WATERSTRAALSNIJDEN ALS
CONCURRENT VOOR VERSPANEN?

Precisiewaterstraalsnijden voor hogere nauwkeurigheden

Waterstraalsnijden staat in de Benelux vooral bekend om de toepassing in de plaatwerkindustrie. Snijden met water en abrasief kan echter net zo goed ingezet worden als alternatief voor verspanende CNC-machines. Maar hoe nauwkeurig kan men dan bewerken?

Waterstraalsnijden — Een voordeel van deze snijtechnologie in de productie van microcomponenten is dat het werkstuk geen complexe opspanning
nodig heeft. Meestal is het voldoende om met een eenvoudige inrichting het werkstuk vlak te klemmen op het snijbed

KOUDE BEWERKINGSTECHNOLOGIE

Een van de drijvende krachten achter deze toepassing van waterstraalsnijden is de luchtvaartindustrie. De buy-to-flyratio in deze industrietak is vaak niet hoger dan 15 tot 20 procent. Anders gezegd: van elke kilogram materiaal dat een producent inkoopt, komt amper een vijfde in het uiteindelijke vliegtuigonderdeel terecht. Dat betekent veel materiaal weghalen, dus dito lange bewerkingstijden en hoge gereedschapskosten op CNC-machines, zeker als het om typische vliegtuigmaterialen zoals titaan gaat.

Nauwkeurigheid

Om deze bewerkingstijden terug te dringen, is waterstraalsnijden een alternatieve bewerkingstechnologie. De kracht van het water met snijabrasief is voldoende om ook grote componenten uit vol materiaal te snijden. Vaak kiest men dan waterstraalsnijden als starttechnologie om een near-net-shapeonderdeel te maken. De hoge spaanvolumes zijn een belangrijk voordeel. Een van de nadelen van de snijtechnologie blijft de nauwkeurigheid. Deze is weliswaar verbeterd met de nieuwe generatie van machines en software; de precisie waarmee een waterstraalsnijmachine werkt, blijft veraf van een CNC-bewerkingscentrum als het om grote componenten gaat.

Nadelen niet doorslaggevend

Met name het uitwaaieren naarmate men dikker materiaal snijdt, is haast onvermijdelijk. Voor deze toepassing vindt men dat minder erg omdat de precieze nabewerking in de klassieke gereedschapsmachine gebeurt. Het primaire doel is om in korte tijd veel materiaal weg te halen. Een voordeel dat de vliegtuigindustrie graag ziet, is dat er met waterstraalsnijden geen enkele warmte in het materiaal wordt gebracht. Het is een koude bewerkingstechnologie. De heat-affected zone (HAZ), die jarenlang in de vliegtuigindustrie de deur heeft dichtgehouden voor vonkeroderen, is onbekend bij waterstraalsnijden.

Snijden met water en abrasief kan ingezet worden als alternatief voor verspanen. Maar hoe nauwkeurig kan men dan bewerken?

COMPOSIETEN

Een van de toepassingen in de vliegtuigindustrie is het bewerken van turbineschoepen; een andere is het bewerken van composietonderdelen, met name grote, structurele componenten. Bij dit laatste materiaal profiteert de techniek van het feit dat men altijd met een scherp gereedschap snijdt. Er is het verbruik van abrasiefmateriaal, maar in tegenstelling tot roterende gereedschappen is er geen sprake van slijtage. De snijrand is bovendien meestal direct goed, een nabewerking zoals bij frezen kan meestal achterwege blijven. Voor deze toepassing staat de snijkop meestal op een portaal gemonteerd. Voor meer composietachtige producten kiest men soms voor een robot vanwege de bewegingsvrijheid. Bij structurele componenten kan zo'n robot op een track staan; de onderdelen zijn soms tot wel 30 meter lang. Toleranties schommelen dan rond de 0,12 millimeter.

Sommige machinebouwers kiezen voor een afgesloten machine (foto: De Tollenaere)

Natte substantie

Een van de nadelen van waterstraalsnijden is dat men altijd met een natte substantie snijdt. Daarom kiezen sommige machinebouwers voor een afgesloten machine, mede omdat ze merken dat de verspaning weinig voelt voor open machines. Door het werkstuk in zijn gesloten machine op een draaizwenktafel te positioneren, creëert men extra bewegingsruimte die voor het bewerken van turbineschoepen noodzakelijk is. Sommige fabrikanten integreren een lasersysteem voor het positioneren van het werkstuk in de machine.

