Wasserstrahlschneiden

Eine Wasserstrahlschneidemaschine ist eine Werkzeugmaschine zum Trennen von Materialien mittels eines Hochdruckwasserstrahles.

Verfahren und Anwendung

Prinzip

Beim Wasserstrahlschneiden wird das zu bearbeitende Material durch einen Hochdruckwasserstrahl getrennt. Dieser Strahl hat einen Druck von bis zu 6000  bar – wobei aus wirtschaftlichen Gründen in der Regel zwischen 3200 und 3800 bar geschnitten wird. Es werden Austrittsgeschwindigkeiten bis zu 1000 m/s erreicht. Das Schneidgut erwärmt sich dabei kaum. Durch den hohen Druck ist das Schneidwasser keimfrei (Hochdrucksterilisation). Bedingt durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit des Wassers entsteht beim Schneiden ein Schalldruck von bis zu 130 dB. Durch Schneiden unter Wasser, etwa durch Erhöhung des Wasserspiegels im Strahlfänger, kann die Schallemission bedeutend reduziert werden. Man unterscheidet zwischen Reinwasserschneiden und Abrasivschneiden, wobei beim zweiten Verfahren ein Schneidmittel (Granat, Korund, etc.) beigemischt wird.

Fast alle Materialien, angefangen beim Schaumstoff bis hin zum Saphir, lassen sich mit einem Wasserstrahl schneiden. Schwerpunkte sind die Kunststoff-, Metall-, Leder- und die Steinbearbeitung. Die Genauigkeiten bezüglich Bearbeitungslänge liegt bei 0,005 mm/m.

Druckaufbau

Das Herz des Systems ist die Ultra-Hochdruckpumpe. In dieser Pumpe wird die Energie vom Öl des Hydrauliksystems auf den Wasserstrahl umgeladen. Dabei drückt das Öl auf einen grossen Kolben, an dessen andern Ende ein kleiner Druckstempel angebracht ist. Grenzt man diesen Doppelkolben zusammen mit dem benachbarten Wasser und Öl gegen die Umgebung ab, kann unter Vernachlässigung der Reibung eine einfach Energiebilanz aufgestellt werden. Der ölseitig zufliessende Energiestrom muss gleich dem wasserseitig abfliessenden Energiestrom sein

[math]I_{W1}=p_1I_{V1}=p_2I_{V2}=I_{W2}[/math]

Der durch die beiden Systemgrenze tretende Volumenstrom ist - unter der Annahme, dass sich beide Flüssigkeiten inkompressibel verhalten - gleich Geschwindigkeit des Kolbens (v) mal die entsprechende Querschnittfläche (A)

[math]p_1I_{V1}=p_1 A_1 v=p_2 A_2 v=p_2I_{V2}[/math]

also gilt

[math]p_1 A_1=p_2 A_2[/math]

Das gleiche Resultat gewinnt man mittels einer Impulsbilanz bezüglich des Doppelkolbens. Vernachlässigt man die Reibung der Dichtungen und nimmt man an, dass zwischen den Dichtungen Vakuum herrscht, fliesst ein Impulsstrom vom Wasser in den Kolben hinein. Dieser Impuls strömt dann verlustfrei gegen den Stempel und danach ans Wasser weg

[math]F_1=p_1A_1=p_2A_2=F_2[/math]

Weil eine Oberflächenkraft eine Impulsstromstärke bezüglich eines vorher ausgewählten Systems ist, wird hier die Stärke des Impulssromes mit F bezeichnet.

Energie

In der Austrittsdüse wird die Energie auf den Impuls umgeladen. Nimmt man die Düse als Bilanzgebiet, wird auf der Hochdruck-Seite die Energie hydraulisch zugeführt. Der frei Wasserstrahl nimmt diese Energie in Form von kinetischer Energie mit. Die zugehörige Stromstärke ist gleich Dichte der kinetischen Energie mal Volumenstromsärke. Maximal führt der Wasserstrahl gleich viel Energie weg, wie hydraulisch zugeführt wird

[math]I_{W2}=p_2A_2=\rho_WI_V=\frac{\rho}{2}v_S^2I_V=I_{W3}[/math]

Somit gilt

[math]v_S=\sqrt{\frac{2p_2}{\rho}}[/math]

Impuls

Im Idealfall bleibt die Energie längs der Düse erhalten (sie wir nur vom Volumen auf den Impuls umgeladen). Der Impuls muss dagegen von der Umgebung aufgenommen werden. Die Stärke des vom Wasserstrahl transportierten Impulsstromes ist gleich Impulsdichte mal Volumenstromstärke

[math]I_p=\rho_pI_V=\rho v_S I_V=\rho v_S^2 A_2[/math]

Dieser Impulsstrom fliesst dann beim Schneiden zum grösseren Teil ans Werkstück ab.