Ist das Wasserstrahlschneiden wirklich langsam? Das ist einer der am häufigsten wiederholten Mythen rund um die Wasserstrahltechnologie. Tatsächlich hängt die Schnittgeschwindigkeit nicht von der Maschine selbst ab, sondern von der richtigen Wahl der Prozessparameter, der geforderten Schnittkantenqualität und der Konfiguration der Anlage. Moderne CNC-Wasserstrahlschneidemaschinen ermöglichen es, ein präzises Gleichgewicht zwischen Durchsatz, Genauigkeit und Produktionskosten herzustellen. In diesem Artikel erläutern wir, wovon die Schnittgeschwindigkeit beim Wasserstrahlschneiden abhängt, welche Parameter den größten Einfluss auf die Prozesseffizienz haben und warum eine gut konfigurierte Wasserstrahlschneidemaschine sowohl äußerst präzise als auch überraschend effizient sein kann.

Inhaltsverzeichnis

Wasserstrahlschneiden – eine Technologie, die Präzision und Effizienz vereint
Warum sagt man, dass das Wasserstrahlschneiden langsam ist?
5 Qualitätsstufen beim Wasserstrahlschneiden – von höchster Präzision bis zum schnellen Zuschnitt
Welche Parameter bestimmen die Schnittgeschwindigkeit beim Wasserstrahlschneiden?
Wasserdruck und Hochdruckpumpe – Energie für den Wasserstrahlschneidprozess
Düsendurchmesser und Wasserstrahl-Schneidkopf – Einfluss auf Genauigkeit und Leistung
CNC-Wasserstrahlmaschinen – CNC-Technologie in der modernen Fertigung
Wasserstrahlschneidemaschine – Auswahl der Anlage für den jeweiligen Einsatzzweck
Anwendungsbereiche des Wasserstrahlschneidens – von Metallen bis zu nichtmetallischen Werkstoffen
Optimierung des Wasserstrahlschneidprozesses anhand von Studien und Fachliteratur
Zusammenfassung – Wasserstrahlschneiden muss nicht langsam sein

Wasserstrahlschneiden – eine Technologie, die Präzision und Effizienz vereint

Ist das Wasserstrahlschneiden langsam? Das ist eine der am häufigsten gestellten Fragen zur Wasserstrahlschneidetechnologie. Über Jahre hinweg wurde dieses Verfahren vor allem mit sehr hoher Qualität in Verbindung gebracht, aber auch mit der Überzeugung, dass Präzision immer mit langen Bearbeitungszeiten und hohen Kosten einhergehen muss.

Tatsächlich zeigen moderne Wasserstrahlsysteme einen ganz anderen Ansatz. Das Wasserstrahlschneiden muss nicht langsam sein – es muss nur richtig geplant werden. Über die Bearbeitungszeit eines Werkstücks entscheiden in erster Linie die Prozessparameter, die richtige Wahl der Schnittqualität und die Maschinenkonfiguration.

Moderne CNC-Wasserstrahlmaschinen ermöglichen es dem Anwender zu entscheiden, ob höchste Kantenqualität, maximale Schnittgenauigkeit oder eine schnelle und wirtschaftliche Materialtrennung Priorität haben. Dadurch findet die Wasserstrahltechnologie sowohl bei der Herstellung präziser Bauteile als auch beim industriellen Zuschnitt großer Stückzahlen Anwendung.

Die wichtigste Frage lautet also nicht: „Ist das Wasserstrahlschneiden langsam?“, sondern: „Wie wählt man die Parameter für das Wasserstrahlschneiden so aus, dass man das beste Ergebnis bei optimaler Produktionszeit und optimalen Kosten erzielt?“

Warum sagt man, dass Wasserstrahlschneiden langsam ist?

Die Wasserstrahlschneidtechnologie nutzt einen sehr dünnen, gebündelten Wasserstrahl unter hohem Druck. Die kinetische Energie des Wassers ermöglicht es, Material ohne Einsatz hoher Temperaturen abzutragen, wodurch der Prozess keine Wärmeeinflusszone erzeugt.

