Schneller wasserstrahlschneiden ohne Präzisionsverlust

Dem niederländischen Hersteller Resato ist es gelungen, effektiv die Probleme zu beseitigen, die durch den Einsatz von sehr hohen Wasserdrücken zur Steigerung der Schnittgeschwindigkeit entstehen. Außerdem wurde durch die Einführung des linearen Direktantriebs zum Positionieren des Schneidkopfes eine starke Verbesserung bei der Präzision und damit auch bei der Qualität des Wasserstrahlschneidens erzielt.

Zwei Varianten beim Wasserstrahlschneiden

Beim Wasserstrahlschneiden wird das zu schneidende Material mit einem Wasserstrahl unter hohem Druck – maximal 6000 bar – getrennt. Bei diesem Verfahren sind zwei Varianten möglich: mit und ohne Abrasivmittel. Wenn nur mit Wasser geschnitten wird, eignet sich das Verfahren insbesondere für weiche Materialien. Das Anwendungsspektrum wird extrem breit, wenn dem Wasserstrahl ein Abrasivmittel, eine Art feiner Sand, beigemischt wird.

Das Vermischen des Wasserstrahls mit dem Abrasivmittel erfolgt im Schneidkopf, dem Mittelpunkt der Wasserstrahlschneidmaschine. Dort wird der hohe Druck eines Wasserstrahls in Geschwindigkeit umgesetzt: Der Wasserstrahl verlässt den Schneidkopf mit einer Geschwindigkeit, die dreimal so hoch ist wie die Schallgeschwindigkeit, also etwa 1000 m/s.

Wasserstrahlschneiden mit Abrasivmittel erfordert sehr harte Düsen

Dieses Umsetzen von Druck in Geschwindigkeit erfolgt in der Düse, deren Kern in Anbetracht der hohen Verschleißbelastung aus Material mit einer sehr hohen Härte hergestellt ist. Düsen aus Diamant haben eine deutlich höhere Verschleißfestigkeit als Düsen aus Saphir oder Rubin, sie halten mindestens 20-mal länger.

Zu einem Wasserstrahlgerät gehört unter anderem eine hydraulische Pumpe, die einen regelbaren primären Druck aufbaut. In dem so genannten Intensifier (Druckübersetzer) wird dieser Druck weiter erhöht, bis der hohe Druck erreicht ist, der für das Schneidverfahren benötigt wird. Dieser sekundäre Wasserdruck ist das Produkt des primären Drucks und des Verhältnisses des Durchmessers der primären und sekundä-ren Zylinder im Intensifier.

Eine komplette Wasserstrahlschneidanlage besteht aus verschiedenen Komponenten. Die Maschinenkonstruktion, die in den meisten Fällen aus Stahlprofilen aufgebaut ist, enthält separate Achsen, die den Schneidkopf in die richtige Position lenken. Über dem Rahmen bewegt sich bei den meisten Maschinen ein Portal (Traggerüst), auf dem ein oder mehrere Schneidköpfe angebracht sind. Die Schneidköpfe sind in der Längsrichtung des Querbalkens und in der Höhe verstellbar.

Restenergie des Wasserstrahls muss nach dem Schneiden abgebaut werden

Die Restenergie des Wasserstrahls, die nach der Schneidbearbeitung übrig bleibt, kann auf unterschiedliche Arten abgebaut werden. Am gängigsten ist die Verwendung eines Wasserbeckens, das als so genannter Strahlfänger fungiert. In diesem Becken, mit einem Wasserstand von mindestens 600 mm, wird die Restenergie des Wasserstrahls in Wärme umgesetzt.

Andere Komponenten sind die bereits genannte Hochdruckpumpe, die Steuerung und die Ableitanlage. Das mit Schneidmaterial und Abrasivmittel vermischte Schneidwasser muss aus dem Wasserbecken entfernt werden. Das kann kontinuierlich durch eine Ableitvorrichtung oder von Hand zu festgelegten Zeiten geschehen.

Wasserstrahlschneiden für fast alle Werkstoffe geeignet

Mit Hilfe des Wasserstrahlschneidens können fast alle Materialien bearbeitet werden, von Schaumgummi bis Saphir. Hartglas bildet dabei eine Ausnahme. In der Praxis wird das Verfahren vor allem bei der Bearbeitung von Metallen und Kunststoffen eingesetzt, aber auch in der Leder- und (Natur-) Steinbearbeitung. Andere Einsatzmöglichkeiten sind Perspex, Pertinax, Mica, faserverstärkte Materialien, Papier, Pappe, Textilien, gefrorene Nahrungsmittel und andere, ähnliche Materialien.

