Grundsätze des Wasserstrahlschneidens
Es ist die Geschwindigkeit, die den Schnitt macht, nicht der Druck....
Wir sprechen über die Einstellung des Drucks für die Wasserstrahlmaschine, damit wir einen Schnitt machen können, aber letztendlich ist es die Geschwindigkeit des Wassers mit oder ohne Abrasivmittel, die das Schneiden wirklich ermöglicht. Die Formel für kinetische Energie: KE = ½ mv2, wobei m = Masse in kg und V = Geschwindigkeit in m/s ist, ist die grundlegende Formel, die bestimmt, wie wir Materialien mit einem Wasserstrahl schneiden.
Das Prinzip des Wasserstrahlschneidens basiert auf der Erzeugung eines feinen Hochgeschwindigkeitswasserstrahls, der seine kinetische Energie auf einen begrenzten Bereich des zu schneidenden Objekts überträgt. Indem Wasser unter sehr hohen Druck gesetzt und durch eine feine Düse (üblicherweise mit einem Durchmesser von 0,2 bis 0,4 mm) geleitet wird, erhöht sich die Geschwindigkeit des Wasserstrahls auf etwa 700 m/s, also auf mehr als das Doppelte der Schallgeschwindigkeit. Der Wasserstrahl wird sodann durch eine Mischkammer geleitet, wo er durch seine hohe Geschwindigkeit ein Vakuum erzeugt (Venturi-Effekt) und eine genau dosierte Menge Abrasivmittel ansaugt. In der Regel handelt es sich dabei um feinen Granatsand, der im Bergbau aus einem scharfkantigen und sehr harten Gestein gewonnen wird. Alternativen zu Granatsand sind synthetisch hergestellte Strahlmittel, die noch härter sind, wie z. B. Aluminiumoxid. Erst die Kombination aus Wasserstrahl und Abrasivmittel ermöglicht das Schneiden selbst widerstandsfähigster Materialien. Das Wasser ist vergleichbar mit einem Hammer und das Abrasivmittel mit einem Meißel, der seine Kraft auf eine kleine Fläche des Schneidguts überträgt. Das Wasser ist der Hammer und das Schleifmittel ist der Meißel, mit dem wir jedes Material schneiden können. Sogar einen Diamanten!
Bei den meisten Anwendungen reichen 4000 bar aus, um den erforderlichen Hochgeschwindigkeitsstrahl zu erzeugen. Höhere Drücke sind zwar möglich, aber mit hohen Kosten für Wartung und Verschleißteile verbunden, so dass diese Grenze wirtschaftlich kaum sinnvoll ist. Die hohe Geschwindigkeit des Strahls schränkt auch die Möglichkeit ein, das Strahlmittel umfassend mit dem Wasser zu vermischen. Das Wasser beschleunigt das Abrasivmittel mit einem Teil seiner eigenen Energie und ein Gemisch aus Wasser und Abrasivmittel wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 600 m/s durch das Strahlrohr geleitet. Der feine Wasserstrahl trifft das Material mit Präzision und 'bohrt' sich für die Penetrationsphase durch. Während der Penetration macht der Wasserstrahl einen kleinen Kreis mit einem Durchmesser von einigen mm, damit der Strahl seine Energie nicht durch Spritzwasser verliert. Nachdem er in das Material eingedrungen ist, folgt er weiterhin der programmierten Schnittlinie. Normalerweise programmiert der Bediener eine Penetration kurz vor der Schnittlinie, damit der Strahl sauber in die Schnittlinie einfahren kann.
Bei einem Druck von 4000 bar in der Hochdruckpumpe kann der Druck, der auf die Materialoberfläche einwirkt, 400 N/mm² übersteigen. Dies erfordert die Verwendung spezieller Materialien und eine regelmäßige Wartung, um Langlebigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Die genaue Abstimmung der Prozessparameter Druck, Volumenstrom, Geschwindigkeit und Abrasivmenge sind essentiell für den wirtschaftlichen Betrieb einer Wasserstrahlschneidanlage.Höhere Drücke können zwar zu höheren Strahlgeschwindigkeiten und damit größeren Schnittleistungen führen, bringen aber auch die Herausforderung eines unzulänglichen Zumischens des Abrasivmittels sowie höheren Wartungskosten mit sich. Der Betrieb im optimalen Druckbereich gewährleistet eine effiziente Schnittleistung und minimiert gleichzeitig den Verschleiß der Systemkomponenten. Manchmal ist es besser, langsamer zu schneiden und die Maschine unbeaufsichtigt ihr Programm abarbeiten zu lassen. Und wirtschaftlicher ist ein solcher Prozess ohnehin.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Wasserstrahlschneiden ein Beweis für die Kraft der kinetischen Energie des Wassers ist, mit der präzise und effizient nahezu jedes Material geschnitten werden kann. Wenn man die physikalischen Zusammenhänge des Wasserstrahlschneidens verstanden hat und dessen Prozessparameter clever abstimmt, kann man mit dieser Technologie ein breites Spektrum an Materialien effektiv und wirtschaftlich schneiden. Von Metallen über Stein, Verbundwerkstoffen und Keramik, bis hin zu Kunststoffen und Elastomeren, alles ist möglich. Sie erhalten saubere, gratfreie und präzise Schnittkanten, die das ausgeschnittene Werkstück sofort und oft ohne Nacharbeit einsatzbereit machen.