Der Wasser-Abrasiv-Suspensions-Strahl, kurz WASS, ist eine technische Ausführung des Wasserabrasiv-Strahls, welcher zum sogenannten Wasserstrahlschneiden eingesetzt wird. Er ist abzugrenzen vom Wasser-Abrasiv-Injektor-Strahl (WAIS).
Geschichte Bereits im Jahr 1924 wurde eine technische Anordnung der Erfinder Jakob Maurer und Heinrich Friedrich Jakobsen patentiert, bei der ein Werkzeug für das Schleifen und Bohren von Zähnen beschrieben wird. Zum Einsatz kommt dabei gemäß Patentbeschreibung ein Preßwasser mit SchleifmittelzugabePatentschrift des Reichspatentamtes Nr. 430112 vom 19. Juni 1924. Diese Technologie war in Bezug auf das eingesetzte Druckniveau zwar begrenzt, aber die Art der Strahlgenerierung entsprach bereits dem WASS-Prinzip.
Technische Grundlagen Der Wasser-Abrasiv-Suspensions-Strahl (WASS) ist im Gegensatz zum Wasser-Abrasiv-Injektor-Strahl (WAIS, siehe Abrasivschneiden) dadurch gekennzeichnet, dass Strahlmittel und Wasser vermischt unter Druck stehen. Im Gegensatz zum WAIS enthält der Strahl keine Luft.
Bei der Entwicklung von WASS sind drei verschiedene Arten der Beimischungen von Abrasivmittel zum Wasser untersucht worden bzw. bekannt.
Mischung der Suspension (= Wasser-Abrasivmittel-Gemisch) bei Umgebungsdruck und das direkte Pumpen durch eine Düse (Siehe Abbildung „Direktes Pumpen“). Es werden zum Beispiel Membranpumpen eingesetzt. Die Methode hat bisher keine wirtschaftliche Bedeutung erlangt wegen des hohen abrasiven Verschleißes der Pumpe. Indirektes Unter-Druck-Setzen einer vorgemischten Suspension (Siehe Abbildung „Indirektes Pumpen“): Wasser wird unter Druck gesetzt und treibt einen Kolben in einem Druckbehälter an. Dieser drückt die vorgemischte Suspension aus einem Hochdruckvorratsbehälter und beschleunigt die Suspension dann in der Düse. Zumischung mittels Bypass (Siehe Abbildung „Bypass-Prinzip“): In der Pumpe wird lediglich Wasser unter Druck gesetzt. Ein Teil des Wassers wird durch einen Bypass zu einem Hochdruckbehälter geleitet, der vorher unter Umgebungsdruck mit Strahlmittel befüllt wurde. Der andere Teil fließt im sogenannten Hauptstrom am Druckbehälter vorbei und reißt Abrasivmittel mit. Wenn der Abrasivmittelanteil im Behälter verbraucht ist, muss der Prozess unterbrochen werden, das System wird entlastet, um den Behälter neu mit Abrasivmittel befüllen zu können.
alternativtext=Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahlschneiden: Drei verschiedene Arten der Beimischung von Abrasivmittel zum Wasser|mini|hochkant=2|zentriert|Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahlschneiden: Drei verschiedene Arten der Beimischung von Abrasivmittel zum Wasser Um die Unterbrechung des Schneidprozesses zu vermeiden, sind folgende Methoden bekannt:
Es werden zwei Druckbehälter mit einem Dreiwegehahn im sogenannten Pendelbetrieb umgeschaltet. Somit steht bei verbrauchtem Abrasivmittel in einem Behälter der andere bereits wieder befüllte Behälter zur Verfügung. Der Schneidprozess muss nur kurz zum Umschalten unterbrochen werden. Der Druckbehälter wird über ein Schleusen-System während des Betriebs und ohne die Notwendigkeit der Druckabsenkung mit Abrasivmittel befüllt.
Die potentielle Energie (Druck) wird in der Düse in kinetische Energie (Geschwindigkeit) umgewandelt. Dabei werden auch die Abrasivmittelkörner beschleunigt. Da beim WASS nur zwei Komponenten (Wasser und Abrasivmittel) vorhanden sind, erfolgt die Beschleunigung der Abrasivmittelkörner durch das Wasser mit höherer Effizienz als bei WAIS, bei dem auch Luft gefördert wird. Die Abrasivmittelkörner werden bei gleicher hydraulischer Leistung des Systems beim WASS schneller als beim WAIS. Daher kann mit dem WASS vergleichsweise tiefer bzw. schneller geschnitten werden.
Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahl-Schneidsystem mit kontinuierlicher Abrasivmittelzufuhr Ein Schleusenverfahren ermöglicht eine kontinuierliche Zufuhr des Abrasivmittels (ohne Luftzufuhr) in den unter Druck stehenden Hochdruckbehälter über einen Zwischenbehälter.
Der eigentliche Hochdruckbehälter mit der vorgemischten Suspension wird füllstandüberwacht. Ist der Füllstand auf ein vordefiniertes unteres Level abgefallen, wird über ein Ventil aus dem unter dem gleichen Druck stehenden Zwischenbehälter Suspension (Wasser-Abrasivmittel) zugeführt. Ist der Zwischenbehälter entleert, werden das Ventil sowie die Hochdruck-Wasserzuleitung geschlossen und der Zwischenbehälter wird druckentlastet.
Nun wird ein Kugelhahn geöffnet, und die Nachfüll-Wasser-Abrasivmittel-Suspension fließt in den Zwischenbehälter. Dieser wird nach dem Schließen des Kugelhahns wieder über die Wasser-Hochdruckleitung unter Hochdruck gesetzt, sodass bei erneutem Füllstandsabfall im Hochdruckbehälter wieder Suspension zugeführt werden kann. In diesem Druckbehälter kommt es dann zu einer weiteren Mischung zwischen Wasser und Abrasivmittel-Suspension.
Das Wasser spült das Abrasivmittel aus dem Hochdruckbehälter mit heraus und führt es bis zur Schneiddüse aus Hartmetall, wo es zum Schneiden austritt.
Schneidführungssysteme Durch die oben beschriebenen Eigenschaften des Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahls sind zahlreiche unterschiedliche Schneidführungssysteme einsetzbar.
Mobile Schneidführungssysteme Mobile Schneidführungssysteme werden für Schneidvorgänge an wechselnden Einsatzorten eingesetzt und eignen sich insbesondere auch für ferngesteuerte Schneidvorgänge aus größerer Entfernung sowie in Gefahrbereichen.
Manipulatoren mini|Kettenmanipulator montiert an einer Kirchturmglocke, um die Glockenkrone abzutrennen Ein Manipulator ist in der Robotik das Gerät, das die physikalische Interaktion mit der Umgebung ermöglicht, also der bewegliche Teil des Roboteraufbaus, der die mechanische Arbeit des Roboters durchführt.
Im Prinzip ist der Manipulator der Teil, den man gewöhnlich mit einem Industrieroboter assoziiert. Für die WASS-Schneidführung in mobilen Einsatzbereichen sind spezielle Manipulatoren notwendig, die je nach Anforderung an den Schnitt und die individuell unterschiedlichen Zugangsbedingungen zum Schneidort unterschiedlichen Funktionalitäten und Größen haben können.
Schneidtische für den mobilen Einsatz Bei Schneidtischen für den mobilen Einsatz handelt es sich um technische Anordnungen, welche als modulares Baukastensystem zusammenbaubar sind und somit erst am Einsatzort (zum Beispiel am Fundort einer zu entschärfenden Blindgänger-Bombe) installiert werden. Je nach Anforderung an die auszuführende Schneidbahn kommen 2-Achsen- bzw. 3-Achsen-Schneidtische zum Einsatz. Da diese Systeme erst zum Einsatzort transportiert werden müssen, spielen ein leichtes Gewicht und ein einfacher Zusammenbau eine entscheidende Rolle. Da gegebenenfalls ein Sicherheitsabstand des Systembedieners zum Schneidort eingehalten werden muss, können solche mobilen Schneidtische auch als fernhantierte Varianten ausgeführt werden.
Downhole Cutting Heads (DCHs) Für den Rückbau von Offshore Strukturen gelten besondere gesetzliche Vorschriften. So müssen Rohre unterhalb des Meeresbodens zurückgebaut werden. Sogenannte Downhole Cutting Heads (DCHs) können über ein Umbilical (Versorgungskabel) von einer Arbeitsplattform in zu schneidende Rohre eingeführt werden. Am Zielort angekommen, verklemmen sie sich und erzeugen einen 360-Grad Schnitt und trennen so das Rohr unterhalb des Meeresbodens ab. Der DCH wird aus dem Rohr herausgezogen und im Anschluss ist das Herausziehen des Rohres möglich.
Geschnitten werden können Rohre in Wassertiefen bis zu 150 m von 7" bis 72" (ca. 18 bis 180 cm) Durchmesser, wobei Wandstärken bis zu 20" (ca. 50 cm) bearbeitet werden können.
