Walter Maurer, Gründer und Verwaltungsratspräsident von Waterjet in Aarwangen, Schweiz, erläutert: „Die bisherige Begrenzung des Arbeitsbereichs unserer F4-Maschinen bedingte sowohl technische als auch wirtschaftliche Nachteile“, erläutert. Dies begann schon mit dem Zeitaufwand für das mehrfache Zerteilen der Platten, die handelsüblich im Format 2.000 × 1.000 mm geliefert werden. Zudem verblieb danach ein 200 mm breiter Reststreifen, der oft genug im Schrott landete. Mussten trotz der Größenbeschränkungen des Arbeitsbereichs Teile mit größeren Abmessungen hergestellt werden, so wurde ein Blech mit entsprechendem Übermaß eingespannt und nach einem ersten Bearbeitungsdurchgang um die erforderliche Distanz versetzt. Beim Umspannen kommt es jedoch zwangsläufig zu Versatz- und Winkelfehlern und entsprechenden Qualitätseinbußen am Werkstück.

Präzisions-Maschinenbau für höchste Genauigkeit

„Bei den erheblich größeren Abmessungen des neuen Systems mussten wir uns einiges einfallen lassen, um mindestens die gleichen Genauigkeitswerte wie bei der Vorgängerversion F4 sicherzustellen“, verrät Maurer. Das beginne schon mit dem Maschinenbett: Dieses besteht aus einer Chromstahl-Konstruktion, die mit 8 t vibrationsdämpfenden Mineralbetons ausgegossen wurde.

In der Arbeitsvorbereitung kann der CAM-Programmierer bestimmte Konturbereiche wie scharfe Ecken oder Bohrungen mit Makros kennzeichnen. © Klaus Vollrath

Die drei Hauptachsen verfügen über hochpräzise Kugelrollspindeln, und die Positionsmessung erfolgt durch temperaturunempfindliche Glasmessstäbe mit einer Auflösung von 10 nm. Der Werkstückträger ist vom Wasserbecken und den darin auftretenden Vibrationen mechanisch entkoppelt. Die Wiederholgenauigkeit der Achsen liegt bei 0,5 µm. Auf der Anlage kommen auch die neuen Düsen mit einem Schneidstrahl-Durchmesser von nur noch 150 µm zum Einsatz. Damit lassen sich bei entsprechend dünnem Material Schneidspaltbreiten von nur noch 170 µm erreichen. Am Werkstück sind damit Genauigkeiten von bis zu 5 µm erzielbar. Für mechanische Bearbeitungen kann der Arbeitskopf zusätzlich mit einer Hochfrequenz-Bohrspindel mit eigener Z-Achse ausgerüstet werden. Damit können auch Startlochbohrungen in laminierte Materialien wie Glas- oder Kohlefaser-Verbundwerkstoffe eingebracht werden. Würde man stattdessen versuchen, solche Bohrungen mit dem Höchstdruck-Wasserstrahl zu erzeugen, so könnten Materialschäden durch Delamination auftreten.

Genauer dank Formanalyse des Wasserstrahls

„Aufgrund genauer Untersuchungen wissen wir, dass der Wasserstrahl nie exakt rund ist. Die Rundheits-Abweichungen betragen bis zu 3 µm“, sagt Maurer. Um dies zu berücksichtigen, wird nach dem Einbau einer neuen Düse die genaue Geometrie des Wasserstrahls mithilfe eines patentierten Verfahrens ermittelt. Dafür wird in einem Blech ein Loch mit einem Durchmesser von 2 mm erzeugt, dessen Geometrie unter einem hochgenauen Messmikroskop exakt vermessen wird. Die dabei registrierten Rundheitsabweichungen werden als Funktion des Winkels in der Steuerung hinterlegt und beim Einsatz kompensiert. Hierfür wird die tatsächliche Kontur des Wasserstrahls jeweils tangential zur gewünschten Außenkontur des Werkstücks geführt. Voraussetzung hierfür ist, dass die CAM-Software zwischen Werkstück- und Restgitterseite unterscheiden kann.

Konturabhängige Anpassung der Arbeitsparameter

„Bei der CAM-Software können wir die Arbeitsparameter an spezielle Anforderungen bestimmter Bereiche der Teilekontur anpassen“, sagt Maurer. Beispiel ist das Schneiden von scharfen Ecken oder schmalen Spalten, wofür die Schnittgeschwindigkeit herabgesetzt wird, um der Teilekontur wirklich sauber folgen zu können. Diese Verlangsamung hätte bei gleichbleibendem Arbeitsdruck des Wasserstrahls allerdings eine unerwünschte Verbreiterung des Schnittspalts zur Folge.