Die Dicke des zu bearbeitenden Materials stellt nur insofern eine Einschränkung dar, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit abnimmt, wenn die Dicke zunimmt. Eine intensive Forschung von Herstellern auf diesem Gebiet ist darauf ausgerichtet, die Geschwindigkeit zu erhöhen. Grob gesagt gilt dabei die folgende Regel: Je höher der Wasserdruck, desto höher ist die Schnittgeschwindigkeit beziehungsweise desto größer kann die Blechdicke bei gleichbleibender Geschwindigkeit sein.

Werkstoff wird beim Wasserstrahlschneiden nicht erhitzt

Neben dem breiten Anwendungsgebiet des Wasserstrahlschneidens sowohl im Hinblick auf die Materialien als auch im Hinblick auf die Stärken ist auch die Tatsache, dass keine Wärme zum zu schneidenden Material zugeführt wird, ein großer Vorteil. Strukturwechsel, Verformungen, Verfärbungen und andere unerwünschte Änderungen des Materials treten dadurch nicht auf. Weitere Vorteile des Wasserstrahlschneidens sind:

-Es entsteht kein Staub, Rauch oder giftiger Dampf.

-Die mechanische Belastung ist gering.

-Die Materialverluste sind klein.

-Die Schnitte sind praktisch gratlos.

-Bei dicken Materialien sind relativ hohe Geschwindigkeiten realisierbar.

Diesen Vorteilen stehen jedoch auch einige Nachteile gegenüber. Im Vergleich mit dem Laserschneiden ist das Verfahren beim Schneiden von dünneren Materialien relativ langsam. Dies führt zu einer niedrigen Produktivität.

Wasserstrahlschneiden mit mehreren Schneidköpfen erhöht die Produktivität

Bei Serienproduktion kann die Produktivität erhöht werden, indem mehrere Schneidköpfe eingesetzt werden. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass bei bestimmten aus Schichten aufgebauten Materialien eine Delaminierung auftritt. Auch die Form des Schnitts ist ein Punkt, der Sorgen bereiten kann. Abhängig vom Material und von der Geschwindigkeit zeigt der Schnitt geringere oder stärkere Abweichungen von der sauberen, geraden Form.

Resato ist einer der Pioniere Wasserstrahlschneidtechnik. Seit im Jahre 1996 der erste Maschinenentwurf auf den Markt gebracht wurde, strebt das Unternehmen ständig danach, die verschiedenen Komponenten – Pumpe (Intensifier), Schneidtisch, Steuerung und Abrasivhaushalt – weiter zu verbessern. Bereits 2002 wurde mit Wasserdrücken bis 6000 bar experimentiert. 2003 stellte das Institut für Werkstoffkunde der Universität Hannover an Hand von offiziellen Tests fest, dass das Schneidsystem von Resato in einem Vergleich von zehn der bekanntesten Anbieter auf dem Gebiet des Wasserstrahlschneidens das leistungsfähigste System war.

Linearer Direktantrieb verbessert Wasserstrahlschneiden

2005 entwickelte Resato ein Electronic Monitoring System für die komplette Prozessüberwachung und ein Jahr später wurde während der Blechbearbeitungsmesse Euroblech in Hannover eine fundamentale Verbesserung des Verfahrens vorgestellt: der lineare Direktantrieb.

Diese Innovation kam nicht völlig unerwartet. Aus der Sicht von Resato stellt der Linearantrieb mit seiner hohen Dynamik und Positioniergenauigkeit eine Voraussetzung dafür dar, die beträchtlich höheren Geschwindigkeiten, die durch einen anderthalbmal so großen Wasserdruck möglich sind, auch in der Praxis einzusetzen. In den neuesten Maschinen setzt Resato eine Kombination von einem Wasserdruck in Höhe von 6000 bar mit dem Linearantrieb ein, womit eine fundamental höhere Produktivität und Verfahrensqualität realisiert werden.

Das Prinzip des Linearantriebs basiert auf der Grundlage des Magnetismus und ist ganz einfach: Gleiche Pole stoßen einander ab, Gegenpole ziehen sich an. Der lineare Induktionsmotor ist, einfach ausgedrückt, ein rotierender Elektromotor, der aufgeschnitten und in einer geraden Linie angeordnet wurde.

