High-Tech-Verfahren

Mit Wasser schneiden – High-Tech-Verfahren für präzise Schnitte

Beim Wasserstrahlschneiden schneiden extrem beschleunigte Wassertropfen die verschiedensten Werkstoffe. Wie dieses High-Tech-Verfahren funktioniert.

Ein Wasserstrahl kann sich so stark verdichten und beschleunigen, dass er auch Stahl oder Marmor schneiden kann.

Wassertropfen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1000 m/sec durchtrennen sogar Stahl, aber auch empfindliche Werkstoffe wie Marmor. Wasserstrahlschneidanlagen arbeiten dabei mit sehr hohem Druck. Große Anlagen erreichen mehrere tausend Bar.

Wann ist Wasserstrahlschneiden sinnvoll?

Wasserstrahlschneiden ist immer dann eine gute Option, wenn es gilt, Werkstoffe präzise zu durchtrennen. Insbesondere für hitzeempfindliche Materialen, die sich nur bedingt mit Laser-, Brenn- oder Plasma-Schmelzschneiden durchtrennen lassen, ist das innovative Wasserstrahlschneiden ideal. Zudem lassen sich mit dem Wasserstrahlschneiden auch sehr empfindliche Materialien schneiden, von Marmor bis hin zu Kunststoffen, Schaum- und Dämmstoffen und Lebensmitteln. Das Wasserstrahlschneiden ist ein sehr schonendes Kaltschneideverfahren, das an den Materialien keine thermischen Verformungen verursacht. Zum Schneiden kommt nur Reinwasser zum Einsatz oder ein Abrasiv-Mittel. Das klingt sehr einfach und ist es prinzipiell auch. Das Wasserstrahlschneiden ist eine High-Tech-Schneidtechnologie, die nur mit High-Tech-Maschinen funktioniert.

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Beim Laserschneiden entstehen hohe Temperaturen am Material, die zu Verformungen führen können.

So funktioniert das Wasserstrahlschneiden

Um mit einem Wasserstrahl schneiden zu können, muss das Wasser mit hohem Druck durch eine Düse geleitet werden. Diese setzt den Druck in Geschwindigkeit um, sodass der Wasserstrahl mit sehr hoher Präzision auf die Oberfläche des Werkstoffs trifft. Der Wasserstrahl trennt beim Auftreffen auf die Oberfläche mikroskopisch kleine Partikel von der Oberfläche. Dabei entsteht keine Wärme am Werkstück, die normalerweise zu Ausdehnungen führt. Wenn das Wasser von der Oberfläche abfließt, tragen die Scherkräfte noch weiteres Material ab.

Bei spröden und sehr harten Materialien, wie Gusseisen oder Keramik, entstehen durch den auftreffenden Wasserstrahl feine Mikrorisse an der Oberfläche des Materials. Diese breiten sich aus und bewirken, dass sich Partikel ablösen.

Bei weichen oder sehr zähen Materialien, wie Gummi oder Kunststoff, kommt es zunächst zu plastischen Verformungen, die noch kein Ablösen von Partikeln bewirken. Es kommt zu Kaltverfestigung mit der Folge, dass das Material versprödet. Dann ist auch hier ein Materialabtrag möglich.

Reinwasser oder Abrasiv zum Wasserstrahlschneiden

Je nach Material ist das Wasserstrahlschneiden nicht nur mit Reinwasser möglich. Es stehen auch Abrasive zur Verfügung. Beim Wasserstrahlschneiden mit Reinwasser kommt nur reines Wasser zum Einsatz. Das ist bei weichen und zähen Werkstoffen am besten geeignet, beispielsweise bei Schaum-, Dämm- und Kunststoffen, Lebensmitteln oder Gummi. Bei Wasserstrahlschneiden mit Reinwasser kommen keine Additive zur Kühlung zum Einsatz. Es entstehen weder Späne noch Stäube, Gase oder andere Luftverschmutzungen. Das macht diese Technik besonders umweltschonend.

