<
>
Download

Bericht
Maschinenbau

HTWG Konstanz

1,7, 2016

Nikolaus M. ©
5.25

0.31 Mb
sternsternsternsternstern
ID# 74794







Anwendung des

Wasserstrahlschneidens

Technischer Bericht

STS-Bericht


an der HTWG Konstanz

Hochschule für Technik, Wirtschaft und Gestaltung

im Fachbereich Maschinenbau

von

Nr.: 294109

Betreuer:

Prof. Dr. Lohmberg

Konstanz den 14.05.16

Inhalt


  1. Einleitung

Das Wasserstrahlschneiden gehört zu der Fertigungshauptgruppe Trennen und fällt in den Bereich der spanenden Verfahren, genauer zu den strahlspanenden Verfahren. Allgemein gefasst wird bei dem Wasserstrahlschneiden die Kraft des Wassers eingesetzt um Werkstoffe zu trennen.

Seit seiner Erfindung hat das Wasserstrahlschneiden stetig an Bedeutung gewonnen und findet immer mehr Einsatzmöglichkeiten.

Der Bericht bezieht sich im Wesentlichen auf das Verfahren und die Anwendungsbereiche, wobei die Verfahren in zwei Untergruppen unterteilt werden. Im nachfolgenden Abschnitt wird auf die Anwendungsbereiche, die Werkstoffarten und deren Schnittparameter eingegangen. Zuletzt werden Vor- und Nachteile Gegenübergestellt.


  1. Verfahren

Bei dem Wasserstrahlschneiden wird der zu trennende Werkstoff, nicht wie bei herkömmlichen thermischen Schneid- und Trennverfahren, über einen materialschmelzenden Prozess getrennt. Das Trennen erfolgt über einen Hochdruckwasserstrahl wobei es einzig und alleine auf die erosive Wirkung des Wassers und die hohe kinetische Energie beim Aufprall des Wassers auf das Werkstück zurückzuführen ist.

Mittels Wasserhochdruckpumpe und Druckübersetzer erzeugt der Strahl auf der Werkstückoberfläche einen Druck von bis zu 6000 Bar und kann eine Aufprallgeschwindigkeiten von 1000m/s erreichen. Einer der Hauptvorteile liegt daher darin, dass sich der Werkstoff kaum erwärmt und das Verfahren keine Gefüge- und Stoffeigenschaftenänderungen hervorruft.

Das Wasser bedarf einer speziellen Aufbereitung um Pumpen und Komponenten zu schonen sowie die Standzeiten zu erhöhen. Durch den hohen Druck ist das Wasser keimfrei. Wie in Abbildung 1 gezeigt, werden im Wesentlichen die Verfahren nach dem Einsatz und somit nach den Drücken bzw. dem Einsatz von Abrasivstoffen unterschieden.

    1. Reinwasserschneiden

Beim Reinwasserschneiden wird das zu trennende Werkstück nur über die erosive Wirkung und die Aufprallenergie des reinen Wassers getrennt. Bei diesem Verfahren ist jedoch die Schneidleistung begrenzt. Allerdings können höhere Drücke gefahren und kleinere Schnittspalte erzielt werden.

Wegen der geringen Schneidleistung begrenzt sich das Reinwasserschneiden auf dünnwandige Metalle, Kunststoff, Leder, Pappe usw

    1. Wasser-Abrasivstrahlschneiden

Um dickwandigen Stahl und Kunststoff zu schneiden wird dem Wasserstrahl ein Abrasiv beigemischt. Das Abrasiv besteht meist aus Granat, Siliziumkarbid, Korund oder Quarzsand. Hier werden mit geringeren Drücken als beim Reinwasserschneiden gearbeitet, allerdings werden sehr viel höhere Schnittleistungen erzielt.

Bei diesem Verfahren ist dem Düsensystem eine Mischkammer angefügt, in der durch die Injektorwirkung des Wasserstrahls und den dadurch erzeugten Unterdruck das Abrasiv angesaugt wird. Das Wasser-Abrasiv-Gemisch wird in der nachfolgenden Düse verdichtet und auf einen Strahldurchmesser von 0,8 – 1 mm geformt.