Bei weichen Materialien wird Reinwasserschneiden. Diese Methode eignet sich unter anderem für Kunststoffe, Schaumstoffe, Gummi und ausgewählte Dämmstoffe. Für die Bearbeitung von Metallen und harten Werkstoffen wird hingegen das Abrasivschneiden eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird zusätzlich zum Wasserstrahl ein Schleifmittel eingesetzt, meist Schleifgranulat, das die Effizienz der Materialabtragung erhöht.

Die hohe Genauigkeit dieser Methode ergibt sich aus den Eigenschaften des Verfahrens. Um eine optimale Oberflächenqualität zu erzielen, muss sich der Schneidkopf langsamer bewegen, wodurch der Wasserstrahl präziser auf das Material einwirkt. Dies ermöglicht:

• eine hohe Schnittqualität,

• eine geringere Oberflächenrauheit,

• eine begrenzte Kantenkonizität,

• eine hohe Maßhaltigkeit.

Das bedeutet jedoch nicht, dass jede Anwendung höchste Qualität erfordert. Wenn das Bauteil später geschweißt, geschliffen oder weiterbearbeitet wird, kann eine schnellere Prozesseinstellung wirtschaftlicher sein.

5 Qualitätsstufen beim Wasserstrahlschneiden – von höchster Präzision bis zum schnellen Zuschnitt

Einer der größten Vorteile der Wasserstrahltechnologie ist die Möglichkeit, den Ausführungsstandard zu wählen. Professionelle Systeme ermöglichen den Betrieb in fünf Qualitätsstufen – von Q1, also höchster Genauigkeit, bis hin zu Q5, bei der Geschwindigkeit und Effizienz beim Schneiden des Materials im Vordergrund stehen.

Die höchste Qualitätsstufe Q1 wird bei Bauteilen eingesetzt, die höchste Genauigkeit erfordern. Durch den langsameren Betrieb lassen sich eine sehr glatte Oberfläche, ein minimaler Nachbearbeitungsaufwand sowie eine hohe Maßgenauigkeit erzielen.

Die Stufen Q2 und Q3 sind der am häufigsten gewählte Industriestandard. Sie verbinden hohe Schnittqualität mit guter Prozessleistung. Sie werden häufig in der Serienfertigung eingesetzt, wo ein Kompromiss zwischen Bearbeitungszeit und Kosten wichtig ist.

Die Stufen Q4 und Q5 sind für das schnelle Zuschneiden vorgesehen. Sie kommen zum Einsatz, wenn das Hauptziel darin besteht, das Material zu durchtrennen, und nicht, eine perfekte Oberfläche zu erzielen. Solche Einstellungen eignen sich für Konstruktionselemente, Halbzeuge und Teile, die für die Weiterverarbeitung bestimmt sind.

In der Wasserstrahltechnologie bedeutet die beste Lösung nicht immer die höchste Qualität. Die beste Lösung ist diejenige, die den tatsächlichen Anforderungen der Produktion entspricht.

Welche Parameter bestimmen die Wasserstrahl-Schnittgeschwindigkeit?

Die Wasserstrahl-Schnittgeschwindigkeit ist kein festes, dem Gerät zugeordnetes Wert. Sie ergibt sich aus der richtigen Auswahl zahlreicher Parameter, wie zum Beispiel:

• Materialart,

• Dicke des zu schneidenden Materials,

• erforderliches Qualitätsniveau,

• Wasserdruck,

• Düsendurchmesser,

• Abrasivmittelmenge,

• Geometrie des Werkstücks.

Die richtige Auswahl der Parameter ermöglicht es, die Schneidleistung zu steigern, ohne die Kosten unnötig zu erhöhen.

Wasserdruck und Hochdruckpumpe – Energie für den Wasserstrahlprozess

Das Herzstück jedes Systems ist die Hochdruckpumpe, die für die Erzeugung der für den Wasserstrahl erforderlichen Energie zuständig ist. Moderne, leistungsstarke Hochdruckpumpen arbeiten in der Regel im Bereich von etwa 3000 bis über 6000 bar. Ein höherer Druck erhöht die Energie des Strahls und ermöglicht eine effektivere Bearbeitung härterer Werkstoffe. Eine bloße Druckerhöhung bedeutet jedoch nicht immer eine höhere Wirtschaftlichkeit. Die Effizienz des Prozesses hängt vom Zusammenspiel aller Systemkomponenten ab: Pumpe, Kopf, Düse sowie Steuerungsparameter.

