fertigungsprozesse wasserstrahlverfahren prof. dr.-ing. udo behmer verbundstudium tbw / fh swf
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Fertigungsprozesse
Wasserstrahlverfahren
Prof. Dr.-Ing. Udo BehmerVerbundstudium TBW / FH SWF
Wasserstrahlverfahren
Entwicklung der Wasserstrahltechnik
Verfahrensgrundlagen
Komponenten und Anlagen für die
Wasserstrahltechnik
Technologie des Wasserstrahlschneidens
Anwendung der Wasserstrahlverfahren
Entwicklung der Wasserstrahltechnik
erosive Wirkung des Wassers in der Natur bekannt
bereits in den ersten Jahren des letzten Jahrhunderts Nutzung der Spülwirkung des Wassers
in den 20er Jahren Einsatz von Wasser unter hohem Druck (ca. 100 bar) zum Putzen von Gussstücken sowie im Bergbau zum herauslösen der Kohle in steiler Lage
Mitte des letzten Jahrhunderts waren die wichtigsten Einsatzgebiete das Entzundern in Walzwerken sowie Reinigungsmaßnahmen vor allem in der chemischen Industrie
technische Weiterentwicklungen im Pumpenbau machen erweiterte Einsatzbereiche möglich
in den 70er Jahren erweiterter Einsatz durch abrasive Zusatzstoffe zum Reinigen und Trennen
1968 in den USA erstes Konzept für ein Hochdruck-Wasserstrahl-Schneidsystem patentiert (Druck bis 70 MPa vorgesehen)
heute Einsatz von Hochdruckwasserstrahlen bis 4000 bar (400 MPa)
Anwendungsbereiche der Wasserstrahltechnik
Lohnfertigung: Schneiden von Konturen mit reinem Wasserstrahl oder Wasser-Abrasivstrahl in jedem Material und beliebiger Form in 2D oder 3D
Metallindustrie: Bearbeitung von Stahl, Edelstahl, Aluminium und Buntmetallen
Luft- und Raumfahrtindustrie: Bearbeitung von Verbundwerkstoffen (Kevlar, GFK/CFK etc.), Aluminiumlegierungen, Edelstahl und Titan
Automobilindustrie: Türverkleidungen, Armaturenbretter, Stoßstangen und Autohimmel
Dichtungsindustrie: Schneiden aller Arten von Dichtungsmaterialien
Stein- und Keramikindustrie: Einlegearbeiten, Treppen, Bordüren, Waschtische aus Marmor, Granit, Keramik und andere Materialien
Papier-, Vliesstoff- und Verpackungsindustrie: Kanten-, Quer- und Längsschneiden von beschichtetem Papier, Wellpappe, Vliesstoffe
Lebensmittelindustrie: Schneiden, Teilen und Portionieren von Lebensmitteln
Reinigungsstrahlen in den unterschiedlichsten Bereichen
Quelle: Flow Europe GmbH
Anwendungsbeispiele Wasserstrahlschneiden
Quelle: Dürr
Wirkung des Wasserstrahls
Reinigen
Wasserdruck
Aufrauhen Abtragen Schneiden
Komponenten einer Wasserstrahl-Schneidanlage
Quelle: Hauss
Plungerpumpe
Quelle: Dürr
Wasser
Motor
Hochdruck
Niederdruck
für relativ niedrigen Pumpendruck aber hohe
Fördermengen, z.B. bei Reinigungsaufgaben
Hochdruckpumpe - Druckübersetzerprinzip
Quelle: Hauss
200 bar
4000 bar
Schneidköpfe zum Wasserstrahlschneiden
reiner Wasserstrahl-Schneidkopf
Quelle: Trumpf
Wasserzufuhr
Druckerzeugung
Wasserdüse
Abrasivdüse
Mischkammer
Abrasiv-mittel-vorrat
Abrasiv-Wasser-strahl-Schneidkopf
Abrasivmittelmenge
ca. 15-30 kg/h
Abrasiv-Wasserstrahl-Schneidkopf
Quelle: Hauss
Hochdruck-Wasserdüse
Quelle: König
Düsenstein
Dichtfläche
Dichtfläche
Düse
Wasser
Elastomerdichtung
- Wasserstrahldurchmesser ca. 0,08 – 1,2 mm- Material der Düse überwiegend Saphir- Wasseraustrittsgeschwindigkeit ca. 900 m/s- Abrasivdüsendurchmesser ca. 0,8 – 1,2 mm- Abrasivdüsenlänge ca. 40 – 80 mm (Hartmetall)- Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstück ca. 1 – 2 mm
Quelle: Trumpf
Einstechen beim Wasserstrahlschneiden
stehenderSchneidkopf
kreisenderSchneidkopf
hin und her bewegterSchneidkopf
Verringerung des Staudrucks- Verringerung der Reflexion des Wasserstrahls (u.U. Düsenbeschädigung)- Verringerung der Gefahr der Schichtablösung / Delamination
Quelle: Hauss
Einstechen beimWasserstrahlschneiden
mit mechanischem Bohrkopf
Quelle: Hauss
Schneidrichtung
Phase 1
Phase 2
Phase 3
Wasser-Abrasivstrahl-schneidprozess
