Wasserstrahlbearbeitung – Funktionsprinzip, Vor- und Nachteile bei der Anwendung

Wasserstrahlbearbeitung (WJM), auch Wasserstrahlschneiden genannt, ist ein nicht herkömmlicher Bearbeitungsprozess, bei dem ein Wasserstrahl mit hoher Geschwindigkeit verwendet wird, um Materialien von der Oberfläche des Werkstücks zu entfernen. WJM kann verwendet werden, um weichere Materialien wie Kunststoff, Gummi oder Holz zu schneiden. Um härtere Materialien wie Metalle oder Granit zu schneiden, wird dem Wasser ein Schleifmittel beigemischt. Wenn für den Bearbeitungsprozess ein abrasives Material im Wasser verwendet wird, spricht man von Abrasive Water Jet Machining (AWJM).

Arbeitsprinzip

Es basiert auf dem Prinzip der Wassererosion. Wenn ein Wasserstrahl mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche trifft, findet der Materialabtrag statt. Zur Bearbeitung weicherer Materialien wird reiner Wasserstrahl verwendet. Aber um härtere Materialien zu schneiden, werden einige Schleifpartikel mit dem Wasser für die Bearbeitung gemischt und es wird als AWJM (Abrasive Water Jet Machining) bezeichnet

Scheuermittel

Die am häufigsten verwendeten Schleifpartikel in AWJM sind Granat und Aluminiumoxid. Als Schleifmittel werden auch Sand (SiO2) und Glasperlen verwendet. Die Funktion der Schleifpartikel besteht darin, die Schneidfähigkeit des Wasserstrahls zu verbessern.

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Hauptbestandteile der Wasserstrahlbearbeitung

Die verschiedenen Teile der Wasserstrahlbearbeitung sind

1. Hydraulikpumpe

Es dient dazu, das Wasser aus dem Vorratstank während des Bearbeitungsprozesses umzuwälzen. Die Pumpe fördert Wasser mit einem niedrigen Druck von ca. 5 bar zum Druckübersetzer. Es wird auch ein Booster verwendet, der den Anfangsdruck des Wassers auf 11 bar erhöht, bevor es an den Druckverstärker geliefert wird.

2. Hydraulischer Druckverstärker

Es wird verwendet, um den Wasserdruck auf sehr hohen Druck zu erhöhen. Er erhält das Wasser von der Pumpe mit 4 bar und erhöht seinen Druck auf 3000 bis 4000 bar.

3. Akkumulator

Es speichert das unter Hochdruck stehende Wasser temporär. Es liefert dieses Fluid, wenn eine große Menge an Druckenergie benötigt wird. Es eliminiert Druckschwankungsbedingungen im Bearbeitungsprozess.

4. Mischkammer oder -rohr

Es ist eine Vakuumkammer, in der das Mischen von Schleifpartikeln mit Wasser stattfindet.

5. Steuerventil:

Es steuert den Druck und die Richtung des Wasserstrahls.

6. Durchflussregler oder Ventil

Der Durchfluss des Wassers wird mit Hilfe des Durchflussreglers reguliert.

7. Düse

Es ist ein Gerät, das bei der Wasserstrahlbearbeitung zur Umwandlung der Druckenergie von Wasser in kinetische Energie verwendet wird. Hier wandelt die Düse den Druck des Wasserstrahls in einen Hochgeschwindigkeitsstrahl des Wasserstrahls um. Die Spitze der Düse besteht aus Rubin oder Diamant, um sie vor Erosion zu schützen.

8. Ablauf- und Auffangsystem

Nach der Bearbeitung werden die Schmutz- und Bearbeitungspartikel aus dem Wasser mit Hilfe des Abfluss- und Auffangsystems abgeschieden. Es entfernt die Metallpartikel und andere unerwünschte Partikel aus dem Wasser und leitet es zur weiteren Verwendung zurück in das Reservoir.