Alternativ besteht die Möglichkeit das Abrasiv direkt im Hochdruckkreislauf auf der Hochdruckseite zuzumischen. Dabei herrscht auch im Abrasivbehälter der Hochdruck. Der Vorteil dieser Variante gegenüber des Injektorprinzips ist die höhere Geschwindigkeit des Abrasivs.


Abbildung 1: Varianten des Wasserstrahlschneidens, aus [1]


  1. Anwendung

Das Wasserstrahlschneiden hat seit der Erfindung immer mehr an Bedeutung gewonnen und wird dank seiner Vielseitigkeit in der Einzelteil- und Serienteilfertigung immer weiter eingesetzt.

    1. Anwendungsbereiche

Durch die Unabhängigkeit des Verfahrens in Bezug auf Werkstoffeigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit, gewisse Schmelzpunkte und Fließverhalten der Schmelze beim Schneiden, was oft andere Schneidverfahren sehr einschränkt, hat das Wasserstrahlschneiden ein sehr großen Anwendungsbereich.

Die zu schneidenden Werkstoffe werden keiner thermischen Belastung unterzogen, es entstehen weder Gefügeveränderungen noch giftige Dämpfe und Schlacken. Der Schnittvorgang ist einzig und alleine auf die erosive Wirkung des Wassers und die hohe kinetische Energie beim Aufprall des Wassers auf das Werkstück zurückzuführen.

Auch in der Leder und Textilverarbeitung findet das Wasserstrahlschneiden häufige Verwendung. In Kombination mit CNC-gesteuerten Schneidtischen und programmierten Robotern lassen sich komplizierte Formen und Geometrien in 2D, sowie 3-Dimensionale Formen im Raum und an komplexen Bauteilen schneiden.

Eines der Hauptanwendungen findet das Abrasivwasserstrahlschneiden wenn es darum geht ungleichartige Werkstücke, Werkstückpaarungen und Werkstoffgemische zu trennen (Abbildung 2). Die Anlage muss nicht umgerüstet werden um während des Schneidprozesses von metallischen Werkstoffen über Holz und Kunststoff auf keramische Werkstoffe zu wechseln.

Allein die Schneidparameter müssen ggf. geringfügig angepasst werden.

Abbildung 2: Beispiel für das Wasserstrahlschneiden von verschiedenen Werkstoffen, aus [1]

    1. Materialien und Schneidparameter

Beim Hochdruck-Wasserstrahl ist das eigentliche Werkzeug der Schneidstrahl, bei welchem es sich um ein geometrisch nicht eindeutig zu definierendes Werkzeug handelt. Daher hängt die Qualität des erzeugten Schnittes im Wesentlichen von der Wechselwirkung zwischen Strahl und Werkstoff ab.


Tabelle 2: Trennschnitt-Geschwindigkeiten, aus [3]

„Der Arbeits- oder Schneiddruck bestimmt die Schnitttiefe. Im Bereich von 100MPa bis 500MPa steigt mit steigendem Druck die Schnitttiefe linear an. Ein Überschreiten eines kritischen Druckes von etwa 60MPa ist notwendig, um überhaupt einen Abtrag zu erreichen. Die Schnittbreite nimmt mit steigendem Druck degressiv zu, da der zunehmende Druck zu einer intensiveren Strahlrandzone führt, wodurch diese am Werkstoffabtrag mit teilnimmt.

Heute sind Anlagen mit Schneiddrücken bis 620MPa verfügbar. […] Mit steigendem Düsendurchmesser nimmt die Schnitttiefe linear zu. Die Schnittfugenbreite steigt leicht degressiv an. Übliche Düsendurchmesser liegen zwischen 0,08mm und 0,7mm. […] Zusammenfassend kann hinsichtlich der Schnittfugengeometrie festgestellt werden, dass eine Erhöhung des Druckes zu einer Erhöhung der mittleren Strahlgeschwindigkeit und damit auch zur Erhöhung der Intensität der Strahlrandbereiche führt, was eine Kompensierung des erst V-förmigen Schnittes zur Folge hat.

