Fertigungsprozesse Wasserstrahlverfahren Prof. Dr.-Ing. Udo Behmer Verbundstudium TBW / FH SWF

Wasserstrahlverfahren Entwicklung der Wasserstrahltechnik Verfahrensgrundlagen Komponenten und Anlagen für die Wasserstrahltechnik Technologie des Wasserstrahlschneidens Anwendung der Wasserstrahlverfahren

Entwicklung der Wasserstrahltechnik erosive Wirkung des Wassers in der Natur bekannt bereits in den ersten Jahren des letzten Jahrhunderts Nutzung der Spülwirkung des Wassers in den 20er Jahren Einsatz von Wasser unter hohem Druck (ca. 100 bar) zum Putzen von Gussstücken sowie im Bergbau zum herauslösen der Kohle in steiler Lage Mitte des letzten Jahrhunderts waren die wichtigsten Einsatzgebiete das Entzundern in Walzwerken sowie Reinigungsmaßnahmen vor allem in der chemischen Industrie technische Weiterentwicklungen im Pumpenbau machen erweiterte Einsatzbereiche möglich in den 70er Jahren erweiterter Einsatz durch abrasive Zusatzstoffe zum Reinigen und Trennen 1968 in den USA erstes Konzept für ein Hochdruck-Wasserstrahl- Schneidsystem patentiert (Druck bis 70 MPa vorgesehen) heute Einsatz von Hochdruckwasserstrahlen bis 4000 bar (400 MPa)

Anwendungsbereiche der Wasserstrahltechnik Lohnfertigung: Schneiden von Konturen mit reinem Wasserstrahl oder Wasser-Abrasivstrahl in jedem Material und beliebiger Form in 2D oder 3D Metallindustrie: Bearbeitung von Stahl, Edelstahl, Aluminium und Buntmetallen Luft- und Raumfahrtindustrie: Bearbeitung von Verbundwerkstoffen (Kevlar, GFK/CFK etc.), Aluminiumlegierungen, Edelstahl und Titan Automobilindustrie: Türverkleidungen, Armaturenbretter, Stoßstangen und Autohimmel Dichtungsindustrie: Schneiden aller Arten von Dichtungsmaterialien Stein- und Keramikindustrie: Einlegearbeiten, Treppen, Bordüren, Waschtische aus Marmor, Granit, Keramik und andere Materialien Papier-, Vliesstoff- und Verpackungsindustrie: Kanten-, Quer- und Längsschneiden von beschichtetem Papier, Wellpappe, Vliesstoffe Lebensmittelindustrie: Schneiden, Teilen und Portionieren von Lebensmitteln Reinigungsstrahlen in den unterschiedlichsten Bereichen

Anwendungsbeispiele Wasserstrahlschneiden Quelle: Flow Europe GmbH

Wirkung des Wasserstrahls Reinigen Wasserdruck Schnitttiefe, Abtrag Aufrauhen Abtragen Schneiden Quelle: Dürr

Komponenten einer Wasserstrahl-Schneidanlage Quelle: Hauss

Plungerpumpe Hochdruck Wasser Motor Niederdruck für relativ niedrigen Pumpendruck aber hohe Fördermengen, z.B. bei Reinigungsaufgaben Quelle: Dürr

Hochdruckpumpe - Druckübersetzerprinzip 4000 bar 200 bar Quelle: Hauss

Schneidköpfe zum Wasserstrahlschneiden Wasserzufuhr Druckerzeugung Wasserdüse Abrasivdüse Mischkammer Abrasiv- mittel- vorrat reiner Wasserstrahl- Schneidkopf Abrasiv-Wasser- strahl-Schneidkopf Abrasivmittelmenge ca. 15-30 kg/h Quelle: Trumpf

Abrasiv-Wasserstrahl-Schneidkopf Quelle: Hauss

Hochdruck-Wasserdüse Düsenstein Dichtfläche Düse Wasser Elastomerdichtung Wasserstrahldurchmesser ca. 0,08 – 1,2 mm Material der Düse überwiegend Saphir Wasseraustrittsgeschwindigkeit ca. 900 m/s Abrasivdüsendurchmesser ca. 0,8 – 1,2 mm Abrasivdüsenlänge ca. 40 – 80 mm (Hartmetall) Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstück ca. 1 – 2 mm Quelle: König

Einstechen beim Wasserstrahlschneiden stehender Schneidkopf kreisender Schneidkopf hin und her bewegter Schneidkopf Quelle: Trumpf Verringerung des Staudrucks Verringerung der Reflexion des Wasserstrahls (u.U. Düsenbeschädigung) Verringerung der Gefahr der Schichtablösung / Delamination

Wasserstrahlschneiden Einstechen beim Wasserstrahlschneiden mit mechanischem Bohrkopf Quelle: Hauss

Wasser-Abrasivstrahl- schneidprozess Schneidrichtung Phase 1 Phase 2 Phase 3 Quelle: Hauss

