Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Wasserstrahlschneiden, ein relativ junges Trennverfahren mit großem Potential für die Zukunft. Ziel ist es, das im Vergleich zu Alternativen noch relativ unbekannte Trennverfahren bekannter zu machen und dessen Potential für die Zukunft zu analysieren. Es werden die verschiedenen Verfahrensmöglichkeiten und deren Anwendungsgebiete aus technischer Sicht erklärt und verglichen. Zudem wird ein kurzer Überblick über alternative Trennverfahren gegeben und mit dem Wasserstrahlschneiden in einem Vergleich gegenübergestellt.
Da dieses Verfahren noch laufend weiterentwickelt wird, sind die aktuellsten Informationen noch nicht aus Literaturquellen, sondern großteils aus dem Internet bzw. von Herstellern und Entwicklern dieses Verfahrens zu beziehen. Die Autorin hat die in dieser Arbeit angeführten Daten nach bestem Wissen und Gewissen auf den neuesten Stand der Technik bezogen, weist jedoch darauf hin, dass aufgrund der laufenden Forschungen demnächst verbesserte bzw. neue Parameter zur Verfügung stehen könnten.
Obwohl das Wasserstrahlschneiden derzeit noch kein anderes Trennverfahren vollständig substituieren kann, zeigt eine Analyse der unterschiedlichen Methoden aus technischer Sicht deutlich die Vorteile dieses Verfahrens und lässt das große Potential für die Zukunft erkennen.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Wasserstrahl-Bearbeitungsverfahren
2.1 Reinigung
2.2 Entgraten
2.3 Schneiden
2.4 Übersicht der Einsatzmöglichkeiten
3 Trennen durch Abtragen
3.1 Chemisches Abtragen (CM)
3.2 Elektrochemisches Abtragen (ECM)
3.3 Thermisches Abtragen
3.4 Mechanisches Abtragen
4 Wasserstrahlschneiden
4.1 Technologische Grundlagen
4.1.1 Physikalische und spezifische Grundlagen
4.1.2 Qualität
4.2 Wasserstrahl-Schneidemaschinen
4.1 Reinwasserstrahlschneiden
4.2 Wasserabrasivschneiden
4.2.1 Wasserabrasiv-Injektorstrahlschneiden
4.2.2 Wasserabrasiv-Suspensionsstrahlschneiden
4.3 Mikro-Wasserstrahlschneiden
4.4 Vor- und Nachteile
4.5 Exkurs: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
4.6 Anwendungsgebiete
4.6.1 Gängige Anwendungsgebiete
4.6.2 Spezielle Anwendungsgebiete
4.6.3 Neue Anwendungsgebiete
4.7 Vergleich der Wasserstrahl-Schneidverfahren
4.7.1 Reinwasserstrahlschneiden und Abrasivschneiden
4.7.2 Wasserstrahlschneiden und Mikro-Wasserstrahlschneiden
4.7.3 Résumée
5 Vergleich: Wasserstrahlschneiden und Trennverfahren durch Abtragen
5.1 Wasserstrahlschneiden und CM/ECM
5.2 Wasserstrahlschneiden und thermisches Abtragen
5.3 Résumée
6 Potentiale/Ausblick
6.1 Wasserabrasiv-Suspensionsstrahlschneiden
6.2 Mikro-Wasserstrahlschneiden
6.3 Mobiles Wasserstrahlschneiden
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Strömungsgeschwindigkeit nach Venturi
Abb. 2: Prinzip einer Anlage zum Wasserabrasivstrahlschneiden
Abb. 3: Reinwasserstrahlschneiden
Abb. 4: Wasserabrasiv-Injektorstrahlschneiden
Abb. 5: Wasserabrasiv-Suspensionsstrahlschneiden
Abb. 6: Musterteile Mikro-Wasserstrahlschneiden
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Einsatzmöglichkeiten eines Hochdruckwasserstrahls
Tab. 2: Vergleich Reinwasserstrahlschneiden - Abrasivschneiden
Tab. 3: Vergleich Wasserstrahlschneiden - Mikro-Wasserstrahlschneiden
Tab. 4: Vergleich der Trennverfahren
Formelverzeichnis
Formel 1: Kontinuitätsgesetz
Formel 2: Kontraktionsziffer
Formel 3: Strahlgeschwindigkeit
Formel 4: Geschwindigkeitsziffer
Formel 5: Düsenziffer
Formel 6: Wasservolumenstrom
Formel 7: Hydraulische Leistung
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1 Einleitung
In der Wirtschaft ist heute hohe Qualität zu niedrigen Preisen gefordert. Im Bereich „Trennen“ sind viele etablierte Verfahren im Einsatz, jedoch ist die Anwendung jedes dieser Verfahren nur für einen bestimmten Einsatzbereich oder bestimmte Materialien möglich. Dabei gewinnt das Wasserstrahlschneiden nicht nur als umweltfreundliches Trennverfahren immer mehr an Bedeutung, sondern stellt durch seine Flexibilität und seine vielfältigen Einsatzmöglichkeiten auch eine geeignete Alternative zu „herkömmlichen“ Trennverfahren dar.
