Wasserstrahlschneidemaschine

Der Maschinenrahmen, der meist aus Stahlrohr unterschiedlichen Formats zusammengebaut wird, trägt die einzelnen Achsen der Maschine. Dabei werden die Führungen bei hochwertigen Maschinen spannungsarm geglüht, gefräst, geschliffen oder geschabt. Danach wird mittels eines Laserinterferometers die Geradheit des Rahmens und der Führungsbahnen geprüft. Die Ausrichtung des Rahmens erfolgt über Fixatoren oder Dübelelemente.[3] Standardbauform beim Wasserstrahlschneiden ist die sogenannte Portalbauweise (als Flachbett für Standardaufgaben oder als Hochportalanlage für Werkstücke mit extremen Abmessungen), an dem zwei Achsen ohne Verbindung den Querbalken tragen. Mit diesen Typen lassen sich fast beliebig große Maschinen realisieren (Spannweiten des Portals bis etwa 5000 mm). Bei Portalmaschinen fahren die beiden Führungsachsen in einem sogenannten Gantry-Verbund und sind somit über die CNC-Steuerung gekoppelt (zwei Achsen verhalten sich wie eine einzige). Neben dem Portal existiert noch die Konstruktionsvariante als Tragarm, bei der der Querbalken nur einseitig geführt wird. Diese Bauform ist in der Herstellung günstiger und hat einen Vorteil aufgrund der besonders guten Zugänglichkeit von drei Seiten zum Schneidbereich. Sie war aber lange Zeit technisch der Portalbauweise unterlegen und für das Präzisionsschneiden weniger geeignet, weil die Tragarmbauweise grundsätzlich zum Schwingen neigte. Aktuelle hochwertige Tragarm-Systeme werden mittels FE-Berechnung schwingungstechnisch so steif ausgelegt, dass dieselben engen Toleranzen wie bei einer Portalmaschine erreicht werden.

Die Restenergie des Wasserstrahls, die nach der geleisteten Schneidarbeit verblieben ist, kann auf verschiedene Weise abgebaut werden. Die am häufigsten anzutreffende Variante ist ein Wasserbecken, das als „Strahlfänger“ fungiert. Das Wasserbecken sollte über eine ausreichende Wassersäule von über 600 mm verfügen, damit die Restenergie des Wasserstrahls in Wärme umgewandelt werden kann. Das Wasserbecken sollte ohne mechanische Verbindung zur Führungsmaschine aufgebaut sein, da sich selbst größere Wasserbecken nach einigen Stunden Schneidzeit im zweistelligen Gradbereich erwärmen können. Wenn nun Führungsmaschine und Wasserbecken eine Einheit sind, führt eine solche Erwärmung zu Veränderungen in der Maschinengeometrie. Die Folge sind Geradheitsfehler, Materialausdehnung und somit Ungenauigkeiten bei der Teileherstellung.[3] Abweichungen im Bereich mehrerer Zehntelmillimeter sind nicht unüblich. Die Erwärmung hat allerdings Einfluss auf das Verhalten des Werkstückes und muss gegebenenfalls bei höheren Genauigkeitsanforderungen zeitnah mit eingerechnet werden (Online-CNC-Korrektur).

Neben der Verwendung feststehender Wasserbecken gibt es auch noch eine weitere Variante, den sogenannten „Catcher“, ein fahrbares schmales Wasserfangbecken, das sich synchron zur Bewegung der Schneidachse bewegt. Diese Catcher sind oftmals mit Keramikkugeln gefüllt, die die Restenergie umwandeln sollen. Größter Nachteil dieser Catcher sind extreme Luftschallemission von der nicht wasserbedeckten Oberseite sowie ein hoher Spritzwasseranteil. Infolge wesentlich geringerer Wassermengen im Umlauf ist die Erwärmung im Catcherbetrieb weitaus schneller, jedoch vom Werkstück entkoppelt.

