Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTRessourcenschonende 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 nun gemeinsam mit Industriepartnern ein umfassendes Konzept entwickelt, bestehend aus einer Software und einem verbesserten Wasserstrahlkopf, das 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 im 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 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, 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 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.
Förderung
Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt »JetCut3D« wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in der Fördermaßnahme »KMU-innovativ: Produktionsforschung« gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.