Als men carbonfiber bewerkt, kiest men voor een blauwlicht laser omdat de standaardroodlichtscanners vaak voor problemen kunnen zorgen als het om de herkenning van een composietwerkstuk gaat. Nadat de laser het werkstuk heeft gelokaliseerd, past de besturing automatisch de banen aan deze positie aan. Het opspannen zelf vergt dus geen hoge nauwkeurigheden. De geïntegreerde vierde en vijfde as in de snijkop bieden de mogelijkheid om dubbelgekromde oppervlakken te snijden.

PRECISIESNIJWERK

Een vrij onbekende toepassing van waterstraalsnijden vindt men aan de andere kant van het spectrum: microbewerken. Dit segment moet eigenlijk nog van de grond komen, omdat de fabrikanten van waterstraalsnijmachines pas recent zijn gestart hier typische varianten van hun machines voor te bouwen. Bij het microwaterstraalsnijden haalt men hogere nauwkeurigheden. Lineaire nauwkeurigheid van 2,5 µm hoeft geen probleem te zijn. Ra-waarden van 2 µm evenmin. Dat is weliswaar niet de lage waarde die bijvoorbeeld met draadvonken word bereikt, het snijden met water en abrasiefmateriaal gebeurt wel veel sneller. En met eenvoudige nabewerkingen zoals trommelslijpen kan men oppervlakken vaak relatief eenvoudig voldoende glad maken.

Productiviteitswinst

Het grote voordeel bij de microtoepassing is de productiviteitswinst. De snijsnelheden liggen aanzienlijk hoger dan bij andere CNC- technieken, tot wel vier à vijf keer sneller. Afhankelijk van de contour die men moet snijden, het materiaal en de dikte duurt het bewerken van zo'n micropart eerder een tot twee minuten dan veel langer. Net als bij het waterstraalsnijden van grote componenten geldt het voordeel dat dure tooling- en opspankosten vervallen. Microwaterstraalsnijden heeft daarbij nog het voordeel dat het abrasiefverbruik zeer gering is. Bij deze toepassing gaat het altijd om gesloten machines.

Waterstraalsnijden staat in de Benelux vooral bekend om de toepassing in de plaatbewerkingsindustrie (foto: Resato)

INVLOED SOFTWARE

De nauwkeurigheid ligt bij het precisiewaterstraalsnijden aanzienlijk hoger dan bij andere toepassingen van het waterstraalsnijden. Om de nauwkeurigheid te verhogen, passen sommige machinebouwers een zogenaamde tilted snijkop toe. Dit is een recente ontwikkeling om in de bochten voor meer nauwkeurigheid te kunnen zorgen. Daartoe remt de machine af en corrigeert ze de stand van de snijkop, waardoor er in een hoek met meer precisie wordt gesneden. Dit gaat weliswaar ten koste van een beetje productiviteit; de winst aan de kant van de nauwkeurigheid maakt het tijdverlies volledig goed.

Opspanning van microcomponenten

Een voordeel van deze snijtechnologie in de productie van microcomponenten is dat het werkstuk geen complexe opspanning nodig heeft. Meestal is het voldoende om met een eenvoudige inrichting het werkstuk vlak te klemmen op het snijbed. Een langdurige en kostbare positionering van de opspanning op het bed kan achterwege blijven, wat de doorlooptijd juist ten goede komt.

Beperkingen

Wel heeft de techniek beperkingen ten opzichte van CNC-technieken en bijvoorbeeld draaderoderen. Een van deze beperkingen is dat er met een ronde waterstraal wordt gesneden, van ongeveer 0,2 mm doorsnede. Een inwendige radius van 0,25 mm of kleiner kan op deze manier dus niet gesneden worden. Wie dat zoekt, moet alternatieven zoeken zoals draadvonken. Het 3D-snijden vergt meestal een extra investering in de vorm van een draaiwenkkop die op het bed wordt gemonteerd. Het zand wordt met de snelheid van het geluid in de waterstraal gebracht, wat uiteraard een fikse belasting van de nozzle betekent. De nozzle is dan ook een van de slijtdelen van een microwaterjetsnijmachine die regelmatig aandacht vergen om het snijresultaat goed te houden.