Um härtere oder sehr dicke Werkstoffe zu schneiden, kommen Abrasive hinzu. Diese befinden sich in einer zusätzlichen Kammer direkt im Schneidkopf. Der Wasserstrahl tritt mit sehr hoher Geschwindigkeit aus dem Schneidkopf. Dadurch entsteht in der Mischkammer Unterdruck, wodurch das Abrasiv eingesaugt wird. Es vermischt sich mit dem Wasser und kommt dann hochpräzise und sehr stark beschleunigt aus der Abrasivdüse und trifft auf den Werkstoff. Das Abrasiv verstärkt die Schnittkraft des Wasserstrahls erheblich. Damit ist es möglich auch Materialien wie Stahl, Panzerglas, Beton, Glas, Titan, Stein, Grafit oder Marmor zu durchtrennen.

Wie ist eine Wasserstrahlschneidemaschine aufgebaut?

Grundsätzlich bestehen Wasserstrahlschneidemaschinen aus drei Komponenten: die Wasseraufbereitung, die Druckerzeugung und die Strahlerzeugung.

Das Wasser, Leitungswasser oder Wasser aus anderen Quellen, durchläuft zunächst einen Filterungs- und Reinigungsprozess. Das ist notwendig, damit Verunreinigungen die einzelnen Systemkomponenten der Wasserstrahlschneidemaschinen nicht beschädigen können. Das reduziert den Verschleiß an der Anlage und damit die Betriebskosten. Im Wasser gelöste Stoffe, dazu gehören auch Salz, werden während dieses Arbeitsschritts aus dem Wasser herausgefiltert.

Zur Druckerzeugung verfügen Wasserstrahlschneidemaschinen über leistungsfähige Pumpen. Je nach zu bearbeitendem Material und der Materialstärke ist der Druck unterschiedlich hoch.

Der Schneidstrahl entsteht in einer Düse, deren Durchmesser nicht mehr als 0,1 bis 0,5 Millimeter beträgt. Je feiner die Düse, desto feiner sind die Schnitte. Für reguläre Schnitte und beim Wasserstrahlschneiden von Stahl kommt die 0,5-Millimeter-Düse zum Einsatz.

Welches sind die Alternativen zum Wasserstrahlschneiden?

Bei einigen Materialien ist der direkte Kontakt mit Wasser zu vermeiden. Dafür stehen einige Alternativen zur Verfügung:

  • Beim Laserschneideverfahren kommt gebündelte Lichtenergie zum Einsatz. Der Laser trifft punktuell auf das Material und dieses verdampft an der Stelle. Bei hochwertigen Maschinen sind am Schnittspalt keine Spuren zu sehen. Mit diesem Verfahren sind auch komplexe Schnitte und Schnitte mit sehr spitzen Winkeln möglich. Das Laserschneiden ist eines der präzisesten Schneideverfahren.
  • Das Plasmaschneiden erfolgt mit einem speziellen Gas, das sich bei 30.000 °C in Plasma verwandelt. Die Hitze schmilzt das Material an der Schnittfuge. Mithilfe von Druckluft gelangt das geschmolzene Material aus der Schnittfuge. Das Schneideverfahren erfolgt mit sehr hoher Geschwindigkeit und eignet sich besonders für Stahl, der nicht stärker als 15 Millimeter ist.
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    Beim Plasmaschneiden schmilzt Stahl regelrecht weg.

  • Ein Plotter zertrennt Materialien mithilfe eines Schlepp- oder Tangentialmessers. Die Schneideeinsätze lassen sich austauschen, sodass sich eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten ergibt. Die Anschaffungskosten sind vergleichsweise niedrig. Durch die Fräs- und Schneideinsätze, die regelmäßig zu erneuern sind, entstehen langfristig Kosten. Plotter eignen sich besonders für dünne Materialien, beispielsweise für Folien oder Textilien.