigkeit schneiden kann.

Staubprävention

Ein weiterer großer Vorteil der Verwendung eines Wasserstrahls ist die Staubeindämmung. Eines der Hauptprobleme bei der Arbeit mit Kohlefaser ist Staub. Kohlefaserstaub kann in das Innenleben Ihrer Maschinen gelangen und dazu führen, dass Teile schneller schleifen oder verschleißen, als dies normalerweise der Fall wäre. Es ist außerdem reizend, wenn es eingeatmet wird, und kann Juckreiz verursachen, wenn es auf die Haut gelangt. Mit einem Wasserstrahl wird der gesamte Kohlenstoffstaub in den Wassertank gestrahlt, wo er einfacher zu handhaben und ordnungsgemäß zu entsorgen ist. Es sind keine teuren Staubabsaugsysteme erforderlich.

Enge Schnittmuster

Der Strahldurchmesser eines Wasserstrahls kann auf etwa 0,025 Zoll eingestellt werden, wodurch Designs mit sehr kleinen Löchern oder inneren Merkmalen geschnitten werden können. Dieser Werkzeugdurchmesser kann auch zum Schneiden von Feen in der Nähe einer inneren quadratischen Geometrie verwendet werden.

 

Nachteile

Während die Verwendung eines Wasserstrahls zum Schneiden von Kohlenstofffasern viele Vorteile bietet, gibt es auch einige Nachteile. In den nächsten Abschnitten werden wir uns mit diesen Bereichen befassen.

Kantenfinish

Da ein Wasserstrahl die starken Kohlenstofffasern mit einem Schleifmittel durchschneidet, kann die Kante eine leicht raue Oberfläche aufweisen. Dies lässt sich über die Maschenweite des Granats (je feiner das Schleifmittel, desto feiner das Finish) und über die Vorschubgeschwindigkeit steuern. Während diese Oberfläche für einige Teile akzeptabel ist, müssen andere Teile geschliffen werden, um eine glattere Oberfläche zu erhalten. Der Zeitaufwand für das Reinigen der Kante kann den Vorteil, der durch das Schneiden der Teile mit dem Wasserstrahl erzielt wird, teilweise zunichtemachen. Bei der Bearbeitung großer Stückzahlen ist ein Gleichgewicht zwischen Schnittgeschwindigkeit und Teilekomplexität zu berücksichtigen.

Rückschlag

Ein weiterer Problembereich beim Schneiden von Kohlefaser ist der Rückschlag, der beim Überfahren einer der Lamellen entsteht. Der Wasserstrahltank besteht aus Metalllamellen, die sich über die gesamte Breite des Tanks erstrecken und eine Oberfläche zur Unterstützung Ihres Arbeitsmaterials bieten. Wenn der Hochdruckstrahl über die Stahllamelle streicht, kann der Wasser- und Strahlmittelstrahl nach oben abgelenkt werden, wodurch im Wesentlichen die Rückseite eines Teils sandgestrahlt wird. Normalerweise fällt dies bei einem Metallteil nicht auf, bei einem Carbonteil könnte es jedoch einen Teil der Oberfläche beschädigen.

Glücklicherweise gibt es Lösungen, um dieses Problem zu lösen. Bei Elevated Materials schneiden wir unsere Teile auf einem Rhino-Brett. Das Rhino-Board besteht aus HDPE-„Strohhalmen“, die den Strahl durchlassen, ohne zurück zum Carbon zu blasen. Dank der geringen Zellengröße können wir kleine und komplizierte Teile schneiden, ohne befürchten zu müssen, dass sie in den Tank fallen.

Für großvolumige Projekte mit relativ großem Umfang entwickeln wir Vorrichtungen, die aus dem Boden des Tanks herausragen und sicherstellen, dass der Strahl nur über Wasser schneidet. Anschließend werden die Teile mit Saugnäpfen fixiert. Mit diesen Vorrichtungen haben wir über 1000 gleiche Teile geschnitten und mussten keine größeren Komponenten austauschen.

