Wasserstrahlbearbeitung komplexer Bauteile

Werkstoffe 06. 11. 2022
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Ressourcenschonende Produktion: Neue Prozessplanungssoftware und optimierter Bearbeitungskopf verbessern die Wasserstrahlbearbeitung komplexer Bauteile

Das Wasserstrahlschneiden mit dem Abrasivwasserstrahl ist eine leistungsstarke Bearbeitungstechnologie nahezu ohne Werkzeugverschleiß, doch die Prozessführung ist komplex und lässt sich nur schwer steuern. Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT aus Aachen hat gemeinsam mit Industriepartnern ein umfassendes Konzept entwickelt, bestehend aus einer Software und einem verbesserten Wasserstrahlkopf, welches die Abtragprozesse optimiert. Die neue Methode macht das Wasserstrahlschneiden deutlich einfacher, verbessert die Schnittqualität und verkürzt die Bearbeitungszeit.

Das Wasserstrahlschneiden ist schwer zu beherrschen, da der Wasserstrahl im Laufe des Bearbeitungsprozesses häufig seine Form und Wirkrichtung ändert. Darum ist es heute noch recht unattraktiv für Unternehmen, die im Grunde sehr aussichtsreiche und ressourcenschonende Bearbeitungsmethode als ­Ergänzung oder Alternative zu konventionellen Fertigungsverfahren einzusetzen. Auch gibt es für komplexe Anwendungen des Wasserstrahls noch keine zusammenhängenden Softwaretools für die Prozessauslegung.

Einfachere Anwendung und ­besseres Schnittergebnis

Das Team des Fraunhofer IPT entwickelte gemeinsam mit dem Aachener Softwareunternehmen AixPath GmbH und dem Wasserstrahlmaschinenhersteller H.G. Ridder GmbH aus Hamm in dem öffentlich geförderten Forschungsprojekt JetCut3D – Kosteneffiziente Bearbeitung von 3D-Bauteilen durch ein neuartiges Wasserstrahlkonzept eine Software und einen neuen Bearbeitungskopf, um das Wasserstrahlschneiden zu vereinfachen und die Schnittqualität zu verbessern. Mit der neuen Methode lassen sich Bearbeitungsprozesse einstellen, die deutlich präziser als bisher die veränderliche Dynamik des Wasserstrahls berücksichtigen.

CAx-Modul zur Bahnplanung fürs Wasserstrahlschneiden

Die Forscherinnen und Forscher analysierten zunächst intensiv das Verhalten des Wasserstrahls unter verschiedenen Einsatzbedin­gungen. Die gewonnenen Daten nutzten sie, um zu berechnen, wann, wo und wie die Wirk­richtung des Wasserstrahls während des Prozesses variiert und er seine Form ändert. Um die Schnittqualität zu verbessern, ermittelten sie verschiedene Kompensationsmethoden für solche Abweichungen und integrierten passende Algorithmen dafür in die Steuerungssoftware. Die Ergebnisse flossen in ein neu entwickeltes CAx-Modul zur Bahnplanung für das Wasserstrahlschneiden ein, das die Siemens-NX-Bahnplanungs-­Software ergänzt.

Verbesserter Wasserstrahlkopf kompensiert Abweichungen schnell und präzise

Mit dem ebenfalls im Forschungsprojekt JetCut3D entwickelten Wasserstrahlkopf können die Kompensationsmethoden auf plötzliche Abweichungen im laufenden Bear­beitungsprozess realisiert werden, denn er kann besonders schnell und präzise in fünf Achsen gehoben, gesenkt, gekippt und gedreht werden. Anhand verschiedener Bauteilgeometrien, beispielsweise einem Zahnrad aus Aluminium, erprobten die Forschenden die Funktionsweise des Kopfes im Zusammenspiel mit der Software und erzielten eine durchweg sehr gute Bearbeitungsqualität. Mit den erzielten Ergebnissen haben die Projektpartner einen wichtigen Beitrag geleistet, um das Wasserstrahlschneiden als alternative Bearbeitungsmethode von komplexen Bauteilen zu etablieren.

Nach den erfolgreichen Tests soll das Gesamtpaket aus Bearbeitungskopf und Software nun so erweitert werden, dass es auch für andere Fertigungsprozesse wie das Wasserstrahlfräsen angewandt werden kann. Das CAx-Modul könnte damit künftig auch für die Bahnplanung weiterer Wasserstrahlverfahren genutzt werden.

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