Wasserstrahlschneiden von Carbonfaser: Vorteile, Nachteile und Best Practices

Was ist ein Wasserstrahlschneider?

Ein Wasserstrahlschneider nutzt eine Pumpe, um einen Hochdruckstrahl (bis zu 90.000 psi / ca. 6.200 bar) zu erzeugen, der durch alles schneiden kann – von Schaum bis zu 8+ Zoll (200+ mm) dicken Stahlplatten. Beim Schneiden von Metall oder Carbonfaser wird ein abrasives Material wie Granat verwendet, um den Schneidprozess zu unterstützen. (Siehe „Source“-Links am Ende für mehr Informationen zur Funktionsweise von Wasserstrahlschneidern.)

Sehen wir uns an, warum ein Wasserstrahlschneider ein so gutes Werkzeug für das Schneiden von Carbonfaser ist.

Teiledicke

Ein riesiger Vorteil des Wasserstrahlschneiders ist, dass er sehr dicke Carbonfaserplatten mit relativer Leichtigkeit schneiden kann. Mit einem Fräser erfordern dicke Teile mehr Durchgänge, was Zeit kostet und den Fräser stärker verschleißt. Man muss auch Späne und Staub aus tiefen Nuten entfernen. Zudem lassen sich mit der richtigen Einstellung kleine Features leicht schneiden, die auf einem Fräser aufgrund der Tiefe unmöglich wären.

Geschwindigkeit

Die Schneidgeschwindigkeit auf einem Wasserstrahlschneider – besonders bei kleinen Features – ist viel höher als bei einem Fräser. Beim Fräser hängen Schnitttiefe und Vorschub von der Fräsergröße und Teiledicke ab. Kleinere Fräser und dickere Teile erfordern mehrere Durchgänge, während ein Wasserstrahl dasselbe Teil in einem Durchgang und meist mit höherem Vorschub schneiden kann.

Staubvermeidung

Ein weiterer großer Vorteil des Wasserstrahlschneidens ist die Staubeindämmung. Ein Hauptanliegen bei der Arbeit mit Carbonfaser ist Staub. Carbonfaserstaub kann in die inneren Mechanismen Ihrer Maschinen gelangen und Teile schneller verschleißen lassen. Er ist auch ein Reizstoff bei Einatmen oder kann Juckreiz verursachen, wenn er auf die Haut gelangt. Beim Wasserstrahlschneiden wird der gesamte Carbonstaub in den Wassertank geblasen, wo er einfacher für die ordnungsgemäße Entsorgung zu handhaben ist. Keine teuren Staubabsaugsysteme erforderlich.

Enge Schnittmuster

Der Strahldurchmesser eines Wasserstrahlschneiders kann auf ca. 0,025 Zoll (0,635 mm) eingestellt werden – das ermöglicht Designs mit sehr kleinen Bohrungen oder internen Features. Dieser Werkzeugdurchmesser kann auch genutzt werden, um ziemlich nahe an interne quadratische Geometrien zu schneiden.

Nachteile

Obwohl das Wasserstrahlschneiden von Carbonfaser viele Vorteile bietet, gibt es auch Nachteile. Die nächsten Abschnitte gehen darauf ein.

Kantenqualität

Da ein Wasserstrahlschneider ein Abrasivmittel zum Durchtrennen der starken Carbonfasern nutzt, kann die Kante eine leicht raue Oberfläche aufweisen. Dies kann durch die Granat-Maschengröße (feineres Abrasivmittel = feinerer Finish) und den Vorschub kontrolliert werden. Während dieser Finish für manche Teile akzeptabel ist, müssen andere nachgeschliffen werden, um einen glatteren Finish zu erhalten. Die Zeit für die Kantenbearbeitung kann einen Teil des beim Schneiden gewonnenen Vorteils aufzehren. Bei großen Stückzahlen muss ein Gleichgewicht zwischen Schneidgeschwindigkeit und Teilekomplexität gefunden werden.

Blowback (Rückstrahl)

Ein weiteres Problem beim Schneiden von Carbonfaser ist der Blowback, der entsteht, wenn der Strahl über eine der Lamellen (Slats) im Wassertank führt. Der Wasserstrahltank nutzt Metalllamellen, die die Tankbreite überspannen und das Werkstück tragen. Wenn der Hochdruckstrahl über die Stahl-Lamelle führt, kann der Wasser- und Abrasivstrahl nach oben abgelenkt werden – was im Wesentlichen die Rückseite des Teils sandstrahlt. Bei einem Metallteil wäre das typischerweise nicht bemerkbar, aber es könnte die Oberfläche eines Carbon-Teils ruinieren.