Die Hochdruckpumpe dient zur Erzeugung eines möglichst pulsationsfreien Hochdruckwasserstrahles. Einfachste Ausführungen werden mit Druckluft betrieben, die über einen Druckübersetzer den Hochdruck liefern. Aufgrund des schlechten Wirkungsgrades kommt dies aber nur für Anlagen im Low-End-Bereich zum Tragen. In der Regel werden beim Wasserstrahlschneiden Hochdruckpumpen eingesetzt, die eine Hydraulikeinheit verwenden (der Wirkungsgrad liegt bei ca. 65 %).[3] Diese Einheiten erzeugen ölhydraulisch einen Vordruck von bis etwa 200 bar. Der Druck ist bei besseren Pumpen über ein Proportionalventil beliebig abregelbar. Das komprimierte Öl wird in den Hydraulikzylinder des Hochdruckübersetzers gepumpt. Hier wirkt das Öl auf eine Kolbenstange mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa 20:1 – 40:1 (Hydraulikfläche zur Wasserfläche). Somit lassen sich Drücke bis in den Bereich von etwa 6500 bar erzeugen. Das Hochdruckwasser, das den Hochdruckzylinder verlässt, gelangt in einen sogenannten Pulsationsdämpfer. Hierbei handelt es sich um einen Gashochdruckspeicher, einen „Pufferzylinder“ (meist mit einem oder zwei Liter Volumen), der die Druckschwankungen bei Umkehrung des Hydraulikkolbens dämpfen soll. Je größer die Pufferflasche, desto besser die Schneidleistung und -qualität. HD-Pumpen können über mehrere Hochdruckübersetzer und Pufferflaschen verfügen. Die Leistung heutiger Anlagen liegt zwischen etwa 11 und 149 kW. Die Fördermenge kann bis zu 15,2 Liter pro Minute betragen. Seit neuestem werden Schneidpumpenaggregate eingesetzt, die mittels Plungerpumpen einen Druck von 4100 bar erzeugen. Hierbei kann auf den Umweg über die Hydraulik verzichtet werden. Bei diesen Wasserstrahl-Schneidpumpenaggregaten wird die Hochdruckpumpe direkt angetrieben, so dass ein Wirkungsgrad von über 90 % erreicht wird. Aufgrund der Triplex-Charakteristik ist die Pulsation so gering, dass zusätzlich auf einen Pulsationdämpfer verzichtet werden kann. Im Leistungsbereich können mit dieser Technik bis 750 kW Antriebsleistung umgesetzt und dabei ein Volumenstrom bis zu 100 l/min bei 3800 bar erzeugt werden.

Das mit Schneidmaterial und Abrasivstoffen vermischte Schneidwasser muss aus dem Strahlvernichter entfernt werden. Dies geschieht entweder kontinuierlich durch eine Entsorgung oder in Abständen manuell. Die kontinuierliche Entsorgung besteht entweder aus einem Kratzförderer, der die Schneidmittelreste aus dem Strahlvernichter entfernt, oder aus einem Wasserumlauf, der die Reste aus dem Strahlvernichter aussondert. Das Wasser aus dem Strahlvernichter wird dann gefiltert und dem Schneidbecken wieder zugeführt.

Wasserstrahlschneidanlagen werden durchgängig mit CNC-Steuerungen ausgerüstet. Neben einfachsten Ausführungen, die nur eine Plottersteuerung zulassen, verfügen höherwertige Maschinen über Steuerungen, die sowohl alle Achsen interpolieren als auch eine adaptive Vorschubgeschwindigkeitsreduktion abhängig vom Schneidprozess durchführen können. Hier existiert neben einer CAD-Schnittstelle auch oft eine CAM-Anbindung. Seit einigen Jahren sind auch PC-Steuerungen am Markt, die den Vorteil der leichten Einarbeitung für CNC-unkundige Bediener bieten.