Zielsetzung/Gewünschtes Ergebnis
- Erläutern der Verfahrensarten des Wasserstrahlschneidens sowie deren An- wendungsgebiete und Vor- und Nachteile aus technischer Sicht
- Schaffen eines Vergleichs zwischen Wasserstrahlschneiden und alternativen Trennverfahren
- Analysieren von Entwicklungen und Potentialen im Bereich Wasserstrahl- schneiden
Der interessierte Leser soll einen Einblick in Trennverfahren durch Abtragen und im Speziellen in die Verfahren des Wasserstrahlschneidens erhalten. Durch die Kenntnis der verschiedenen Verfahrensarten sowie über deren Vor- und Nachteile kann beurteilt werden, welche Methode für welchen Einsatz geeignet ist. Zudem wird ein Vergleich von Wasserstrahlschneiden mit alternativen Trennverfahren durchgeführt, um hier ebenfalls einen Einblick über Anwendungsmöglichkeiten sowie Vor- und Nachteile aus technischer Sicht zu erhalten.
Lesergruppe
Die vorliegende Arbeit richtet sich an die an industriellen Trennverfahren interessier- te Öffentlichkeit mit technischem Verständnis bzw. Grundwissen. Im Speziellen kann sie Mitarbeitern der Beschaffung und des Qualitätsmanagements als Hilfestel- lung zu einer möglichen Qualitäts- und Kostenoptimierung durch Vergleich der Ver- fahren dienen.
2 Wasserstrahl-Bearbeitungsverfahren
Wasser unter Druck wird in der industriellen Fertigung für verschiedene Zwecke eingesetzt. Die Wasserstrahl-Technologie ist dort inzwischen nicht mehr wegzudenken und wird in Zukunft auch noch weiter an Bedeutung gewinnen. Eingeteilt nach Größe des Druckes bzw. der Strahlgeschwindigkeit bieten sich unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten.
2.1 Reinigung
Das Säubern von Materialien mittels Wasserstrahlen gewinnt immer mehr an Bedeutung, da es eine direkte - und staubfreie - Konkurrenz zum Sandstrahlen darstellt. Es wird mit Drücken zwischen 350 bar und 800 bar gearbeitet. Beispielsweise Flugrost oder Beschichtungen können schon mit solchen relativ geringen Drücken schnell und wirtschaftlich entfernt werden.1
Auch beim Gussputzen punktet der Wasserstrahl. Häufig bei komplexen, gegossenen Geometrien eingesetzt, kann der Wasserstrahl sowohl selbständig dem Strömungskanal folgen, als auch durch Schläuche an die zu bearbeitenden Stellen herangeführt werden. So können beispielsweise in Ventilgehäusen und Pumpenrädern relativ einfach Form- und Kernreste entfernt werden.2
2.2 Entgraten
Der Wasserstrahl eignet sich hervorragend, um Grate zu entfernen. Besonders an schwer zugänglichen Stellen im Werkstückinneren - etwa bei sich kreuzenden Boh- rungen - wird das Wasserstrahlverfahren zur Gratentfernung genutzt. Durch Be- rechnung des richtigen Wasserdruckes und der Strahlrichtung ist es möglich, die Grate sauber abzubrechen, ohne dabei den Grundwerkstoff anzugreifen. Wenn nö- tig, kann dem Wasser auch Abrasivmittel zum Entgraten beigemengt werden.3
2.3 Schneiden
Ein Wasserstrahl unter Hochdruck kann hervorragend als Schneidwerkzeug ver- wendet werden. Beim Schneiden mit einem reinen Wasserstrahl muss der Strahl- druck dabei größer als der Trennwiderstand des Werkstoffes sein; so lassen sich Werkstoffe wie Papier, Lebensmittel oder Schaumstoff trennen. Zum Schneiden härterer Materialien wird dem Wasser Abrasivmittel wie etwa Granatsand oder Ko- rund beigefügt. Somit ist das Wasserstrahlschneiden ein Trennverfahren für prinzi- piell alle Materialien. Die Schneidwirkung selbst entsteht durch Aufweitung, Ab- schleifung, Fortpflanzung von Mikrorissen oder durch Abschnürung plastisch ver- formter Werkstoffpartikel.4