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Arbeitsweise der Wasserstrahlbearbeitung

1. Das Wasser aus dem Reservoir wird mit Hilfe einer Pumpe zum Druckverstärker gepumpt.
2. Der Druckübersetzer erhöht den Druck des Wassers von 5 bar auf 3000 bis 4000 bar. Dieses Hochdruckwasser aus dem Druckverstärker wird sowohl zur Düse als auch in den Akkumulator geleitet.
3. Der Akkumulator speichert das Hochdruckwasser und liefert es jederzeit, wenn es benötigt wird. Es wird verwendet, um die Schwankungen des Hochdruckbedarfs bei der Bearbeitung von hartem Material zu eliminieren.
4. Das Hochdruckwasser wird dann zur Düse geleitet, wo die Hochdruckenergie des Wassers in kinetische Energie umgewandelt wird. Ein Wasserstrahl mit sehr hoher Geschwindigkeit (1000 m/s) tritt in Form eines schmalen Strahls aus der Düse aus.
5. Scheuermittel wie Granat oder Aluminiumoxid werden in der Düse mit Wasser vermischt. In der Düse befindet sich eine Mischkammer, in der das Strahlmittel mit dem Hochdruckwasser vermischt wird.
6. Dieser Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl entfernt beim Auftreffen auf die Oberfläche des W/P das Material davon.
7. Der Wasserstrahl wird nach der Bearbeitung durch das Ablauf- und Auffangsystem aufgefangen. Hier werden die Trümmer, Metallpartikel aus dem Wasser entfernt und es dem Vorratsbehälter zugeführt.

Die Bearbeitung ist die gleiche wie bei der Wasserstrahlbearbeitung, aber Schleifpartikel werden nicht mit dem Hochgeschwindigkeitsstrahl vermischt. Aus dem Auslass der Düse tritt nur ein reiner Wasserstrahl aus.

Vorteile

• Es hat die Fähigkeit, Materialien zu schneiden, ohne seine ursprüngliche Struktur zu stören. Und das passiert, weil es keine Wärmeeinflusszone (WEZ) gibt.
• Es ist in der Lage, komplexe und komplizierte Schnitte in Materialien zu erzeugen.
• Der Arbeitsbereich bleibt bei diesem Bearbeitungsprozess sauber und staubfrei.
• Es hat niedrige Betriebs- und Wartungskosten, da es keine beweglichen Teile hat.
• Die thermische Schädigung des Werkstücks ist vernachlässigbar, da keine Wärmeentwicklung erfolgt.
• Es ist in der Lage, weichere Materialien (WJM) wie Gummi, Kunststoff oder Holz sowie härtere Materialien (AWJM) wie Granit zu schneiden.
• Es ist umweltfreundlich, da es keine Umweltverschmutzung oder giftige Produkte erzeugt.
• Es hat eine größere Präzision der Bearbeitung. Die Toleranzen in der Größenordnung von ± 0,005 Zoll können problemlos erreicht werden.

Nachteile

• Es wird verwendet, um weichere Materialien zu schneiden. Aber AWJM kann härteres Material mit begrenzter Dicke schneiden.
• Sehr dickes Material kann mit diesem Verfahren nicht bearbeitet werden.
• Die Anschaffungskosten für WJM sind hoch.

Anwendung

• Die Wasserstrahlbearbeitung wird in verschiedenen Branchen wie Bergbau, Automobil und Luft- und Raumfahrt zum Schneiden, Formen und Reiben eingesetzt.
• Die Materialien, die üblicherweise mit Wasserstrahl (WJM oder AWJM) bearbeitet werden, sind Gummi, Textilien, Kunststoffe, Schaumstoffe, Leder, Verbundwerkstoffe, Fliesen, Steinglas, Lebensmittel, Metalle/Papier und vieles mehr.
• WJM wird hauptsächlich verwendet, um weiche und leicht zu bearbeitende Materialien wie dünne Bleche und Folien, Holz, NE-Metalllegierungen, Textilien, Waben, Kunststoffe, Polymere, Leder, gefrorene usw. zu schneiden.
• AWJM wird typischerweise verwendet, um solche Materialien zu bearbeiten, die hart und schwierig zu bearbeiten sind. Es wird verwendet, um dicke Platten aus Stahl, Al und anderen handelsüblichen Materialien, verstärkten Kunststoffen, Metallmatrix- und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen, geschichteten Verbundwerkstoffen, Steinen, Glas usw. zu bearbeiten.
• Neben dem Bearbeitungsprozess wird der Hochdruckwasserstrahl beim Entfernen von Farbe, Chirurgie, Reinigen, Kugelstrahlen zum Entfernen von Restspannungen usw. verwendet.
• AWJM kann auch zum Bohren, Taschenfräsen, Drehen und Reiben verwendet werden.