Durchbruch für die Wasserstrahlbearbeitung komplexer Bauteile

Das Wasserstrahlschneiden mit dem Abrasivwasserstrahl ist eine besonders leistungsfähige Bearbeitungstechnologie. Sie läuft außerdem nahezu ohne Werkzeugverschleiß ab. Jedoch: Die Prozessführung ist komplex und lässt sich nur schwer steuern.

Um die Bahnplanung beim Schneidprozess zu optimieren, entwickelten die Projektpartner einen neuartigen Wasserstrahlkopf, der besonders schnell und präzise in fünf Achsen gehoben, gesenkt, gekippt und gedreht werden kann.

Foto: Fraunhofer IPT

Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT aus Aachen hat nun gemeinsam mit Industriepartnern ein umfassendes Konzept entwickelt, bestehend aus einer Software und einem verbesserten Wasserstrahlkopf, das die Abtragsprozesse optimiert. Die neue Methode macht das Wasserstrahlschneiden deutlich einfacher, verbessert die Schnittqualität und verkürzt die Bearbeitungszeit.

Was macht das Verfahren so schwierig zu beherrschen?

Das Wasserstrahlschneiden ist schwierig zu kontrollieren, da der Wasserstrahl im Laufe des Bearbeitungsprozesses häufig seine Form und Wirkrichtung ändert. Darum ist es heute noch recht unattraktiv für Unternehmen, die (eigentlich 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.

Alles dies untersuchte das Fraunhofer IPT im Forschungs- und Entwicklungsprojekt „JetCut3D“. Dieses wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in der Fördermaßnahme „KMU-innovativ: Produktionsforschung“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Nun liegen Erfolg versprechende Resultate vor.

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 im öffentlich geförderten Forschungsprojekt JetCut3D – vollständiger Name: Kosteneffiziente Bearbeitung von 3D-Bauteilen durch ein neuartiges Wasserstrahlkonzept – eine Software und einen neuartigen 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.

Mit dem in Aachen entwickelten Konzept ist erstmals eine Methode entstanden, die präzise auf die veränderliche Dynamik des Wasserstrahls abgestimmt ist.

Foto: Fraunhofer IPT

CAx-Modul zur Bahnplanung fürs Wasserstrahlschneiden

Die Forscherinnen und Forscher analysierten dazu 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. Dieses ergänzt die bislang alleinig genutzte Bahnplanungs-Software „Siemens-NX“.

Verbesserter Kopf kompensiert Abweichungen schnell und präzise

Mit dem ebenfalls im Forschungsprojekt 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 Forscherinnen und Forscher 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 komplexer Bauteile 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.