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Wasserstrahltechnologie

Reinwasserstrahlen werden durch den Einsatz von Hochdruckwasserpumpen erzeugt. Dabei wird die Druckenergie in einer kleinen Düse in kinetische Energie umgewandelt (Fig. 1-links), um einen Hochgeschwindigkeitsstrahl mit Geschwindigkeit von mehreren Hundert Metern pro Sekunde zu erzeugen.

Beim Wasserabrasivstrahlschneiden (WAS-Schneiden) wird zwischen zwei Verfahrensprinzipien (WAIS und WASS) unterschieden, wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt sind. Die Verfahren unterscheiden sich dabei in ihrer Strahlerzeugung und Strahlzusammensetzung.

 

Fig. 1: Prinzipskizzen verschiedener Wasserstrahlverfahren

Die Hauptkomponente des WAIS-Verfahrens ist ein Abrasivstrahlkopf. In diesem werden in einem ausgeprägten reinen Wasserstrahl Feststoffpartikel zugemischt. Der in der Wasserdüse beschleunigte Wasserstrahl erzeugt in der Mischkammer einen Unterdruck und ermöglicht so einen pneumatischen Transport des Abrasivmittels, welches unter atmosphärischem Druck in einem Abrasivmittelreservoir gelagert wird. Das Abrasivmittel wird anschließend in einer Fokussierdüse beschleunigt und gebündelt.

Der entstehende Strahl besteht aus drei Phasen: Wasser, Abrasivmittel und Luft, wobei die Luft volumenbezogen mit rund 90 % den größten Anteil hat.

Zur Druckerzeugung werden hauptsächlich Druckverstärker eingesetzt. Dieses Verfahren mit einem Druck von 400 MPa ist derzeit Stand der Technik und erfreut sich einer zunehmenden Verbreitung in der industriellen Fertigungstechnik. Erste kommerzielle Anlagen arbeiten bereits mit Drücken bis zu 600 MPa.

Beim WASS-Verfahren wird hauptsächlich das Bypass-Prinzip eingesetzt (Fig. 1-rechts), das eine Regulierung des Abrasivmassenstroms während des Schneidbetriebes zulässt und wirtschaftlich gesehen Verwendung in der Zerlegetechnik findet. Hierzu befindet sich das Abrasivmittel in einem Vorratsbehälter als hochkonzentrierte Suspension innerhalb des Druckkreislaufs. Das Wasser wird über eine Zuleitung von einer Plungerpumpe in den Mischbereich transportiert, der aus einem Bypass, einer Hauptleitung, einem Vorratsbehälter und einem Mischstück besteht. Das Wasser teilt sich in Bypass- und Hauptstrom auf, wobei das Verhältnis der beiden Ströme über ein Regelventil im Bypass gesteuert wird. Die Menge des durch den Bypass fließenden Wassers steuert die Menge der aus dem Vorratsbehälter ausgetragenen, hochkonzentrierten Suspension. In dem über dem Vorratsbehälter befindlichen Mischstück findet eine Vermischung von Hauptstrom und hochkonzentrierter Suspension statt. Über Transportleitungen, die sowohl aus Rohren als auch Hochdruckschläuchen bestehen können, wird die Suspension zu einer Düse transportiert. Der dort beschleunigte Suspensionsstrahl besteht nur aus Wasser und Abrasivmittel.

Wichtige Vorteile des WASS Verfahrens gegenüber dem WAIS-Verfahren sind:

  • höhere Effizienz im Beschleunigungsprozess des Abrasivmittels, d.h. größere Kerbtiefe bei gleicher hydraulischer Leistung, 
  • höhere Strahlstabilität, wichtig u.a. beim Schneiden unter Wasser 
  • große Entfernungen zwischen der Erzeugung und dem Einsatz der Suspension (Düse) über Schlauchleitungen und somit Platzierung von Hochdruckpumpe und Mischstation außerhalb des Kontrollbereichs, 
  • nasses Zuführen des Abrasivmittels. Im Falle eines Recycling des Abrasivmittels ist somit kein Trocknen nötig. 

Die Nachteile des WASS Verfahrens gegenüber dem WAIS-Verfahren sind:

  • höherer apparativer Aufwand durch druckseitige Zumischung des Abrasivmittels, 
  • längere Schaltzeiten, durch ein Nachlaufen der Suspension aus dem Abrasivbehälter, 
  • diskontinuierlicher Betrieb. Der Abrasivbehälter muss im drucklosen Zustand befüllt werden. 

Anwendungsgebiete

Reinwasserstrahlen:

  • Reinigen 
  • Entschichten 
  • Selektives Abtragen 
  • Schneiden von weichen Werkstoffen (Papier, Schaumstoff, Teppich, Leder, Lebensmittel u.s.w.)

Wasserabrasivstrahlen:

  • Schneiden fast aller Werkstoffe (Stein, Metalle, Verbundwerkstoffe, Glas, Keramiken u.s.w.) 
  • Drehen, Abtragen, Konturschnitte 
  • Einsatz in der Fertigungstechnik und im Rückbau 
  • Einsatz in der Medizintechnik 
  • Unterwassereinsatz 
  • Entschärfen von Bomben, Minen, Einsatz im Ex-Bereich (nur WASS)

      

Selektives Abtragen
Einsatz in der Medizintechnik
Schnitt in einem Förderband
Drehen von Glas

Vorlesung und praktische Übungen

Im Rahmen der Vorlesung "Verfahren der Schweiß- und Schneidtechnik" (Dr.-Ing. Thomas Hassel) werden Studenten neben theoretischen Kenntnissen in regelmäßigen Abständen auch praktische Erfahrungen in Form von Übungen vermittelt. Hier ist auch das seit mehr als 30 Jahren bestehende Wasserstrahllabor Hannover seit mehreren Jahren fester Bestandteil. Ein Beispiel ist der im folgenden Video abgebildete Versuchsstand, welcher Studenten die Restenergie nach erfolgtem Reinwasserstrahlschnitt verdeutlichen soll.

 

 

Arbeitskreis Wasserstrahltechnologie

Seit 1991 wird von der Fachgruppe Wasserstrahl Labor Hannover der Arbeitskreis Wasserstrahltechnologie ausgerichtet, um die Anwendung der Wasserstrahlen in Industrie und Entwicklung zu fördern. Dieses Ziel soll durch einen intensiven Informationsaustausch zwischen Herstellern von Anlagen und Komponenten, Anwendern und Forschungsinstituten erreicht werden. Jedes Jahr finden zwei Treffen statt, von denen das Erste traditionell am Institut für Werkstoffkunde und das Zweite bei einem Mitglied ausgerichtet wird. Aktuell sind mehr als 120 Firmen, Einzelpersonen und Forschungsinstitute aus 9 Ländern Mitglied im AWT.
Weitere Informationen stehen Interessierten unter www.awt-forum.com. zur Verfügung.

Fig. 2: AWT-Mitglieder nach Herkunftsländern