Beliebte Hersteller von Hochdruck-Wasserstrahlpumpen

Auf dem Markt sind mehrere bewährte Marken von Pumpen für CNC-Wasserstrahlmaschinen im Einsatz. Zu den gängigsten gehören:

• KMT Waterjet – einer der beliebtesten Hersteller von Wasserstrahlpumpen, der Lösungen im Bereich von ca. 3800–6200 bar anbietet.
• BFT – ein deutscher Hersteller von Hochdruckpumpen, bekannt für die Serien Servotron und Ecotron.
• Hammelmann – Premium-Lösungen für anspruchsvolle industrielle Anwendungen.
• Flow – Pionier der Wasserstrahltechnologie, Anbieter von Komplettsystemen für das Schneiden.
• OMAX – Hersteller von Wasserstrahlmaschinen mit eigenen technologischen Lösungen.
• ThyssenKrupp UHDE – Hochleistungspumpen für industrielle Wasserstrahlschneidsysteme.
• Resato – Hersteller von Hochdrucktechnologien für die Industrie.

In der Praxis basieren die gängigsten Konfigurationen industrieller Wasserstrahlmaschinen auf Pumpen von KMT-, BFT- und Hammelmann-Pumpen, die je nach erforderlicher Leistung, Materialart und Arbeitsintensität ausgewählt werden.

Düsendurchmesser und Wasserstrahl-Schneidkopf – Einfluss auf Genauigkeit und Leistung

Der Wasserstrahlschneidkopf ist für die präzise Ausrichtung der Energie auf das Material verantwortlich. Seine Konstruktion sowie die verwendete Düse haben direkten Einfluss auf die Qualität und Geschwindigkeit des Prozesses. Ein kleinerer Düsendurchmesser ermöglicht einen dünneren Wasserstrahl und eine höhere Genauigkeit. Er kommt dort zum Einsatz, wo präzises Schneiden von Materialien erforderlich ist. Ein größerer Durchmesser erhöht die auf das Material übertragene Energie, wodurch sich die Leistung bei dickeren Werkstücken verbessern lässt. Durch die richtige Auswahl des Schneidkopfes, z. B. eines 3-Achsen- oder 5-Achsen-Schneidkopfes, lässt sich die Technologie an die jeweilige Produktion anpassen.

Schleifmittelmenge beim Abrasivschneiden – wie lassen sich die Kosten optimieren?

Beim Abrasivschneiden ist die Menge des verwendeten Schleifmittels von enormer Bedeutung. Ein automatisches Schleifmittelzufuhrsystem ermöglicht einen stabilen Betrieb und die Kontrolle der Betriebskosten. Eine zu geringe Schleifmittelmenge kann die Effizienz des Prozesses beeinträchtigen, während eine zu große Menge die Kosten erhöht, ohne die Geschwindigkeit nennenswert zu steigern. Die Optimierung besteht daher darin, den Punkt zu finden, an dem der Wasserstrahl das beste Verhältnis zwischen Qualität, Geschwindigkeit und Kosten gewährleistet.

Vorschubgeschwindigkeit und hohe Schnittpräzision

Die Verfahrgeschwindigkeit des Schneidkopfes ist einer der wichtigsten Parameter, die das Endergebnis beeinflussen. Ein schnellerer Durchlauf verkürzt die Produktionszeit, kann jedoch zu einer höheren Rauheit und einer Verschlechterung der Kantenqualität führen. Langsamere Einstellungen gewährleisten hingegen eine höhere Genauigkeit. Deshalb ermöglichen moderne Schneidsysteme eine individuelle Anpassung der Parameter an jedes einzelne Werkstück.