Delamination

Eine weitere Herausforderung beim Schneiden von Kohlenstofffasern mit einem Wasserstrahl ist das Einstechen von Löchern. Der Hochdruckwasserstrahl kann das Harz zwischen den Kohlefaserschichten wegfressen und zu einer Ablösung oder Delaminierung führen, wodurch das Teil geschwächt wird.

Viele Hersteller bohren Löcher auf einer anderen Maschine vor und bringen das Teil dann zum Schneiden auf den Wasserstrahl. Der Nachteil dieser Methode besteht natürlich darin, dass die Gefahr besteht, dass Ihr Wasserstrahl-Schnittpfad nicht mit den von Ihnen vorgebohrten Löchern übereinstimmt.

Bei Elevated Materials haben wir viel Zeit und Ressourcen in die Perfektionierung unserer Methode zum Durchstechen von Kohlefasern investiert, um eine Delaminierung zu verhindern. Bei dieser Technik geht es vor allem darum, den Druck des Strahls auf etwa 10 KSI (10.000 psi) zu senken und sicherzustellen, dass Granat vor dem Hochdruckwasser aus der Düse austritt. Wir verwenden ein Vakuumunterstützungsventil, das den Granat durch die Düse zieht, bevor der Strahl eingeschaltet wird, um sicherzustellen, dass der Granat vor dem Wasser auf das Teil trifft. Wenn Hochdruckwasser von selbst auf das Teil trifft, kommt es zur Delaminierung Ihres Teils.

Wir haben Teile mit einer Dicke von mehr als einem Zoll durchbohrt und geschnitten, ohne dass es zu Delaminierungen kam.

Konische Kanten

Ein weiteres Problem, das beim Wasserstrahlschneiden gelöst werden muss, sind konische Kanten. Da es sich bei einem Wasserstrahl um einen Hochdruckstrahl handelt, der durch eine Düse strömt, dehnt er sich aus, je weiter er sich von der Düse entfernt. Je nachdem, wie weit Ihr Teil von der Düsenspitze entfernt ist, wird die Ausdehnung Ihres Strahls bestimmt, wenn er das zu schneidende Teil erreicht. Je weiter das Teil entfernt ist, desto mehr kann sich Ihr Jet ausdehnen. Ein erweiterter Strahl hinterlässt ein sandgestrahltes Aussehen und einen Schnitt mit geringerer Qualität und langsamerer Geschwindigkeit.

Die Kantenverjüngung kann durch Beschleunigen oder Verlangsamen Ihres Verbundes angepasst werden. Es kann auch über ein Neigungs- oder ein dynamisches Kopfsteuerungssystem gesteuert werden. Das Bild unten zeigt einige mögliche Konusprobleme, die auftreten können, wenn Sie nicht den richtigen Druck oder die richtige Vorschubgeschwindigkeit haben.

Kosten

Interessanterweise sind die Kosten beim Fräsen und beim Wasserstrahlschneiden ähnlich. Einerseits müssen Sie ständig Teile austauschen und müssen sich um die Staubabsaugung bei der Führung von abrasivem Material und Verbrauchsmaterialien wie Vorrichtungen, Düsen und Öffnungen an einem Wasserstrahl kümmern. Wenn Sie den Kauf eines Frästisches oder einer Wasserstrahlmaschine in Betracht ziehen, wird die Wasserstrahlmaschine teurer sein. Gebrauchte Exemplare können im unteren Preissegment zwischen 25.000 und 60.000 US-Dollar kosten, für ein neues Modell sind es bis zu 200.000 US-Dollar und mehr. Kürzlich wurden neue Desktop-Wasserstrahlgeräte für unter 5.000 US-Dollar eingeführt. https://www.wazer.com/. Router hingegen gibt es schon viel länger in der Herstellergemeinschaft und können für ein Desktop-Modell bereits ab 1.500 US-Dollar angeboten werden. Für eine steifere und industriellere Maschine, die in der Lage ist, in mehreren Achsen zu schneiden, beginnen Bearbeitungszentren bei etwa 40.000 US-Dollar und können für eine 5-Achsen-Maschine weit über 100.000 US-Dollar kosten.

Quellen:
Wasserstrahl-Grundlagen:https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
Rhino Board:http://www.rhinoboardwj.com/
Konische Kanten von Omax: https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper