Grundsätze des Wasserstrahlschneidens
It is the velocity that does the cutting, not the pressure….
We talk about setting the pressure for the waterjet machine so that we can make a cut but ultimately it is the velocity of the water with or with out an abrasive that really does the cutting. The formula for kinetic energy : KE = ½ mv2 where m = mass in kg and V = velocity in m/s, is the basic formula that determines how we cut materials with a waterjet.
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!
In most applications 4000 bar is enough to create the required high speed jet. Higher pressure are available but at a great cost in maintenance and wear parts so that economically this is a limit that rarely makes economic sense. The high speed of the jet also limits the possibility to mix the abrasive with the water comprehensively. The water accelerates the abrasive using some of its own energy and a mixture of water with abrasive is led through the focus tube at a speed of about 600m/s. The fine waterjet hits the material with precision and will ‘drill ‘its way through for the penetration phase. During penetration the waterjet will make a small circle of a few mm diameter so that the jet does not lose its energy in splashback. After penetrating the material it ca continue to follow the cut line as programmed. Normally the operator will program a penetration just off the cutline so the jet can make a clean run into the cut line.
At pressures of 4000 bar in the high pressure pump, the pressure acting on the material surface can exceed 400 N/mm², necessitating the use of specialized materials and regular maintenance to ensure longevity and reliability.
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.
