Filigranste Teile aus Hochleistungswerkstoffen – hier Karbon – können mit einem neuartigen NC-Bearbeitungszentrum noch effizienter mit einem Wasser-Abrasivmittel-Strahl geschnitten werden. (Bild: alle TU Chemnitz/Katja Klöden)
Schon seit den 1990er Jahren wird die Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahltechnologie wegen ihrer großen Schneidleistung bei der Erdölgewinnung, dem Rückbau von Kernkraftwerken und der Kampfmittelbeseitigung eingesetzt. Bei der Suspensionsstrahl-Technologie wird das Abrasivmittel direkt im Hochdruckbereich zugegeben. Um diese Technologie für den Maschinenbau nutzen zu können, entwickeln Forscher der TU Chemnitz ein neuartiges NC-Bearbeitungszentrum mit hoher Positioniergenauigkeit unter deutlicher Steigerung der Schnittqualitäten. „Diese Weiterentwicklung der Suspensionsstrahltechnik und der Maschine erhöhen die Effizienz und Strahlstabilität und ermöglicht bisher nicht umsetzbare Bearbeitungen, wie den Beschnitt von technischen Keramiken“, berichtet Dr. Martin Dix, Abteilungsleiter der Lehr- und Forschungsgruppe Fertigungstechnik/Spanen an der Professur Werkzeugmaschinen und Umformtechnik.
Vorteile der Suspensionsstrahl-Technologie
Für die industrielle Teilefertigung kommt im Bereich Wasserstrahlschneiden bisher ausschließlich das Injekorstrahlverfahren zum Einsatz, bei dem das Abrasivmittel erst nach der Strahlerzeugung angesaugt wird. „Durch die Spezifikation des Strahlerzeugungsprinzips setzt sich der Strahl hierbei aus 90 Prozent Luft, neun Prozent Wasser und einem Prozent Abrasivmittel zusammen“, erläutert Projektleiter Markus Dittrich von der TU Chemnitz. Zudem treten bei der Beschleunigung der quasi stehenden Abrasivpartikel durch den Hochgeschwindigkeits-Reinwasserstrahl signifikante energetische Verluste auf. „Wir sprechen hierbei von einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades um circa ein Drittel allein bei der Partikelbeschleunigung“, präzisiert Dittrich.
Beim Suspensionsstrahlverfahren wird hingegen das Abrasivmittel mit dem Wasser vorgemischt und anschließend gemeinsam in der Schneiddüse durch die Hochdruckerzeugung beschleunigt. Deshalb kommt der Suspensionsstrahl ganz ohne Luftanteil im Schneidstrahl aus, was dessen Performance potenziell erhöht. „Dadurch dass jeder Partikel im Wasser gebunden ist, verhält sich der Suspensionsstrahl beim Beschnitt deutlich stabiler als der Injektorstrahl“, erläutert Dittrich. Besonders vorteilhaft wirke sich dies zum Beispiel bei der Bearbeitung von Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbindungen, wie etwa CFK-Aluminium-Sandwichstrukturen, aus. Durch die gemeinsame Beschleunigung beider Phasen erreichen die Abrasivpartikel zudem nahezu die Geschwindigkeit des Transportmediums Wasser. „Energetische Verluste bei der Partikelbeschleunigung können somit weitgehend vernachlässigt werden“, sagt der Wissenschaftler.
Dreimal schneller schneiden
Markus Dittrich beschäftigt sich seit 2012 mit der Wasserstrahlfeinbearbeitung und will 2018 sein eigenes Unternehmen aufbauen.
In dem seit 2016 bearbeiteten AiF-ZIM-Projekt „Erojet – Erschließung der Suspensionsstrahltechnologie zur präzisen erosiven Bearbeitung schwer spanbarer Werkstoffe“ ist es den Chemnitzer Forschern nach eigener Auskunft gelungen, nahezu alle Materialien – abgesehen vom Diamant – dreimal schneller als mit der Injektorstrahltechnik zu schneiden. Besonders großes Potenzial der Suspensionsstrahltechnik sehen sie in der Bearbeitung von dicken Faserverbundwerkstoffen, Hartmetallen und sehr harten technischen Keramiken, die zum Beispiel in Katalysatoren, Chemieanlagen, Heizelementen oder Kaffeeautomaten verbaut sind.
Die gemeinsam mit den Projektpartnern Atech, Chemnitz, und ANT Applied New Technologies, Lübeck, entwickelten Lösungen erlauben es, den Partikelstrom im Wasserstrahl präzise zu schalten, das heißt, zu bestimmen, wann wie viele Partikel in der Mischung sein sollen. Derzeit wird das neue NC-Berarbeitungszentrum für den industriellen Einsatz vorbereitet. Ein einfacher „Switch“ von Injektorstrahl- auf Suspensionsstrahlverfahren wird in der Praxis aber kaum möglich sein. „Es handelt sich um ein für den Werkzeugmaschinensektor innovatives Verfahren, das mit dem herkömmlichen Wasserstrahlschneiden nicht vergleichbar ist“, erklärt Projektleiter Dittrich. So müssen etwa aufgrund der enormen Abtragleistung die Anlagenperipherie neu ausgelegt und Vorkehrungen zum Arbeitsschutz getroffen werden. Auch das Handling der Suspensionserzeugung ist nicht vergleichbar mit dem Injektorstrahlverfahren. „Die Prozessüberwachung ist hierbei elementar“, so Dittrich, „um beispielsweise den Strahldurchmesser, der aktuell bei 0,3 mm liegt, prozessstabil reduzieren zu können oder den Füllstand des Suspensionsvorrates zu kennen.“
Bei der Entwicklung ergänzen sich die Projektpartner sehr gut, wie Dittrich hervorhebt. ANT ist als Spezialist der Suspensionsstrahltechnologie für Suspensionsaufbereitung verantwortlich. Projektunabhängig hat die Lübecker Firma bereits ein neues Schleusenverfahren für die kontinuierliche Zumischung des Abrasivmittels entwickelt und weltweit patentieren lassen. Die Chemnitzer Firma Atech, Spezialist für die Konzeptionierung und den Bau kundenindividueller Wasserstrahlanlagen, hat ein Positioniersystem entwickelt, das gemäß Dittrich optimal auf die Anforderungen des Suspensionsstrahls für die industrielle Fertigung angepasst ist. Die Aufgabe der TU Chemnitz besteht unter anderem darin, die Anlagenkomponenten zu verknüpfen und das Zusammenspiel der Systeme, beispielsweise bei Schaltzyklen, zu optimieren. „Gemeinsam konnten wir die Hürden für den Einzug in die breite industrielle Nutzung weitgehend überwinden“, freut sich der Projektleiter, „jetzt arbeiten wir nur noch an wenigen Feinheiten.“ Angesichts der „großen Resonanz aus Anwenderkreisen“ Markus Dittrich noch in diesem Jahr ein Start-up-Unternehmen gründen. Das Gründernetzwerk Saxeed an der TU Chemnitz begleitet und berät ihn bei seinem Vorhaben.
