Fertigungsprozesse

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Fertigungsprozesse

• Wasserstrahlverfahren
• Prof. Dr.-Ing. Udo Behmer
• Verbundstudium TBW / FH SWF

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Wasserstrahlverfahren

• Entwicklung der Wasserstrahltechnik
• Verfahrensgrundlagen
• Komponenten und Anlagen für die
  Wasserstrahltechnik
• Technologie des Wasserstrahlschneidens
• Anwendung der Wasserstrahlverfahren

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Entwicklung der Wasserstrahltechnik

• erosive Wirkung des Wassers in der Natur bekannt
• bereits in den ersten Jahren des letzten
  Jahrhunderts Nutzung der Spülwirkung des Wassers
• in den 20er Jahren Einsatz von Wasser unter hohem
  Druck (ca. 100 bar) zum Putzen von Gussstücken
  sowie im Bergbau zum herauslösen der Kohle in
  steiler Lage
• Mitte des letzten Jahrhunderts waren die
  wichtigsten Einsatzgebiete das Entzundern in
  Walzwerken sowie Reinigungsmaßnahmen vor allem in
  der chemischen Industrie
• technische Weiterentwicklungen im Pumpenbau
  machen erweiterte Einsatzbereiche möglich
• in den 70er Jahren erweiterter Einsatz durch
  abrasive Zusatzstoffe zum Reinigen und Trennen
• 1968 in den USA erstes Konzept für ein
  Hochdruck-Wasserstrahl-Schneidsystem patentiert
  (Druck bis 70 MPa vorgesehen)
• heute Einsatz von Hochdruckwasserstrahlen bis
  4000 bar (400 MPa)

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Anwendungsbereiche der Wasserstrahltechnik

• Lohnfertigung Schneiden von Konturen mit reinem
  Wasserstrahl oder Wasser-Abrasivstrahl in jedem
  Material und beliebiger Form in 2D oder 3D
• Metallindustrie Bearbeitung von Stahl,
  Edelstahl, Aluminium und Buntmetallen
• Luft- und Raumfahrtindustrie Bearbeitung von
  Verbundwerkstoffen (Kevlar, GFK/CFK etc.),
  Aluminiumlegierungen, Edelstahl und Titan
• Automobilindustrie Türverkleidungen,
  Armaturenbretter, Stoßstangen und Autohimmel
• Dichtungsindustrie Schneiden aller Arten von
  Dichtungsmaterialien
• Stein- und Keramikindustrie Einlegearbeiten,
  Treppen, Bordüren, Waschtische aus Marmor,
  Granit, Keramik und andere Materialien
• Papier-, Vliesstoff- und Verpackungsindustrie
  Kanten-, Quer- und Längsschneiden von
  beschichtetem Papier, Wellpappe, Vliesstoffe
• Lebensmittelindustrie Schneiden, Teilen und
  Portionieren von Lebensmitteln
• Reinigungsstrahlen in den unterschiedlichsten
  Bereichen

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Anwendungsbeispiele Wasserstrahlschneiden
Quelle Flow Europe GmbH
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Wirkung des Wasserstrahls
Quelle Dürr
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Komponenten einer Wasserstrahl-Schneidanlage
Quelle Hauss
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Plungerpumpe
für relativ niedrigen Pumpendruck aber hohe
Fördermengen, z.B. bei Reinigungsaufgaben
Quelle Dürr
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Hochdruckpumpe - Druckübersetzerprinzip
4000 bar
200 bar
Quelle Hauss
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Schneidköpfe zum Wasserstrahlschneiden
reiner Wasserstrahl- Schneidkopf
Abrasiv-Wasser- strahl-Schneidkopf
Abrasivmittelmenge ca. 15-30 kg/h
Quelle Trumpf
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Abrasiv-Wasserstrahl-Schneidkopf
Quelle Hauss
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Hochdruck-Wasserdüse

• Wasserstrahldurchmesser ca. 0,08 1,2 mm
• Material der Düse überwiegend Saphir
• Wasseraustrittsgeschwindigkeit ca. 900 m/s
• Abrasivdüsendurchmesser ca. 0,8 1,2 mm
• Abrasivdüsenlänge ca. 40 80 mm (Hartmetall)
• Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstück ca. 1
  2 mm

Quelle König
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Einstechen beim Wasserstrahlschneiden
stehender Schneidkopf
kreisender Schneidkopf
hin und her bewegter Schneidkopf
Quelle Trumpf

• Verringerung des Staudrucks
• Verringerung der Reflexion des Wasserstrahls
  (u.U. Düsenbeschädigung)
• Verringerung der Gefahr der Schichtablösung /
  Delamination