CNC-Wasserstrahlmaschinen – CNC-Technologie in der modernen Fertigung

Moderne CNC-Wasserstrahlmaschinen ermöglichen eine vollständige Prozesskontrolle. Die automatische Steuerung ermöglicht es, die Schnittbahn zu optimieren, den Verschnitt zu reduzieren und die Wiederholgenauigkeit zu erhöhen.

Eine professionelle Wasserstrahlschneidemaschine kann ausgestattet sein mit:

• 3-Achsen-Schneidköpfen,

• 5-Achsen-Schneidköpfen,

• Lasersensor,

• automatische Abrasivmittel-Zuführsysteme,

• Wanne – auch Schneidetisch genannt. 

Ein wesentlicher Bestandteil ist zudem die CNC-Technologie sowie die Programmierung der Schneidemaschinen. Systeme wie Igems und Finest Cut ermöglichen die Erstellung effizienter Bearbeitungsprogramme für die Einzel- und Serienfertigung.

Wasserstrahlschneidemaschine – Auswahl des Geräts für den jeweiligen Anwendungszweck

Die Wahl der geeigneten Maschine hängt in erster Linie von der Art der Produktion, den Materialien und der erforderlichen Genauigkeit ab.

Eine professionelle Wasserstrahlschneidemaschine kann sowohl präzise Teile als auch schnelle industrielle Zuschnitte realisieren. Von entscheidender Bedeutung sind:

• der Arbeitsbereich des Tisches,

• die Pumpenleistung,

• die Konfiguration des Schneidkopfes,

• das Steuerungssystem,

• die Qualitätsanforderungen.

Anwendungen des Wasserstrahlschneidens – von Metallen bis hin zu nichtmetallischen Werkstoffen

Die Wasserstrahltechnologie ermöglicht das Schneiden verschiedener Materialien und findet in vielen Industriezweigen Anwendung.

Die Bearbeitung von Aluminium, Titan, Kupfer, Messing und Bronze ist in vielen Industriebetrieben Standard. Die Technologie eignet sich ebenso gut für die Bearbeitung von Granit, Marmor, Stein, Glas, Porzellan, Keramik und Quarz. Waterjet wird auch bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen, Acryl, Plexiglas, Kunststoffen, weichen Materialien und Holz eingesetzt.

Dadurch findet das Wasserstrahlschneiden Anwendung in der Automobilindustrie, der Luftfahrt, der Rüstungsindustrie, im Maschinenbau sowie in der Serienfertigung.

Optimierung des Wasserstrahlverfahrens gemäß Forschungsergebnissen und Fachliteratur

Themen rund um die Wasserstrahltechnologie werden in der Literatur zum abrasiven Wasserstrahlschneiden (AWJ) ausführlich behandelt. Die Veröffentlichungen von A. W. Momber und R. Kovacevic „Principles of Abrasive Water Jet Machining“ sowie die Untersuchungen von M. Hashish zur Modellierung des Wasserstrahlschleifprozesses zeigen, dass die Effizienz des Verfahrens von der Wechselwirkung der Parameter abhängt.

Untersuchungen zeigen, dass eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit die Prozessdauer verkürzt, jedoch die Oberflächenqualität beeinträchtigen kann. Die Erhöhung der Abrasivmenge hingegen verbessert die Effizienz nur bis zu einem bestimmten Grad. Die besten Ergebnisse werden durch eine gezielte Anpassung der Parameter an die jeweilige Anwendung erzielt.

Zusammenfassung – Wasserstrahl muss nicht langsam sein

Das Wasserstrahlschneiden ist keine „kostenlose“ Technologie. Es ist eine flexible Technologie, die es ermöglicht, Qualität, Zeit und Produktionskosten zu kontrollieren. Durch die richtige Wahl der Qualitätsklasse Q1–Q5, des Wasserdrucks, des Düsendurchmessers, der Abrasivmittelmenge und der Vorschubgeschwindigkeit lässt sich genau das gewünschte Ergebnis erzielen.

Quelle: Momber A. W., Kovacevic R., Principles of Abrasive Water Jet Machining, Springer, 1998; Hashish M., Untersuchungen zur Modellierung des Abrasive-Water-Jet-Machining-Prozesses (AWJ), ASME Journal of Engineering Materials and Technology, 1984, 1989.