Schnittfläche beim Wasserstrahlschneiden charakteristisches Riefenmuster - Glattschnittzone - Restfläche

Schnittspalt beim Wasser- Abrasivstrahlschneiden hohe Schnittgeschwindigkeit niedrige Schnittgeschwindigkeit zu niedrige Schnittgeschwindigkeit Quelle: Trumpf

Schnittflächenqualität beim Wasser-Abrasivstrahlschneiden Schneidrichtung Trennschnitt: möglichst schnell, Qualität von untergeordneter Bedeutung Qualitätsschnitt: gute Qualität, wirtschaftlicher Abrasivmittel- und Wasserverbrauch Feinschnitt: höchste Qualität, hoher Abrasiv- mittel und Wasserverbrauch Quelle: Trumpf GmbH

Schnittflächenqualität beim Wasser-Abrasivstrahlschneiden Quelle: Hauss

Vorschubgeschwindigkeiten beim Wasser-Abrasivstrahlschneiden Quelle: König

Eckenfehler beim Wasserstrahlschneiden Nase Kerbe Auswaschung Zu hohe Geschwindigkeit an der Ecke Zu hohe Beschleunigung an der Ecke Zu niedrige Geschwindigkeit an der Ecke

Vor- und Nachteile des Wasserstrahlschneidens Vorteile des Wasserstrahlschneidens: fast alle Materialien schneidbar (Metalle bis 100 mm und Weichstoffe bis 300 mm Materialdicke geringe mechanische Belastung des Werkstoffes keine thermische Werkstoffschädigung bzw. –beeinflussung schmale Schnittfuge geringer Werkzeugverschleiß (Anlagenkomponenten) hohe Präzision mit einer Toleranz von 0,1 mm keine Nachbearbeitung der Schnittkanten hohe Flexibilität und Teilevielfalt in der Geometrie Schneiden in alle Richtungen Bearbeiten von Material auch in explosionsgefährdeten Bereichen keine Freisetzung gesundheitsschädigender Stoffe wie Rauch oder Gas Nachteile des Wasserstrahlschneidens: evtl. Korrosionsgefahr rel. Geringe Schneidgeschwindigkeiten rel. starke Geräuschbildung (ca. 90 dB)

Anwendungsgebiete des Hochdruckwasserstrahl < Quelle: Fritz, König

Einsatzgebiete des Wasserstrahlschneidens reines Wasserstrahlschneiden: Textilien, Leder Schaumstoff Zellstoff Wellpappe und Pappe Faserverbundwerkstoffe Lebensmittel Wasser-Abrasivstrahlschneiden: Gestein, technische Keramiken alle Metalle, u.a. auch hochfeste und schwerzerspanbare Legierungen (Titan, Nickelbasislegierungen) Glas (einzige Ausnahme gehärtetes Glas) Kunststoffe Verbundwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe und Laminate Sandwich Materialien organische Materialien

Wasserstrahlschneiden von Faserverbundwerkstoffe Helmvisier Faserverbundplatte Quelle: Flow Europe GmbH

Wasserstrahlschneiden in der Metallbearbeitung und Dichtungsindustrie wasserstrahlgeschnittene Aluminiumplatte mit hitzeempfindlicher Lötschicht und Kunststoff-Schutzfolie wasserstrahlgeschnittene Dichtung wasserstrahlgeschnittenes Titanbauteil aus der Luft- und Raumfahrttechnik Quelle: Hauss

Wasserstrahlschneiden im Lebensmittelbereich

Wasserstrahlschneiden in der Zellstoffindustrie herkömmlich (mechanisch) geschnittene Wellpappe mit Wasserstrahl geschnittene Wellpappe

Wasserstrahlschneiden von Glas und Stein bzw. Keramik wasserabrasivgeschnittener Glasblock Einlegearbeit in Keramik

Reinigung mit Hochdruck-Wasserstrahl Reinigung von Schiffskörpern Reinigung von Produktionsanlagen Reinigung von Transporthalterungen in der industriellen Lackiertechnik Reinigung von Druck- und Prägewalzen Abtragen von Reifenabrieb auf Flughafenbahnen Betonsanierung lösungsmittelfreie Entlackung von Flugzeugen ...

Verbrauch und Kostenaufteilung beim Wasser-Abrasivstrahlschneiden Anhaltswerte für den Verbrauch: Wasser: 1,5 l/min Energie: 20-25 kW/h Abrasivmittel: 250-300 g/min Schlammentsorgung: 250-300 g/min Kostenaufteilung: Quelle: Hauss

Filme zur Wasserstrahlbearbeitung Wasserstrahl-Schneidanlage Fa. Trumpf Fernsehausschnitt Galileo Pro 7 Wasserstrahltechnik Fa. Flow Europe Wasserstrahltechnik Fa. Innomax Fernsehausschnitt Hannover Messe