Der primäre Teil des Motors ist mit dem Stator eines rotierenden Elektromotors vergleichbar, während der sekundäre Teil mit dem Rotor vergleichbar ist. Der zu bewegende Teil enthält eine Reihe von Spulen, deren magnetisches Feld durch die periodische Änderung der Stromrichtung ständig wechselt. Der feste Teil enthält mehrere Magnete mit einer unveränderlichen Polarität. Dadurch wird immer die Hälfte der Spulen von Magneten mit einer festen Polarität in derselben Richtung angezogen, wodurch die Bewegung zu Stande kommt. In diesem Zusammenhang kann von einer Art magnetischer Welle gesprochen werden, durch die das anzutreibende Objekt (unabhängig davon, ob es sich dabei um eine Schwebebahn oder einen Maschinenschlitten handelt) fortbewegt wird.

Schneidköpfe mit linearem Direktantrieb über Magnetbahnen angebracht

Das Resato-Prinzip des Linearantriebs für die Wasserstrahlschneidtechnik: Die Schneidköpfe werden mit linearen Direktantriebsmotoren über Magnetbahnen angebracht. Das gilt für die Längs- und die Querbewegung (die X- und die Y-Achse), mit der der Schneidkopf in die richtige Position im Arbeitsbereich gebracht wird, aber auch für die vertikale Z-Achsen-Bewegung des Schneidkopfes.

Ende 2006 wurde die erste Wasserstrahlschneidmaschine des niederländischen Herstellers mit dem linearen Direktantrieb ausgerüstet. Seither werden alle Maschinen, die kundenspezifisch am Produktionsstandort in Roden gebaut werden, mit linearen Direktantriebsmotoren ausgestattet.

Linearer Direktantrieb erlaubt genauere Positionierung beim Wasserstrahlschneiden

Der lineare Direktantrieb ermöglicht nicht nur eine genauere Positionierung, sondern auch eine bessere Wiederholbarkeit beim Schneidkopf im Vergleich mit dem sonst meistens verwendeten, konventionellen Antrieb mit Kugelumlaufspindel, Kombinationen aus Ritzel und Zahnstange und Zahnradübersetzungen. Der große Nachteil dieser mechanischen Antriebskomponenten liegt darin, dass sie immer ein gewisses (Umkehr-) Spiel aufweisen, das die Positioniergenauigkeit negativ beeinflusst.

Bei einem linearen Direktantrieb tritt dieses Spiel nicht auf und daher können bei Abmessungen und anderen Aspekten wie Parallelität und Rechtwinkligkeit engere Toleranzen realisiert werden. Nach Angaben von Resato können mit dem linearen Direktantrieb eine Positioniergenauigkeit von ± 10 µm und eine Wiederholgenauigkeit von 15 µm realisiert werden.

Präzision beim Wasserstrahlschneiden um das Zehnfache gesteigert

Grob gesagt bedeuten diese Werte eine Verbesserung um den Faktor zehn, verglichen mit einem konventionellen Antrieb. Dadurch können Werkstücke mit einer höheren Präzision hergestellt werden als vorher.

Die sehr hohe Wiederholgenauigkeit bedeutet außerdem, dass der Schneidkopf bei einer Unterbrechung des Wasserstrahlschneidverfahrens – weil die Stromversorgung ausfällt oder weil ein Eilauftrag dazwischen kommt – exakt an die ursprüngliche Kerbenposition zurückkehrt.

Ein anderer großer Vorteil des linearen Direktantriebs ist, dass nur wenige Komponenten verschleißempfindlich sind, weil der Antrieb kontaktlos ist. In der Praxis kann dieser Antrieb als wartungsfrei betrachtet werden.

Ein dritter Vorteil liegt darin, dass schnellere Veränderungen bei der Indexiergeschwindigkeit möglich sind. Lineare Direktantriebe stellen außerdem den ersten Schritt in Richtung höhere Geschwindigkeiten dar.

Linearantrieb ermöglicht höhere Schnittgeschwindigkeiten

Die spezielle Dynamik dieses linearen Direktantriebs ebnete den Weg zur Anwendung von höheren Schnittgeschwindigkeiten unter Einsatz einer Pumpe mit einem Betriebsdruck von 6000 bar. Hiermit kann nicht nur anderthalbmal so schnell geschnitten werden wie mit einer 4000-bar-Pumpe, es wird auch entsprechend weniger Abrasivmittel und Wasser verbraucht.