2.4 Übersicht der Einsatzmöglichkeiten
Die unterschiedlichen Anwendungsgebiete des Wasserstrahls in der industriellen Fertigung werden in Tabelle 1 nochmals in einem Überblick dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 1: Einsatzmöglichkeiten eines Hochdruckwasserstrahls5
3 Trennen durch Abtragen
„Abtragen ist Fertigen durch Abtrennen von Stoffteilchen von einem festen Körper durch physikalische und chemische Vorgänge in der Wirkzone. Das Abtragen bezieht sich sowohl auf das Entfernen von Werkstoffschichten, als auch auf das Abtrennen von Werkstückteilen.“6
Um einen Vergleich mit dem Wasserstrahlschneiden ziehen und die Vor- und Nach- teile erkennen zu können, ist ein Überblick über alternative Trennverfahren zweck- mäßig. Es werden grundsätzlich vier unterschiedliche Arten des Abtragens unter- schieden:
3.1 Chemisches Abtragen (CM)
Beim chemischen Abtragen (oder „chemical machining“, CM) passiert eine direkte chemische Reaktion zwischen Werkstück und Wirkmedium. Mindestens eine Kom- ponente (Werkstück oder Wirkmedium) muss dabei elektrisch nichtleitend sein. Durch das Einwirken von Chemikalien wird der Werkstoff des Werkstückes gleich- mäßig aufgelöst und zu einer flüchtigen oder leicht entfernbaren Verbindung umge- setzt.7
Chemisches Ätzen
Beim Ätzen wird ein flüssiges oder gasförmiges Ätzmittel auf den Werkstoff (Metall oder Nichtmetall) aufgebracht, dadurch wird eine Schicht des Werkstückes aufgelöst. Ein Beispiel dafür ist das Ätzen von Glas. Als Ätzmittel wird hierbei Fluorwasserstoff verwendet. Dieses Verfahren dient zur Vorbereitung des Untergrundes für beispielsweise Beschriftungen.8
Thermisch-chemisches Entgraten
Das Werkstück wird in eine Entgratkammer gegeben und Sauerstoff und Brenngas (Erd-gas, Methan oder Wasserstoff) zugefhrt. Während des Vorgangs wird das Werkstück sehr kurz Temperaturen von bis zu 3.500°C ausgesetzt, dabei werden Teile mit großer Oberfläche und kleinem Volumen verbrannt.9
3.2 Elektrochemisches Abtragen (ECM)
Bei diesem Verfahren, auch als „electro chemical machining“ - ECM - bezeichnet, wird ein metallisches Werkstück mit Hilfe von Gleichstrom in einem elektrisch lei- tenden Medium bearbeitet. Dabei wird das Werkstück als Anode (positiv), das eben- falls metallische Werkzeug als Kathode (negativ) geschaltet. In der Elektrolytlösung bildet sich eine galvanische Zelle und es findet eine Ionenwanderung statt, wobei der Werkstoff des Werkstücks aufgelöst wird. Folgende Verfahrensarten werden unterschieden:10
- Elektrochemisches Formabtragen (zB Elektrochemisches Senken, Elektro- chemisches Entgraten)
- Elektrochemisches Oberflächenabtragen (zB Elektrochemisches Polieren, Badentgraten)
- Elektrochemisches Ätzen (Metallätzen)
Die Verfahren werden häufig zum Entfernen von Graten, zur Oberflächenvorberei- tung zum Beschichten oder zum Abtragen oxidierter oder korrodierter Schichten eingesetzt.11
3.3 Thermisches Abtragen
Funkenerosives Abtragen (Erodieren)
Dieses abbildende Formgebungsverfahren, auch EDM - „electro discharge machining“ genannt - eignet sich für elektrisch leitende Werkstoffe, von welchem der Werkstoff durch elektrische Entladevorgänge abgetragen wird. Die Bearbeitung erfolgt in einem Dielektrikum (zB Petroleum, entionisiertes Wasser). Zwischen Werkzeugelektrode und Werkstückelektrode wird für kurze Zeit eine Spannung angelegt. Dadurch wird das Material des Werkstückes in einem kleinen Bereich aufgeschmolzen, die Schmelze verdampft explosionsartig und die entfernten Partikel werden vom Dielektrikum abtransportiert.12
Laserstrahlschneiden
