Grundsätze des Wasserstrahlschneidens

Grundsätze des Wasserstrahlschneidens

Es ist die Geschwindigkeit, die schneidet, nicht der Druck....

Stets ist die Höhe des Druckes das Hauptthema, wenn über Wasserstrahlschneiden gesprochen wird. Um einen sauberen Schnitt zu erzeugen, ist jedoch die Geschwindigkeit des Wassers usschlaggebend. Die Formel für kinetische Energie lautet: EK = ½ * m*v2, wobei m = Masse in kg und V = Geschwindigkeit in m/s bedeuten. Diese Formel bildet die physikalische Grundlage für das Schneiden mit einem Wasserstrahl.

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!

Grundsätze des Wasserstrahlschneidens

 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 Austausch von Verschleißteilen verbunden, so dass ein Überschreiten des genannten Wertes wirtschaftlich kaum sinnvoll ist. Eine zu hohe Geschwindigkeit des Wasserstrahls schränkt auch die Möglichkeit einer homogenen Vereinigung von Abrasivmittel und Wasser ein. Nach dem Mischvorgang wird das Abrasiv durch das strömende Wasser beschleunigt mit hoher Geschwindigkeit durch das Fokussierrohr geleitet. Der feine Wasserstrahl trifft sodann präzise gebündelt auf das zu schneidende Material und “bohrt” sich während der Eindringphase durch dieses hindurch. Während des Eindringens vollführt der Wasserstrahl eine Rotationsbewegung von einigen Millimetern Durchmesser, damit er seine Energie nicht durch Reflexion (Zurückspritzen) verliert. Nachdem er das Material durchdrungen hat, folgt er der programmierten chnittlinie. Normalerweise programmiert der Bediener einen Einstich knapp neben der Schnittlinie, damit der Strahl sauber in die Schnittlinie einfahren kann. 

Bei einem, in einer Hochdruckpumpe erzeugten, Druck von 4000 bar, kann die auf die Materialoberfläche wirkende Kraft durchaus 400 N/mm² übersteigen. Dieser Umstand macht die Verwendung spezieller Materialien für die Bauteile der Wasserstrahlschneidanlage unumgänglich. Zusammen mit einer regelmäßigen Wartung werden so Langlebigkeit und Zuverlässigkeit gewährleistet.

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.