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Einstechen beim Wasserstrahlschneiden
mit mechanischem Bohrkopf
Quelle Hauss
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Wasser-Abrasivstrahl- schneidprozess
Schneidrichtung
Phase 1
Phase 2
Phase 3
Quelle Hauss
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Schnittfläche beim Wasserstrahlschneiden
charakteristisches Riefenmuster -
Glattschnittzone- Restfläche
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Schnittspalt beim Wasser- Abrasivstrahlschneiden
Quelle Trumpf
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Schnittflächenqualität beim Wasser-Abrasivstrahlsc
hneiden
Trennschnitt möglichst schnell, Qualität
von untergeordneter Bedeutung
Qualitätsschnitt gute Qualität,
wirtschaftlicher Abrasivmittel- und
Wasserverbrauch
Feinschnitt höchste Qualität, hoher
Abrasiv- mittel und Wasserverbrauch
Quelle Trumpf GmbH
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Schnittflächenqualität beim Wasser-Abrasivstrahlsc
hneiden
Quelle Hauss
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Vorschubgeschwindigkeiten beim Wasser-Abrasivstrah
lschneiden
Quelle König
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Eckenfehler beim Wasserstrahlschneiden
Nase Kerbe Auswaschung
Zu hoheGeschwindigkeitan der Ecke
Zu hoheBeschleunigungan der Ecke
Zu niedrigeGeschwindigkeitan der Ecke
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Vor- und Nachteile des Wasserstrahlschneidens

• Vorteile des Wasserstrahlschneidens
• fast alle Materialien schneidbar (Metalle bis 100
  mm und Weichstoffe bis 300 mm Materialdicke
• geringe mechanische Belastung des Werkstoffes
• keine thermische Werkstoffschädigung bzw.
  beeinflussung
• schmale Schnittfuge
• geringer Werkzeugverschleiß (Anlagenkomponenten)
• hohe Präzision mit einer Toleranz von 0,1 mm
• keine Nachbearbeitung der Schnittkanten
• hohe Flexibilität und Teilevielfalt in der
  Geometrie
• Schneiden in alle Richtungen
• Bearbeiten von Material auch in
  explosionsgefährdeten Bereichen
• keine Freisetzung gesundheitsschädigender Stoffe
  wie Rauch oder Gas
• Nachteile des Wasserstrahlschneidens
• evtl. Korrosionsgefahr
• rel. Geringe Schneidgeschwindigkeiten
• rel. starke Geräuschbildung (ca. 90 dB)

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Anwendungsgebiete des Hochdruckwasserstrahl
lt
Quelle Fritz, König
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Einsatzgebiete des Wasserstrahlschneidens

• reines Wasserstrahlschneiden
• Textilien, Leder
• Schaumstoff
• Zellstoff
• Wellpappe und Pappe
• Faserverbundwerkstoffe
• Lebensmittel
• Wasser-Abrasivstrahlschneiden
• Gestein, technische Keramiken
• alle Metalle, u.a. auch hochfeste und
  schwerzerspanbare Legierungen (Titan,
  Nickelbasislegierungen)
• Glas (einzige Ausnahme gehärtetes Glas)
• Kunststoffe
• Verbundwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe und
  Laminate
• Sandwich Materialien
• organische Materialien

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Wasserstrahlschneiden von Faserverbundwerkstoffe
Helmvisier
Faserverbundplatte
Quelle Flow Europe GmbH
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Wasserstrahlschneiden in der Metallbearbeitung und
Dichtungsindustrie
wasserstrahlgeschnittene Aluminiumplatte mit
hitzeempfindlicher Lötschicht und Kunststoff-Schut
zfolie
wasserstrahlgeschnittene Dichtung
wasserstrahlgeschnittenes Titanbauteil aus der
Luft- und Raumfahrttechnik
Quelle Hauss
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Wasserstrahlschneiden im Lebensmittelbereich
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Wasserstrahlschneiden in der Zellstoffindustrie
mit Wasserstrahl geschnittene Wellpappe
herkömmlich (mechanisch) geschnittene Wellpappe
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Wasserstrahlschneiden von Glas und Stein bzw.
Keramik
wasserabrasivgeschnittener Glasblock
Einlegearbeit in Keramik
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Reinigung mit Hochdruck-Wasserstrahl

• Reinigung von Schiffskörpern
• Reinigung von Produktionsanlagen
• Reinigung von Transporthalterungen in der
  industriellen Lackiertechnik
• Reinigung von Druck- und Prägewalzen
• Abtragen von Reifenabrieb auf Flughafenbahnen
• Betonsanierung
• lösungsmittelfreie Entlackung von Flugzeugen
• ...

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Verbrauch und Kostenaufteilung beim Wasser-Abrasiv
strahlschneiden

• Anhaltswerte für den Verbrauch
• Wasser 1,5 l/min
• Energie 20-25 kW/h
• Abrasivmittel 250-300 g/min
• Schlammentsorgung 250-300 g/min

Kostenaufteilung
Quelle Hauss
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Filme zur Wasserstrahlbearbeitung

• Wasserstrahl-Schneidanlage Fa. Trumpf
• Fernsehausschnitt Galileo Pro 7
• Wasserstrahltechnik Fa. Flow Europe
• Wasserstrahltechnik Fa. Innomax
• Fernsehausschnitt Hannover Messe