Diese Vorteile werden in eine höhere Produktivität und niedrigere Produktionskosten umgesetzt. Selbstverständlich wurden die kritischen Komponenten, die diese Ultrahochdrucktechnik möglich machen, ausführlich getestet und für die betreffende Anwendung ausgelegt.

Höhere Schnittgeschwindigkeiten bringen auch Nachteile beim Wasserstrahlschneiden

Es ist jedoch allgemein bekannt, dass bei zunehmenden Schnittgeschwindigkeiten bestimmte prozesstechnische Nachteile stärker in den Vordergrund treten. Ein Problem ist das so genannte Nacheilen des Wasserstrahls, wodurch der Schnitt auf der Unterseite der Plattendicke im Vergleich zur Oberseite zurückbleibt.

Ein anderes Problem beim Anwenden höherer Schnittgeschwindigkeiten ist der Taper-Effekt (Kegeleffekt). Dieser Effekt wird durch das Divergieren (Ausfächern) des Wasserstrahls verursacht und führt, je nach der verwendeten Geschwindigkeit, zu unerwünschten Abweichungen im Profil des Schnittes, beispielsweise zu einer größeren Spaltbreite an der Oberseite als an der Unterseite der geschnittenen Platte.

Neuer Schneidkopf kompensiert Nacheil- und Taper-Effekt

Mit dem neuen Schneidkopf C3 hat Resato eine Lösung für den Nacheil- und den Taper-Effekt entwickelt. C3 steht für Contour Compensation Cutting (Konturen kompensierendes Schneiden). Der Schneidkopf wird über eine spezielle Software von zwei frei programmierbaren Servo-Achsen angesteuert, wodurch eine Kompensation im Bereich von Mikron realisiert wird.

Das Ergebnis sind ein immer gerader Schnitt und gerade Schnittkanten von der Ober- zur Unterseite der Platte. Infolge dieser fundamentalen Verbesserung braucht die Geschwindigkeit in Kurven nicht mehr reduziert zu werden, um dieselbe Schnittqualität wie bei den geraden Teilen zu erreichen.

Wasserstrahlschneiden bietet jetzt höhere Produktivität und mehr Qualität

Ein höherer Betriebsdruck zur Steigerung der Produktivität muss daher nicht mehr auf Kosten der Schnittqualität gehen. Durch den Einsatz von linearen Direktantriebsmotoren mit ihrer hohen Regeldynamik in Kombination mit einem höheren Betriebsdruck und einem innovativen Schneidkopf können Konturen mit höheren Geschwindigkeiten geschnitten werden und kann dabei eine ausgezeichnete, konstante Schnittqualität garantiert werden.

Durch den höheren Pumpendruck mussten aber auch noch andere Probleme gelöst werden. Denn ein höherer Betriebsdruck führt auch zu einem schnelleren Verschleiß des Strahlrohres.

Automatische Werkzeugkorrektur gleicht Verschleiß des Schneidkopfes aus

Um dieses Problem zu beheben, entwickelte Resato ein System für eine automatische Werkzeugkorrektur. Der Verschleiß des Schneidkopfes durch die höhere Geschwindigkeit und den höheren Betriebsdruck wird stark reduziert, indem der Verschleiß über die Software vorhergesagt und dann eine automatische Werkzeugkorrektur durchgeführt wird. Der Verschleiß wird anhand von in einer Datenbank gespeicherten Faktoren vorhergesagt, wie der aktuellen Gebrauchsdauer, der Anzahl der Schaltungen (auf/zu), der Abrasivmenge und so weiter.

Nach dem Eingeben dieser Daten auf dem Bildschirm der Steuerung berechnet diese den Verschleiß und es findet eine automatische Kompensation (im Bereich von Zehntelmillimetern) statt. Diese Form von Werkzeugmanagement wird bereits seit mehr als einem Jahr in der Praxis getestet und führt zu einer viel höheren Schnittgenauigkeit.

Resato hat mit den beschriebenen verfahrenstechnischen Innovationen bewiesen, dass es möglich ist, Wasserstrahlschneiden mit einer höheren Produktivität einzusetzen, ohne Qualitätsverluste und nennenswerte zusätzliche Kosten.