Beim Schneiden bzw. Abtragen mittels Laser wird die gebündelte Photonenstrahlung auf das Werkstück geführt. Durch die thermische Wirkung wird das Material geschmolzen und verdampft.13
Elektronenstrahlschneiden
Ein gebündelter und hoch beschleunigter Elektronenstrahl wird auf das Werkstück geführt. Die thermische Wirkung entsteht durch die Umwandlung von kinetischer in Wärmeenergie beim Auftreffen der Elektronen auf das Werkstück. Dadurch wird das Material geschmolzen und verdampft.14
Brennschneiden
Das zu trennende Werkstück wird in einer Brenngas-Sauerstoff-Flamme erwärmt. Der zugeführte Sauerstoffstrom verbrennt daraufhin das Material des Werkstü- ckes.15
Plasmaschneiden
Ein Plasmastrahl wird über das Werkstück geführt und überträgt dabei seine kinetische und thermische Energie, sodass der Werkstoff im Bereich der Schnittfuge geschmolzen bzw. verdampft und herausgeschleudert wird. Dieses Verfahren ist zum Trennen von schmelzbaren metallischen Materialien geeignet.16
3.4 Mechanisches Abtragen
Das mechanische Abtragen nimmt eine Sonderstellung dieser Trennverfahren ein. Bisher wurden als abtragende Verfahren nur jene bezeichnet, die den lokalen stoff- lichen Zusammenhalt des Werkstoffes durch physikalische oder chemische Vor- gänge aufheben.17 Jedoch wurden mit zunehmendem technischen Fortschritt Ver- fahren entwickelt, die das Abtragen von Materialien durch mechanische Vorgänge ermöglichen. Dazu zählen insbesondere die Wasserstrahltechnologie sowie das Ultraschallschwingläppen.18
4 Wasserstrahlschneiden
In der Literatur wird das Wasserstrahlschneiden oft unter „Strahlspanen“ beschrieben. Detailliert betrachtet handelt es sich bei diesem Verfahren, ebenso wie beim Ultraschallschwingläppen, um ein Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide (unter Anwendung von losem Korn beim Abrasivschneiden). Demnach können diese Technologien aufgrund ihrer Verfahrenskinematik und ihrer spezifischen Trennvorgänge dem mechanischen Abtragen zugeordnet werden.19
4.1 Technologische Grundlagen
4.1.1 Physikalische und spezifische Grundlagen
Um Wasser als Schneidwerkzeug einsetzen zu können, muss man unterschiedliche Faktoren berücksichtigen. Unter anderem muss man den Durchmesser der Düse, die Geschwindigkeit des Wasserstrahls oder den notwendigen Druck berechnen können.
Für Berechnungen betrachtet man Wasser als inkompressibles Fluid. Das bedeutet, dass die Dichte dieser Flüssigkeit entlang seines Bewegungspfades bei Druck- und Temperaturänderung konstant bleibt.20
Kontinuitätsgesetz
Fließt also Wasser durch eine Röhre, so ist nach dem Kontinuitätsgesetz der Durchfluss (Volumen pro Zeit) durch jeden Querschnitt der Röhre gleich. Die Fließgeschwindigkeit erhöht sich, wenn das Wasser auf eine Engstelle, wie zB eine Düse, trifft - siehe dazu auch Abbildung 1, Venturi-Effekt.21
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: Strömungsgeschwindigkeit nach Venturi22
Kontraktionsziffer α
In einer Schneiddüse befindet sich Wasser unter Druck. Dessen potentielle Energie wird in die kinetische Energie des Wasserstrahls umgesetzt. Die sogenannte Kont- raktionsziffer gibt das Verhältnis vom Querschnitt des Strahls AS zum Querschnitt der Düse AD an:23
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Formel 2: Kontraktionsziffer
Strahlgeschwindigkeit ωth und Geschwindigkeitsziffer Ψ
Die - theoretisch maximal mögliche - Strahlgeschwindigkeit ωth lässt sich folgendermaßen berechnen:24
Formel 3: Strahlgeschwindigkeit
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
[...]
