Wasserstrahlschneiden: Verfahrensmöglichkeiten und Vergleich mit alternativen industriellen Trennverfahren
©2011
Bachelorarbeit
45 Seiten
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit richtet sich an die an industriellen Trennverfahren interessierte Öffentlichkeit mit technischem Verständnis bzw. Grundwissen. Im Speziellen kann sie Mitarbeitern der Beschaffung und des Qualitätsmanagements als Hilfestellung zu einer möglichen Qualitäts- und Kostenoptimierung durch Vergleich der Verfahren dienen. 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.
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
4.3
Mikro-Wasserstrahlschneiden ... 18
4.4
Vor- und Nachteile ... 20
4.5
Exkurs: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ... 21
4.6
Anwendungsgebiete ... 22
4.6.1 Gängige Anwendungsgebiete ... 22
4.6.2 Spezielle Anwendungsgebiete
...
22
4.6.3 Neue Anwendungsgebiete
...
23
4.7
Vergleich der Wasserstrahl-Schneidverfahren ... 24
4.7.1 Reinwasserstrahlschneiden und Abrasivschneiden ... 24
4.7.2 Wasserstrahlschneiden und Mikro-Wasserstrahlschneiden ... 25
4.7.3 Résumée
... 26
5
Vergleich: Wasserstrahlschneiden und Trennverfahren durch Abtragen27
5.1
Wasserstrahlschneiden und CM/ECM ... 27
5.2
Wasserstrahlschneiden und thermisches Abtragen ... 28
5.3
Résumée ... 29
6
Potentiale/Ausblick ... 30
6.1
Wasserabrasiv-Suspensionsstrahlschneiden ... 30
6.2
Mikro-Wasserstrahlschneiden ... 30
6.3
Mobiles Wasserstrahlschneiden ... 31
Literaturverzeichnis ... 32
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Strömungsgeschwindigkeit nach Venturi ... 9
Abb. 2: Prinzip einer Anlage zum Wasserabrasivstrahlschneiden ... 13
Abb. 3: Reinwasserstrahlschneiden ... 15
Abb. 4: Wasserabrasiv-Injektorstrahlschneiden ... 16
Abb. 5: Wasserabrasiv-Suspensionsstrahlschneiden ... 1
8
Abb. 6: Musterteile Mikro-Wasserstrahlschneiden ... 19
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Einsatzmöglichkeiten eines Hochdruckwasserstrahls ... 3
Tab. 2: Vergleich Reinwasserstrahlschneiden Abrasivschneiden ... 24
Tab. 3: Vergleich Wasserstrahlschneiden Mikro-Wasserstrahlschneiden ... 25
Tab. 4: Vergleich der Trennverfahren ... 28
Formelverzeichnis
Formel 1: Kontinuitätsgesetz ... 8
Formel 2: Kontraktionsziffer... 9
Formel 3: Strahlgeschwindigkeit ... 9
Formel 4: Geschwindigkeitsziffer ... 10
Formel 5: Düsenziffer ... 10
Formel 6: Wasservolumenstrom ... 10
Formel 7: Hydraulische Leistung ... 11
Abkürzungsverzeichnis
CAD Computer-Aided
Design
CM
Chemical Machining
ECM
Electro Chemical Machining
EDM
Electro Discharge Machining
WAIS Wasserabrasiv-Injektorstrahlschneiden
WASS Wasserabrasiv-Suspensionsstrahlschneiden
WSS Reinwasserstrahlschneiden
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 je-
des dieser Verfahren nur für einen bestimmten Einsatzbereich oder bestimmte Ma-
terialien möglich. Dabei gewinnt das Wasserstrahlschneiden nicht nur als umwelt-
freundliches Trennverfahren immer mehr an Bedeutung, sondern stellt durch seine
Flexibilität und seine vielfältigen Einsatzmöglichkeiten auch eine geeignete Alterna-
tive 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 Kennt-
nis 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.
