Eine kompakte Abrasiv-Wasserstrahlschneidanlage auf Basis der Suspensionstechnik, die deutlich leistungsfähiger und gleichzeitig effizienter als eine herkömmliche Wasserstrahlschneidmaschine mit Injektortechnik ist, haben Markus Dittrich und seine Mitgründer des Start-ups Novajet entwickelt und gebaut. Derzeit ist das junge Team noch am Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (IWP) an der TU Chemnitz beschäftigt, aber im Frühjahr soll es richtig losgehen. Entstanden ist bisher eine Feinstrahlanlage, die auf Strahldurchmesser kleiner als 0,4 mm fokussiert und für die Herstellung kleiner und präziser Bauteile aus schwer bearbeitbaren Materialien wie Keramik oder Hartmetall optimiert ist. Deren Entwicklung war technisches Neuland. Begonnen hat es mit einem Forschungsprojekt zum 3D-Abrasiv-Wasserstrahlschneiden. „Wir stellten fest, dass die Schneidleistung des Strahls mit der Injektortechnik exponentiell abnimmt, je mehr wir den Strahldurchmesser reduzieren. Zum Schluss konnten wir nur noch Dünnblech schneiden“, berichtet Dittrich.
In herkömmlichen Abrasiv-Wasserstrahlanlagen wird Wasser auf einen Druck zwischen 3.000 und 6.000 bar gebracht und durch eine Wasserdüse in eine Mischkammer geleitet. Dort entsteht ein Unterdruck, der trockenes Abrasiv aus einem Vorratsbehälter ansaugt und mit dem Wasserstrahl mitreißt. „Alleine das Beschleunigen des Abrasivs frisst rund 30 Prozent der ursprünglich ins Wasser eingebrachten Energie“, erklärt Dittrich. Zudem bringt diese Art des Mischvorgangs viel Luft in den Strahl und verteilt das Abrasiv überwiegend am Strahlumfang. Beides mindert die Abtragsleistung.
Eine Alternative ist die Suspensionstechnik, eine Abrasiv-Wasserstrahlschneidmethode, die bisher eher für grobe Anwendungen wie in der Kraftwerksdemontage eingesetzt wird. Hier werden Wasser und Abrasiv bereits im ruhenden Zustand gemischt und dann in einem Hochdruckbehälter unter Druck gesetzt. Aus dieser Suspension wird in der Schneiddüse ein ernergiereicher Schneidstrahl. „Leistungssteigerungen um bis zu 340 Prozent gegenüber dem Injektorverfahren sind damit möglich“, fasst Dittrich zusammen.
Mit einem Kooperationsprojekt zwischen der TU Chemnitz, der ANT Applied New Technologies AG und der Atech GmbH habe man das Potenzial des Verfahrens für den Einsatz in einer Werkzeugmaschine nachgewiesen. Mit einem Druck von 1.400 bar wurde bei vergleichbaren Bedingungen in den Versuchen mit der Suspensionstechnik mehr als dreimal schneller und präziser geschnitten als mit der Injektortechnik mit 3.000 bar. Und das auch in Keramik. Der Strahl ist dabei luftfrei und das Abrasiv im Strahlkern verteilt. Selbst der wasserstrahltypische Winkelfehler ist kleiner und man habe „auch schon Strahldurchmesser von 0,2 mm realisieren können“.
Anlage für die Industrie
Der erste Prototyp ist laut Novajet weitgehend fertig und funktionsfähig. Er baut kompakt, und alle Komponenten – von der Hochdruckpumpe über den Behälter bis zum Arbeitstisch und Schneidsystem – sind in einem Rahmen untergebracht. Die Maschine arbeitet mit 1.500 bar Wasserdruck, und für die angestrebte Präzisionsfertigung kleiner Teile reicht ein Arbeitstisch von 350 mm x 510 mm aus.
Die Anlagentechnik sowie die Steuerung und Regelung sind komplizierter als bei der Injektortechnik. „Wir haben weit mehr als eine Handvoll Ventile, die aufeinander abgestimmt sein müssen. Dazu kommt eine integrierte Hochdruckpumpe. Und wir haben Prozessüberwachungssysteme, die sowohl den Strahl und die Abrasivmischung selbst als auch den Hochdruckbehälter überwachen“, sagt Dittrich. „Deshalb war es uns sehr wichtig, dass vom Niederdruckwasser über die Achsensteuerung und die automatische Befüllung bis zum Schneidkopf alles über eine Steuerung läuft.“ Entschieden haben sich die Gründer für eine NUM-Steuerung, da hier viele Bausteine für das Wasserstrahlschneiden bereits verfügbar sind.
Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und dem Europäischen Sozialfonds geförderte Projekt ist mittlerweile ein Start-up. „Im März 2020 wird Novajet mit der Anlage und als Lohnfertiger an den Start gehen“, sagt Markus Dittrich.
Arbeitsraum der Novajet-Anlage.