1 Vgl.: Fritz, Alfred Herbert/Schulze, Günter (2009): Fertigungstechnik. 8., neu bearbeitete Auflage. Berlin: Springer Verlag. S. 378.
2 Vgl.: Spur, Günter (Hrsg.)/Stöferle, Theodor (1987): Abtragen, Beschichten. München Wien: Carl Hanser Verlag (= Handbuch der Fertigungstechnik. Abtragen, Beschichten und Wärmebehandeln 4/1). S. 22.
3 Vgl.: Spur/Stöferle (1987): Abtragen, Beschichten. S. 23.
4 Vgl.: Spur/Stoferle (1987): Abtragen, Beschichten. S. 23f.
5 Verändert übernommen aus: Fritz, Alfred Herbert (Hrsg.)/Schulze, Günter (2009): Fertigungstechnik. 8., neu bearbeitete Auflage. Berlin: Springer Verlag. S. 378.
6 Koether, Reinhard/Rau, Wolfgang (2008): Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure. 3., aktualisierte Auflage. München: Carl Hanser Verlag. S. 176.
7 Vgl.: Westkämper, Engelbert/Warnecke, Hans-Jürgen (2006): Einführung in die Fertigungstechnik. 7., neubearbeitete und ergänzte Auflage. Wiesbaden: B. G. Teubner Verlag. S. 144.
8 Vgl.: Hering, Ekbert/Modler, Karl-Heinz (2007): Grundwissen des Ingenieurs. 14. Auflage. München: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag. S. 664.
9 Vgl.: Grote, Karl-Heinrich/Feldhusen, Jörg (2007): Dubbel. Taschenbuch für den Maschinenbau. 22. Auflage. Berlin Heidelberg New York: Springer Verlag. S. S 58.
10 Vgl.: Fritz, Alfred Herbert (Hrsg.)/Schulze, Günter (2010): Fertigungstechnik. 9., neu bearbeitete Auflage. Berlin: Springer Verlag. S. 369.
11 Vgl.: Hering/Modler (2007): Grundwissen des Ingenieurs. S. 664f.
12 Vgl.: Hering/Modler (2007): Grundwissen des Ingenieurs. S. 663.
13 Vgl.: Hering/Modler (2007): Grundwissen des Ingenieurs. S. 664.
14 Vgl.: Hering/Modler (2007): Grundwissen des Ingenieurs. S. 664.
15 Vgl.: Dilthey, Ulrich (2005): Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1. 3., bearbeitete Auflage. Berlin Heidelberg New York: Springer (= Schweiß- und Schneidtechnologien 1). S. 230.
16 Vgl.: Fritz/Schulze (2010): Fertigungstechnik. S. 381.
17 Vgl.: Hering/Modler (2007): Grundwissen des Ingenieurs. S. 663.
18 Vgl.: Witt, Gerd (2006): Taschenbuch der Fertigungstechnik. München Wien: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag. S. 145.
19 Vgl.: Witt (2006): Taschenbuch der Fertigungstechnik. S. 145.
20 Vgl.: Grote/Feldhusen (2007): Dubbel. S. D 14.
21 Vgl.: Will, Dieter/Gebhardt, Norbert (Hrsg.) (2008): Hydraulik. Grundlagen, Komponenten, Schaltungen. 4., neu bearbeitete Auflage. Berlin Heidelberg: Springer Verlag. S. 44f.
22 Verändert übernommen aus: Strömung nach Bernoulli und Venturi. http://de.wikipedia.org/wiki/Str%C3%B6mung_nach_Bernoulli_und_Venturi [Stand 18.04.2011].
23 Vgl.: Kolb, Marcel (2006): Wasserstrahlschneiden. Materialbearbeitung mit einem Hochdruckwasserstrahl. München: Verlag Moderne Industrie (= Die Bibliothek der Technik 295). S. 8.
24 Vgl.:Klocke, Fritz/König, Wilfried (2007): Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung. 4., neu bearbeitete Auflage. Berlin Heidelberg: Springer (= Fertigungsverfahren 3). S. 322.
-
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen. -
Laden Sie Ihre eigenen Arbeiten hoch! Geld verdienen und iPhone X gewinnen.