Mit zunehmendem Werkstoffwiederstand wird die V-Form ausgeprägter und die Abrundung nimmt ab“. [1, pp. 137, 138] In Abbildung 3 wird z.B. die Schnittgeometrie bei dem Mikrowasserstrahlschneiden Verdeutlicht.



Abbildung 3: Schnittergebnisse des Mikro-Wasserstrahlschneidens, aus [1]

  1. Vor- und Nachteile

Das Wasserstrahlschneiden hat sehr viele Vorteile, aber auch einige Nachteile, welche hier kurz beschrieben werden.

    1. Vorteile

Dank des vielseitigen Einsatzbereiches des Verfahrens gilt es einige Vorteile aufzuzählen und zu Beschreiben

      1. Thermische Belastung

  • keine Gefügeveränderung an den Randzonen

  • keine Aufhärtung der Randzonen

  • keine Oxidbildung

  • keine Brandgefahr

  • keine Werkstoffeinschränkung

      1. Späne und Abfallprodukt

Es entstehen keine Schmelzprodukte, Dämpfe, gesundheitsschädliche Rauchgase und keine freien Stäube. Die entstehenden Schneidspäne und Stäube werden sofort im Wasser gebunden und können ausgefiltert werden. Das Trägt zu einem sauberen Arbeitsplatz bei und schont zugleich die Umwelt.

  • Bearbeitung weicher Werkstoffe möglich

  • keine Kaltverfestigung in den Werkstück-Schnittrandzonen

  • keine oder geringe Gratbildung

      1. Schnittfugenbreite

Die geringe Schnittfugenbreite ist genau definierbar.

  • dünnwandige, komplizierte Konturen möglich

  • sehr feine Konturen und Schnitte möglich

  • eng nebeneinander liegende Schnitte möglich

      1. Allgemeine Vorteile

Durch dir gute Integrierbarkeit in die CNC und Robotertechnik lässt sich das Verfahren gut Automatisieren und in die Serienfertigung integrieren. Die Medien sind natürliche Ressourcen und können ohne größeren Aufwand nach dem Filtern wieder an die Natur zurückgegeben werden, ohne der Umwelt zu schaden.

    1. Nachteile

Trotz der vielen Vorteile gibt es einige Nachteile.

      1. Schnittfugendicke

Die Werkstoffdicke geht mit dem prozessdruck und dem Einsatz des Abrasives einher, wodurch die maximaldicke des zu trennenden Werkstückes begrenzt ist. In diesem Bereich ist das Wasserstrahlschneiden einigen thermischen Trennverfahren bei bestimmten Werkstoffen weit unterlegen.

Des Weiteren entsteht durch die Verwendung von Wasser Nebel und Dampf, was ggf. zu Korrosion der Anlage und des Werkstückes führen kann.

  1. Zusammenfassung

Das Wasserstrahlschneiden findet häufig da Anwendung, wo andere Schneid- und Trennverfahren am Ende ihrer Möglichkeiten sind. Durch die Flexibilität, die große Palette an zu bearbeitbaren Werkstoffen und der vielen Einsatzbereichen ob in der Einzelteilfertigung als auch in Serie macht das Verfahren zu einem Innovativen und attraktiven Zweig der Trennverfahren.

In der heutigen Technik ist das Wasserstrahlschneiden Dank seiner Vielseitigkeit, der hohen Schnittleistung und Schnittqualität kaum wegzudenken und ist dadurch fähig andere Schneid- und Trennverfahren immer mehr abzulösen. Immer wichtiger wird Genauigkeit und Präzision, wo das Wasserstrahlschneiden absolut mit anderen Verfahren mithalten kann.


  1. Abbildungsverzeichnis


  1. Tabellenverzeichnis


  1. Literaturverzeichnis

[1]

A. Risse, Fertigungsverfahren der Mechatronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik, Springer Vieweg, 2012.

[2]

Wikipedia, „ “ 08 Februar 2016. [Online]. Available: [Zugriff am 14 Mai 2016].

[3]

Schneidforum Consulting GmbH & Co.KG, „ “ [Online]. Available: [Zugriff am 14 Mai 2016].



| | | | |
Tausche dein Hausarbeiten