ROV-basierte Schneidführungssysteme Falls die Zugänglichkeit von zu schneidenden Objekten aus Sicherheitsgründen schon bei der Vorbereitung eines Schneidvorgangs nicht geboten ist (Beispiel: Autobombe oder „herrenloser Koffer“ am Flughafen), dann können in diesem Fall die notwendigen Schneidführungssysteme durch ein Remote-Operated-Vehicle (ROV) zum Einsatzort gebracht werden. Das ROV ist dann sowohl mit dem Schneidsystem als auch mit dem notwendigen Schneidführungssystem ausgestattet und kann vollständig ferngesteuert bedient werden.
Stationäre Schneidführungssysteme mini|Schneidtisch als Komponente einer stationären Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahl (WASS) Schneidanlage Stationäre Schneidführungssysteme werden vor allem in der bearbeitenden Industrie und in der industriellen Fertigung eingesetzt. Die meisten Anlagen sind Reinwasser- und WAIS-Systeme, sie können jedoch zur Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahl-Schneidanlage um- bzw. aufgerüstet werden.
Komponenten einer stationären Anlage Für den stationären Einsatz (Wasserstrahlschneidemaschine) kommen für die Schneidführung zum Beispiel Schneidtische (X-Y-Bewegungseinheit) zum Einsatz. Die Schneidanlagen können über einen oder mehrere Schneidköpfe/Düsenhalter verfügen. Es gibt Schneidtische mit unterschiedlichen Funktionalitäten und Bauweisen, auch können zusätzliche Bewegungsachsen vorhanden sein, beispielsweise 2D-, 2,5D- oder 3D-Bearbeitung.
Auch Industrieroboter könnten bei entsprechender Anpassung der Steuerung als Schneidführungssystem verwendet werden.
Zur Nachhaltigkeit Wasserstrahl-Schneidmaschinen verfügen oft über eine Wasser- und Abrasivmittelaufbereitung. Das Wasser kann dann im Kreislauf genutzt werden. Das Abrasivmittel kann nach der Reinigung (Entfernung des Fugenaustrag-Materials) und nach einer Siebung und Korngrößenklassierung wieder für das Wasserabrasivstrahlverfahren genutzt werden (Recycling).
Im Gegensatz zu WAIS wird das Abrasivmittel beim WASS in feuchtem oder nassem Zustand in den Druckbehälter eingebracht. Die notwendige technische Voraussetzung beim WAIS, dass das Abrasivmittel in trockener und rieselfähiger Form vorliegen muss, entfällt.
Dadurch ergeben sich beim Recycling Abrasivmittels Energiesparpotentiale. Die Trocknung (hoher Energieaufwand) entfällt. Die Aufbereitung des Abrasivmittel-Reststoffs ist an der Maschine möglich.
Anwendungsgebiete Industrielle Fertigung mini|Bearbeitung von 8 mm dicker Al2O3-Keramik (98 %), Bearbeitungsgeschwindigkeit 40 mm/min
Bereits in den 1990er Jahren wurde das Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahl-Schneiden vereinzelt bei der Bearbeitung von metallischen und nichtmetallischen Platten eingesetzt. Es waren oftmals Eigenbauten.
Die WASS-Technologie wird insbesondere bei der Anfertigung von Teilen aus schwer zu bearbeitenden Werkstoffen genutzt oder bei großer Schnitttiefe bzw. bei Schneidaufgaben mit notwendigem geringen Schneidstrahl-Durchmesser oder bei denen Funkenbildung vermieden werden muss.
Eine Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahl-Schneidanlage bietet folgende Vorteile gegenüber WAIS-Anlagen:
harte Materialien mit bis zu 1 m Materialstärke können durchtrennt werden höhere Schneidgeschwindigkeit im Vergleich zu WAIS geringerer Energieverbrauch und Verschleiß aufgrund des gegenüber WAIS geringeren Drucks von 1.500 bar reduzierte Geräusch- und Partikelemissionen energieeffizientes Recycling von 80 % des Abrasivs, direkte Wiederverwendung ohne Trocknung Mit einem Wasser-Abrasiv-Suspensionsstrahl-System, das den unterbrechungsfreien Einsatz der WASS-Technologie in der industriellen Fertigung ermöglicht, können bisherige Nachteile vermieden werden.
Schnittspalt mini|Beispiele für das Schneiden mit schmalem Schnittspalt Mit WASS werden Strahldurchmesser ab 200 Mikrometer eingesetzt. Dadurch besteht die Möglichkeit, feine Schnitte ähnlich denen beim Drahterodieren zu erzielen, wobei die elektrische Leitfähigkeit keine Voraussetzung ist.
Zerlegung von Komponenten in Kernkraftwerken