Wasserstrahlschneiden versus Fräsen: Die Herausforderung der Rohstoffoptimierung

Artikel verfasst von Guillaume JULLIAN von Mécanuméric Industrie und Benoît CANTIN / Metal-Interface

In anspruchsvollen Branchen wie der Luftfahrt, in denen die Kosten für Aluminiumlegierungen (Typ 2024 oder 7075) stetig steigen, ist das Rohstoffmanagement ein entscheidender Faktor für die Rentabilität. Für Kesselbauer und Zulieferer bleibt eine Frage offen: Welche Technologie sollte beim Schneiden bevorzugt werden? Während das Fräsen aufgrund seiner Präzision lange Zeit der Standard war, etabliert sich heute die Wasserstrahlschneidetechnologie als Alternative, insbesondere dank ihrer überlegenen Verschachtelungsmöglichkeiten.

Wir haben eine Vergleichsstudie an einer Serie von 642 realen Blechteilen aus der Luftfahrt durchgeführt, um die Material- und Effizienzgewinne zwischen diesen beiden Verfahren zu quantifizieren.
 

Die Wahl einer Maschine beschränkt sich nicht nur auf ihre Mechanik; sie hängt auch von der Software ab, die die Schnitt- und Verschachtelungsstrategie steuert.

• Fräsen (Beispiel-Software: Mecatype, Rhino, Mastercam, ...): Dies ist der Bereich der reinen Zerspanung. Hier ist die Programmierung komplex. Der Bediener muss die Werkzeuge (Fräser) auswählen, die Drehzahlen und die Fräsbahnen festlegen, um Ausreißen oder Überhitzung zu vermeiden.
   
• Wasserstrahlschneiden (Beispiele für Software: IGEMS, Alma, TopSolid, ...): Im Gegensatz zum Fräsen übernimmt die Software den Großteil der Schneidstrategie entsprechend dem Material, der Dicke und der gewünschten Oberflächenqualität. Die Bedienung ist so einfach, dass ein Bediener bereits nach drei Tagen selbstständig arbeiten kann.
   

Für unseren Test haben wir eine Charge von 642 Teilen ausgewählt, die aus einem 1 m x 2 m großen Aluminiumblech gefertigt werden sollten.

Das Fräs-Szenario (verwendete Software: MECATYPE)

Beim Fräsen liegt die größte Herausforderung im Durchmesser des Werkzeugs. Zum Konturfräsen unserer Werkstücke mussten wir zwei Fräser (mit einem Durchmesser von 3 mm und 6 mm) verwenden.

• Materialverbrauch: 5 ganze Bleche.
• Einschränkungen: Beim Fräsen ist ein großer Abstand zwischen den Werkstücken erforderlich, um die Steifigkeit des Blechs während der Bearbeitung zu gewährleisten und Platz für das Werkzeug zu schaffen. Zudem müssen häufig Flansche oder Halterungen vorgesehen werden, die Materialfläche beanspruchen.
   

Das Wasserstrahlschneid-Szenario (verwendete Software: IGEMS)

Durch den Einsatz der Wasserstrahltechnologie in Verbindung mit der intelligenten Software „IGEMS“ ergeben sich folgende Ergebnisse:

• Materialverbrauch: Nur 4 Bleche (für dieselben 642 Teile).
• Leistung: Eine Materialausnutzung von 85 %, d. h. nur 15 % Verschnitt.
• Das Geheimnis: Der „gemeinsame Schnitt“. Der Wasserstrahl ermöglicht extrem feine Schnittlinien (ca. 1 mm). So ist es möglich, einen gemeinsamen Schnitt durchzuführen, d. h. die Teile aneinander zu legen, sodass ein einziger Wasserstrahlschnitt für das Schneiden von zwei Teilen genutzt werden kann. Diese Platzersparnis ermöglicht es, ein komplettes Blech einzusparen, hier bei einer mittelgroßen Charge.

  

Materialbilanz: Durch den Umstieg auf Wasserstrahlschneiden lassen sich 20 % Rohmaterial einsparen (4 Bleche gegenüber 5 beim Fräsen). In der Luftfahrt, wo der Kilopreis für Aluminium hoch ist, amortisiert sich die Maschine allein durch die Materialeinsparungen schnell.
 

Neben der Materialeinsparung bietet das Wasserstrahlschneiden technische Vorteile:

• Keine thermisch beeinflusste Zone (TAZ): Dies ist ein entscheidendes Argument für die Luftfahrtindustrie. Das Wasserstrahlschneiden ist ein Kaltschneideverfahren. Im Gegensatz zum Laserschneiden oder Hochgeschwindigkeitsfräsen, die die mechanischen Eigenschaften der Aluminiumoberfläche verändern können. Der Wasserstrahl bewahrt die strukturelle Integrität des Metalls.
   
• Vielseitigkeit und Materialstärke: Wo das Fräsen bei weichen Materialien (technische Kautschuke, Schaumstoffe) oder sehr harten Materialien (Verbundwerkstoffe, Titan) an seine Grenzen stößt, schneidet der Wasserstrahl alles. Er schneidet Materialstärken von 0,5 mm bis über 200 mm mit demselben Werkzeug: einem einzigen Schneidkopf.
   
• Einfache Abläufe: Die Lagerverwaltung wird vereinfacht. Es müssen nicht mehr Hunderte von empfindlichen und teuren Fräsern verwaltet werden. Das Schleifmittel (Sand) und das Wasser sind die einzigen Verbrauchsmaterialien.
   

Trotz der Überlegenheit des Wasserstrahlschneidens gegenüber dem Fräsen gibt es nach wie vor spezifische Anwendungsfälle, in denen das Fräsen unangefochten die Oberhand behält:

1. Nicht durchgehende Formen: Zur Herstellung von Senkungen, Taschen oder Nuten, die das Werkstück nicht durchdringen.
    
2. Ultrapräzision: Wenn ein Werkstück eine Toleranz von weniger als einem Zehntel Millimeter (H7 usw.) erfordert, ist das Schlichtfräsen zwingend erforderlich.

   

    

Für ein Unternehmen in Branchen mit hohen Anforderungen ist die Erkenntnis klar: Das Vorzuschnittverfahren mit Wasserstrahl bietet erhebliche Vorteile. Die Rentabilitätssteigerung ist dreifach:

1. Material: 20 % Blecheinsparung dank gemeinsamer Schnitte und versetzter Anordnung
2. Programmierzeit: unübertroffene Geschwindigkeit bei der Inbetriebnahme.
3. Eigenschaft: keine thermische Veränderung des Materials.

Das Fräsen sollte als Nachbearbeitungsschritt für komplexe Endbearbeitungen neu positioniert werden. Durch die Umsetzung dieser „hybriden“ Strategie maximieren die Werkstätten ihre Gesamtanlageneffektivität (OEE) und reduzieren gleichzeitig ihren ökologischen Fußabdruck durch die Verringerung des Abfallaufkommens drastisch.