charakteristisches Riefenmuster
- Glattschnittzone
- Restfläche
Schnittfläche beim Wasserstrahlschneiden
Schnittspalt beim Wasser-Abrasivstrahlschneiden
Quelle: Trumpf
hohe Schnittgeschwindigkeit
niedrige Schnittgeschwindigkeit
zu niedrige Schnittgeschwindigkeit
Quelle: Trumpf GmbH
Schnittflächenqualität beimWasser-Abrasivstrahlschneiden
Trennschnitt:möglichst schnell, Qualität vonuntergeordneter Bedeutung
Schneidrichtung
Qualitätsschnitt:gute Qualität, wirtschaftlicherAbrasivmittel- und Wasserverbrauch
Feinschnitt:höchste Qualität, hoher Abrasiv-mittel und Wasserverbrauch
Quelle: Hauss
Schnittflächenqualität beimWasser-Abrasivstrahlschneiden
Vorschubgeschwindigkeiten beimWasser-Abrasivstrahlschneiden
Quelle: König
Nase Kerbe Auswaschung
Zu hoheGeschwindigkeitan der Ecke
Zu hoheBeschleunigungan der Ecke
Zu niedrigeGeschwindigkeitan der Ecke
Eckenfehler beim Wasserstrahlschneiden
Vor- und Nachteile des Wasserstrahlschneidens
Vorteile des Wasserstrahlschneidens: fast alle Materialien schneidbar (Metalle bis 100 mm und Weichstoffe bis
300 mm Materialdicke geringe mechanische Belastung des Werkstoffes keine thermische Werkstoffschädigung bzw. –beeinflussung schmale Schnittfuge geringer Werkzeugverschleiß (Anlagenkomponenten) hohe Präzision mit einer Toleranz von 0,1 mm keine Nachbearbeitung der Schnittkanten hohe Flexibilität und Teilevielfalt in der Geometrie Schneiden in alle Richtungen Bearbeiten von Material auch in explosionsgefährdeten Bereichen keine Freisetzung gesundheitsschädigender Stoffe wie Rauch oder Gas
Nachteile des Wasserstrahlschneidens: evtl. Korrosionsgefahr rel. Geringe Schneidgeschwindigkeiten rel. starke Geräuschbildung (ca. 90 dB)
Anwendungsgebiete des Hochdruckwasserstrahl
Quelle: Fritz, König
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Einsatzgebiete des Wasserstrahlschneidens
reines Wasserstrahlschneiden: Textilien, Leder Schaumstoff Zellstoff Wellpappe und Pappe Faserverbundwerkstoffe Lebensmittel
Wasser-Abrasivstrahlschneiden: Gestein, technische Keramiken alle Metalle, u.a. auch hochfeste und schwerzerspanbare Legierungen
(Titan, Nickelbasislegierungen) Glas (einzige Ausnahme gehärtetes Glas) Kunststoffe Verbundwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe und Laminate Sandwich Materialien organische Materialien
Quelle: Flow Europe GmbH
Helmvisier
Faserverbundplatte
Wasserstrahlschneiden von Faserverbundwerkstoffe
Wasserstrahlschneiden in der Metallbearbeitungund Dichtungsindustrie
Quelle: Hauss
wasserstrahlgeschnittenes Titanbauteilaus der Luft- und Raumfahrttechnik
wasserstrahlgeschnittene Dichtung
wasserstrahlgeschnittene Aluminiumplattemit hitzeempfindlicher Lötschicht undKunststoff-Schutzfolie
Pizza
Schokoriegel
Wasserstrahlschneiden im Lebensmittelbereich
Wasserstrahlschneiden in der Zellstoffindustrie
mit Wasserstrahlgeschnittene Wellpappe
herkömmlich (mechanisch)geschnittene Wellpappe
Wasserstrahlschneiden von Glas und Stein bzw. Keramik
wasserabrasivgeschnittener Glasblock
Einlegearbeitin Keramik
Reinigung mit Hochdruck-Wasserstrahl
Reinigung von Schiffskörpern
Reinigung von Produktionsanlagen
Reinigung von Transporthalterungen in der industriellen Lackiertechnik
Reinigung von Druck- und Prägewalzen
Abtragen von Reifenabrieb auf Flughafenbahnen
Betonsanierung
lösungsmittelfreie Entlackung von Flugzeugen
...
Verbrauch und Kostenaufteilung beimWasser-Abrasivstrahlschneiden
Quelle: Hauss
Anhaltswerte für den Verbrauch:• Wasser: 1,5 l/min• Energie: 20-25 kW/h• Abrasivmittel: 250-300 g/min• Schlammentsorgung: 250-300 g/min
Kostenaufteilung:
Filme zur Wasserstrahlbearbeitung
Wasserstrahl-Schneidanlage Fa. Trumpf
Fernsehausschnitt Galileo Pro 7
Wasserstrahltechnik Fa. Flow Europe
Wasserstrahltechnik Fa. Innomax
Fernsehausschnitt Hannover Messe