1
2 Wasserstrahl-Bearbeitungsverfahren
Wasser unter Druck wird in der industriellen Fertigung für verschiedene Zwecke
eingesetzt. Die Wasserstrahl-Technologie ist dort inzwischen nicht mehr wegzuden-
ken 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 Be-
deutung, da es eine direkte und staubfreie Konkurrenz zum Sandstrahlen dar-
stellt. 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, gegosse-
nen Geometrien eingesetzt, kann der Wasserstrahl sowohl selbständig dem Strö-
mungskanal folgen, als auch durch Schläuche an die zu bearbeitenden Stellen her-
angeführt 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
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.
2
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.
Hochdruckwasserstrahlbearbeitung
Wasser-
strahlen
Gussputzen
Entgraten
Schneiden
Druck-
bereich
>350 bar
80 700 bar
200 1000 bar
>1000 bar
(ab 450 bar -
Suspensions-
schneiden)
Anwendung
Säubern von
Oberflächen
aller Art
Kern- und Form-
reste komplexer
Geometrien
beseitigen
Schwer zugäng-
liche Bearbei-
tungsgrate ent-
fernen
zB Faserver-
bundwerkstoffe,
Kunststoffe,
Dämmstoffe, Tex-
til, Steine,...
Vorteile
Entfernen von
Flugrost, Be-
schichtungen,
Korrosionszel-
len
Staubfrei, kurze
Bearbeitungs-
zeit, beschädi-
gungsfrei, flexi-
bel einsetzbar
Kurze Bearbei-
tungszeit,
gleichzeitige
Reinigung, flexi-
bel einsetzbar,
automatisierbar
Staubfrei, kalter
Schnitt, geringe
Schnittkraft,
schmale Trennfu-
ge, beliebige
Schnittrichtung
Verfahrens-
grenzen
Toträume
Toträume
Werkstofffestig-
keit, Gratdicke
Werkstofffestig-
keit, Schnitttiefe,
Schnittqualität
Tab. 1: Einsatzmöglichkeiten eines Hochdruckwasserstrahls
5
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.
3
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 be-
zieht sich sowohl auf das Entfernen von Werkstoffschichten, als auch auf das Ab-
trennen 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 aufge-
löst. Ein Beispiel dafür ist das Ätzen von Glas. Als Ätzmittel wird hierbei Fluorwas-
serstoff verwendet. Dieses Verfahren dient zur Vorbereitung des Untergrundes für
beispielsweise Beschriftungen.
8
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.
4
Thermisch-chemisches Entgraten
Das Werkstück wird in eine Entgratkammer gegeben und Sauerstoff und Brenngas
(Erd-gas, Methan oder Wasserstoff) zugeführt. 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
9
Vgl.: Grote, Karl-Heinrich/Feldhusen, Jörg (2007): Dubbel. Taschenbuch für den Maschinenbau. 22. Auflage. Berlin Heidel-
berg 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.
5
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 an-
gelegt. Dadurch wird das Material des Werkstückes in einem kleinen Bereich auf-
geschmolzen, die Schmelze verdampft explosionsartig und die entfernten Partikel
werden vom Dielektrikum abtransportiert.
12
Laserstrahlschneiden
Beim Schneiden bzw. Abtragen mittels Laser wird die gebündelte Photonenstrah-
lung 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
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.
6
Plasmaschneiden
Ein Plasmastrahl wird über das Werkstück geführt und überträgt dabei seine kineti-
sche und thermische Energie, sodass der Werkstoff im Bereich der Schnittfuge ge-
schmolzen 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
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.
7
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Erstausgabe
- Jahr
- 2011
- ISBN (eBook)
- 9783958209015
- ISBN (Paperback)
- 9783958204010
- Dateigröße
- 4.6 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Campus02 Fachhochschule der Wirtschaft Graz
- Erscheinungsdatum
- 2015 (Oktober)
- Note
- 1
- Schlagworte
- wasserstrahlschneiden verfahrensmöglichkeiten vergleich trennverfahren