Glücklicherweise gibt es Lösungen für dieses Problem. Bei Elevated Materials schneiden wir unsere Teile auf einem Rhino Board. Das Rhino Board besteht aus HDPE-„Strohhalmen“, die den Strahl durchlassen, ohne zurück zum Carbon zu strahlen. Die kleine Zellengröße erlaubt das Schneiden kleiner, komplexer Teile, ohne dass diese in den Tank fallen.

Für Hochvolumen-Projekte relativ großer Teile erstellen wir Fixierungen, die aus dem Tankboden ragen und sicherstellen, dass der Strahl nur über Wasser schneidet. Die Teile werden mit Saugnäpfen fixiert. Mit diesen Fixierungen haben wir über 1.000 identische Teile geschnitten, ohne größere Komponenten austauschen zu müssen.

Delamination

Eine weitere Herausforderung beim Wasserstrahlschneiden von Carbonfaser ist das Anbohren von Löchern. Der Hochdruck-Wasserstrahl kann das Harz zwischen den Carbonfaserschichten angreifen und Ablösung (Delamination) verursachen, was das Teil schwächt.

Viele Hersteller bohren Löcher vorab auf einer anderen Maschine und bringen das Teil dann zum Wasserstrahlschneiden. Der Nachteil dieser Methode ist natürlich das Risiko, den Wasserstrahl-Schnittpfad mit den vorgebohrten Löchern zu verschieben.

Bei Elevated Materials haben wir viel Zeit und Ressourcen investiert, um unsere Methode zum Anbohren von Carbonfaser zu perfektionieren, um Delamination zu verhindern. Die Technik basiert darauf, den Strahldruck auf ca. 10 KSI (10.000 psi / ~690 bar) zu senken und sicherzustellen, dass Granat aus der Düse austritt, bevor das Hochdruckwasser trifft. Wir nutzen ein Vakuum-Assist-Ventil, das das Granat vor dem Einschalten des Strahls durch die Düse zieht – so trifft das Granat das Teil vor dem Wasser. Trifft Hochdruckwasser allein auf das Teil, delaminiert es.

Wir haben Löcher in Teilen über 1 Zoll (25 mm) Dicke ohne Delamination angebohrt und geschnitten.

Konische Kanten (Tapered Edges)

Ein weiteres Thema, das beim Wasserstrahlschneiden bearbeitet werden muss, sind konische Kanten. Da ein Wasserstrahl ein Hochdruckstrahl ist, der durch eine Düse strömt, expandiert er, je weiter er von der Düse entfernt ist. Je weiter das Teil von der Düsenspitze entfernt ist, desto mehr kann sich der Strahl ausdehnen. Ein expandierter Strahl hinterlässt ein sandgestrahltes Aussehen und einen qualitativ niedrigeren, langsameren Schnitt.

Kantenkonizität kann durch Erhöhen oder Verringern des Vorschubs angepasst werden. Sie kann auch durch ein Schwenk- oder dynamisches Kopf-Kontrollsystem gesteuert werden. Das untenstehende Bild zeigt mögliche Konizitätsprobleme, die auftreten können, wenn nicht der korrekte Druck oder Vorschub verwendet wird.

Kosten

Interessanterweise sind die Kosten zwischen Fräsen und Wasserstrahlschneiden ähnlich. Auf der einen Seite hat man Fräser, die kontinuierlich ersetzt werden müssen, und Staubabsaugung; auf der anderen Seite Abrasivmittel und Verbrauchsmaterialien wie Fixierungen, Düsen und Düsenöffnungen beim Wasserstrahl. Betrachtet man die Anschaffung: Wasserstrahlschneider sind teurer. Gebrauchte Geräte kosten 25.000–60.000 $ (Low-End) bis 200.000 $+ für Neugeräte. Neue Desktop-Wasserstrahlschneider gibt es kürzlich für unter 5.000 $ (https://www.wazer.com/). Fräsen gibt es in der Maker-Community länger und starten bei ~1.500 $ für Desktop-Modelle. Für rigidere Industriemaschinen mit Mehrachsfähigkeit starten Bearbeitungszentren bei ~40.000 $ und gehen für 5-Achs-Maschinen weit über 100.000 $.

Quellen:
Waterjet Basics: https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
Rhino Board: https://www.rhinoboardwj.com/
Omax Tapered Edges: https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper