Schneiden mit Wasserkraft

Das Wasserstrahlschneiden ist eine Methode des Trennens. Das abtragende Verfahren eignet sich für das Schneiden temperaturempfindlicher Materialien. Der Wasserstrahlschnitt ist im Vergleich zu anderen abtragenden Verfahren wie dem Brennschneiden, Laserstrahlschneiden und Schmelzschneiden sehr umweltfreundlich und emissionsarm. Es entstehen keine giftigen Dämpfe und die thermische Auswirkung auf das Material ist beim Wasserstrahlschneiden vergleichsweise gering.

Je nachdem, ob der Wasserstrahl in Reinform oder mit Additiven verwendet wird, unterscheidet man zwischen dem Reinwasserschneiden und dem Abrasivschneiden. Beim Reinwasserschneiden wird ausschließlich Wasser zum Trennen genutzt. Dieses Verfahren eignet sich für weiche Werkstoffe aus Folie, Kunststoff, Schaumstoff und Papier. Für härtere Werkstoffe wie Stahl, Keramik und Glas wird dem Wasser ein Additiv aus hartem Pulver beigefügt. Somit wird auch das Stahl Schneiden mit Wasser bis zu bestimmten Materialstärken möglich.

Technologie beim Wasserstrahlschnitt

Der Wasserstrahlschnitt basiert auf hohem Druck, mit dem der Wasserstrahl auf die Oberfläche des zu schneidenden Werkstücks auftrifft. Anders als bei Schneideverfahren, die mit thermischer Energie den Materialabtrag bewirken, kommt es beim oberflächennahen Abtrag mikroskopisch kleiner Partikel mit dem Wasserstrahl zu keinen Dehnungen im Material.

Beim Wasserstrahlschneiden kommen Drücke zwischen 1000 und 4000 bar zum Einsatz. Die Geschwindigkeit, mit der der Wasserstrahl auf dem Werkstück eintrifft, beträgt bis zu 900 Meter je Sekunde. Der Energieeintrag wird durch die Steuerung der Parameter Druck, Abstand, Geschwindigkeit und Durchmesser der Düse gesteuert und ist von der gewünschten Qualität und Schneidegeschwindigkeit abhängig.

Die Schnitttiefe beim Wasserstrahlschneiden hängt vom Druck des Wassers auf der Werkstoffoberfläche ab und steigt linear an. Der Düsendurchmesser verhält sich dabei proportional zur Schnitttiefe, wogegen der Abstand zwischen Düse und Werkstück umgekehrt proportional ist.

Reinwasserschneiden

Das Reinwasserschneiden wird zum Trennen von weichen und zähen Werkstoffen eingesetzt. Hierbei trifft gereinigtes Wasser unter hohem Druck auf die Oberfläche des zu schneidenden Werkstücks und trägt diese schichtweise ab. Neben Kunststoffen und Folien, Papier, Dämm- und Schaumstoffe kann das Reinwasserschneiden auch zum Trennen von Textilien eingesetzt werden. Mit 4000 bar Druck lassen sich hier Textilstärken von bis zu 30 mm umweltschonend bearbeiten. Das Wasser kann nach erneuter Reinigung und Filtrierung mehrmals genutzt werden, es verbleibt somit im Kreislauf der Wasserstrahlschneidemaschine.

Die erzielbaren Geschwindigkeiten beim Reinwasserschneiden hängen vom Material und dessen Dicke ab. So können kohlenfaserverstärkte Kunststoffe bis zu einer Dicke von 5 mm bei einer Geschwindigkeit von 0,1 Metern je Minute geschnitten werden und Dämmstoffe bis zu einer Dicke von 100 mm mit bis zu 8 Metern je Minute. Bei Papier und Kartonagen sind je nach Dicke Schneidegeschwindigkeiten bis zu 500 Metern je Minute erzielbar.

Abrasivschneiden

Wasserstrahlschneiden unter Zugabe von Additiven wird als Abrasivschneiden bezeichnet. Hierzu wird das filtrierte und gereinigte Reinwasser in einer Mischkammer mit Abrasivmittel getränkt. Das verwendete Abrasivmittel hängt dabei von der Materialdicke und -härte ab, meist ist es Granat- oder Olivsand. Weichere Werkstoffe können auch mit Abrasivzugabe aus Korund im Abrasivschneiden bearbeitet werden.

Mit Abrasivschneiden lassen sich auch harte Werkstoffe wie Stein, Holz, Keramik und Glas schneiden. Stahl Schneiden mit Wasser ist in diesem Verfahren bis zu einer Materialstärke von 50 mm und einer Materialdicke bis 25 mm unter hohem Druck möglich.

Beim Abrasivschneiden entsteht im Schneidkopf ein Unterdruck, der das Abrasiv in die Mischkammer saugt und mit dem Reinwasser vermischt. Die Beschleunigung des Strahls erfolgt in der Düse der Wasserstrahlschneidemaschine. Beim Abrasivschneiden bestimmt das verwendete Abrasiv das Schneidevermögen der Maschine. Während Aluminium mit einer Dicke von bis zu 30 Millimetern in einer Geschwindigkeit von 0,75 Metern je Minute geschnitten werden kann, sind es bei Naturstein Materialstärken von bis zu 50 mm, die mit 0,075 Meter Vorschub je Minute geschnitten werden können.

Aufbau der Wasserstrahlschneidemaschine

Die Wasserstrahlschneidemaschine besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten:

  • Wasseraufbereitung,
  • Druckerzeugung,
  • Strahlerzeugung.

Leitungswasser und Wasser aus anderen Quellen müssen zunächst gefiltert und gereinigt werden, um die Belastung der einzelnen Systemkomponenten beim Wasserschneiden zu reduzieren. Hierdurch sinkt der Verschleiß der Bauteile und somit die Betriebskosten beim Wasserstrahlschneiden. In der Wasseraufbereitung wird das Wasser entsalzen und von gelösten Stoffen gefiltert.

Die Druckerzeugung beim Wasserstrahlschneiden wird mithilfe von Pumpen vorgenommen. Der Hochdruck hängt dabei von dem Material und der Dicke der zu schneidenden Werkstoffe ab.

Die Strahlerzeugung zum Schneiden erfolgt in einer Düse. Deren Durchmesser liegt in der Regel zwischen 0,1 Millimeter für besonders feine Schnitte und 0,5 Millimeter für reguläre Schnitte und das Schneiden von Stahl mit Wasser.

Abgrenzung zu anderen Trennverfahren

Das Wasserstrahlschneiden eignet sich aufgrund seiner physischen Charakteristika vor allem für Werkstücke aus weichen Materialien und geringer Dicke. Bei zunehmender Dicke wird der Schnitt rauer. Es entsteht ein für den Wasserstrahlschnitt typisches Muster in Form von Riefen. Beim Stahl Schneiden mit Wasser kann es zu einer Kaltverfestigung des Werkstücks sowie zu einer Veränderung der Kristallstruktur kommen. Für präzise Schnittkanten im rechten Winkel, die keine oder nur geringe Nachbearbeitung erfordern, ist das Laserschneiden von Stahl die in der Praxis bevorzugte Methode.

Beim Wasserstrahlschneiden können Rillenfehler entstehen, die mit steigender Geschwindigkeit zunehmen. Besonders an Ecken und Rundungen werden die Schnitte daher mit niedriger Geschwindigkeit durchgeführt, um die Oberflächenqualität der Fuge nicht zu beeinträchtigen. Hohe Schneidegeschwindigkeiten können auch zu v-förmigen Schnittflächen führen, bei denen die Schnittfuge an der Oberseite breiter als an der Unterseite ist.