Welcher Schnitt ist der Beste: Wasser oder Laser?

Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden: zwei großartige Technologien, die gut zusammenpassen? Oder am besten, wenn sie alleine spielen? Die Antwort lautet wie immer: Es kommt darauf an, welche Arbeiten in der Werkstatt anstehen, welche Materialien am häufigsten verarbeitet werden, auf die Fähigkeiten der Bediener und letztendlich auf das verfügbare Ausrüstungsbudget.

Die kurze Antwort lautet laut einer Umfrage unter großen Anbietern für jeden Systemtyp: Wasserstrahl ist kostengünstiger und hinsichtlich der Materialien, die er schneiden kann, weitaus vielseitiger als Laser. Von Schaum bis hin zu Lebensmitteln weisen Wasserstrahlen ein außergewöhnliches Maß an Flexibilität auf. Laser hingegen bieten beispiellose Geschwindigkeit und Präzision bei der Herstellung großer Mengen dünnerer Metalle mit einer Dicke von bis zu 1 Zoll (25,4 mm).

Im Hinblick auf die Betriebskosten verbrauchen Wasserstrahlsysteme abrasive Materialien und erfordern Pumpenumbauten. Faserlaser sind anfangs teurer, aber im Betrieb kostengünstiger als ihre älteren CO2-Laser; Sie erfordern möglicherweise auch mehr Bedienerschulung (obwohl moderne Steuerungsschnittstellen die Lernkurve verkürzen). Das mit Abstand am häufigsten im Wasserstrahlverfahren verwendete Strahlmittel ist Granat; In den sehr seltenen Fällen, in denen etwas abrasiveres wie Aluminiumoxid verwendet wird, kommt es zu einem stärkeren Verschleiß der Mischrohre und Düsen. Mit Granat können Wasserstrahlkomponenten 125 Stunden lang schneiden; Mit Aluminiumoxid halten sie möglicherweise nur etwa 30 Stunden.

Letztlich sollten beide Technologien als komplementär angesehen werden, so Dustin Diehl, Produktmanager der Laserabteilung bei Amada America Inc., Buena Park, Kalifornien.

„Wenn ein Kunde über beide Technologien verfügt, hat er eine enorme Flexibilität bei seinen Geboten“, erklärte Diehl. „Sie können für jede Art von Arbeit ein Angebot abgeben, weil sie über diese beiden unterschiedlichen, aber ähnlichen Tools verfügen und ein Angebot für das Gesamtpaket abgeben können.“

Beispielsweise führt ein Amada-Kunde mit beiden Systemtypen das Blanking an einem Laser durch. „Direkt neben der Abkantpresse schneidet ein Wasserstrahl ein hitzebeständiges Isoliermaterial“, sagte Diehl. „Sobald das Blech gebogen ist, legen sie die Isolierung ein, biegen es erneut und führen einen Saum oder eine Versiegelung durch. Es ist ein hübsches kleines Fließband.“

In anderen Fällen, so Diehl weiter, gaben Betriebe an, dass sie gerne eine Laserschneidanlage anschaffen würden, hätten aber das Gefühl, dass ihnen der Arbeitsaufwand nicht gerechtfertigt sei. „Wenn Sie hundert Teile herstellen wollen und dafür den ganzen Tag brauchen, bitten wir sie, einen Blick auf den Laser zu werfen. Wir können eine Blechanwendung in Minuten und nicht in Stunden fertigstellen.“

Anwendungsspezialist Tim Holcomb von der OMAX Corp. Kent, Washington, der eine Werkstatt mit etwa 14 Lasern und einem Wasserstrahl betrieben hatte, erinnerte sich an ein Plakat, das er vor Jahren bei einem Unternehmen gesehen hatte, das Laser, Wasserstrahl und Drahterodieren einsetzte. Auf dem Poster wurden die Materialien und Stärken aufgeführt, mit denen jeder Maschinentyp am besten umgehen kann – wobei die Liste für Wasserstrahl die anderen in den Schatten stellt.

Letztendlich: „Ich habe gesehen, wie Laser versuchen, in der Wasserstrahlwelt zu konkurrieren und umgekehrt, und sie werden außerhalb ihrer jeweiligen Nischen nicht gewinnen“, erklärte Holcomb. Da es sich beim Wasserstrahl um ein Kaltschneidesystem handelt, bemerkte er außerdem: „Wir können mehr medizinische oder verteidigungstechnische Anwendungen erschließen, weil wir keine Wärmeeinflusszone (HAZ) haben – wir sind die Mikrostrahltechnologie.“ Minijet-Düsen und Mikrojet-Schneiden „haben bei uns richtig Fahrt aufgenommen“.

Während Laser beim Schneiden von Weicheisenstählen dominieren, ist die Wasserstrahltechnologie „eigentlich das Schweizer Taschenmesser der Werkzeugmaschinenindustrie“, behauptet Tim Fabian, Vizepräsident für Marketing und Produktmanagement bei Flow International Corp., Kent, Washington, a Mitglied der Shape Technologies Group. Zu seinen Kunden zählt Joe Gibbs Racing.

„Wenn man darüber nachdenkt, hätte ein Rennwagenhersteller wie Joe Gibbs Racing weniger Möglichkeiten, eine Lasermaschine einzusetzen, da er oft nur begrenzte Mengen an Teilen aus vielen verschiedenen Materialien schneidet, darunter Titan, Aluminium und Kohlefaser. " erklärte Fabian. „Eine der Anforderungen, die sie uns erklärten, war, dass die Maschinen, die sie verwenden, super einfach zu programmieren sein müssen. Es gibt Zeiten, in denen ein Bediener ein Teil aus 6,35 mm starkem Aluminium herstellt und es in einen Rennwagen einbaut. Aber dann entscheiden Sie, dass das Teil aus Titan, einem dickeren Stück Kohlefaser oder einem dünneren Stück Aluminium bestehen soll.“

Bei herkömmlichen CNC-Bearbeitungszentren, fuhr er fort, „sind solche Änderungen ziemlich groß.“ Der Versuch, solche Gänge von Material zu Material und von Teil zu Teil zu ändern, bedeutet, Werkzeugbits, Spindeldrehzahlen, Vorschubgeschwindigkeiten und Programme zu ändern.

„Eines der Dinge, die sie uns beim Wasserstrahl wirklich vorantreiben, ist die Erstellung von Bibliotheken verschiedener Materialien, die sie verwenden, so dass sie nur ein paar Mausklicks ausführen müssen, um von ¼" Aluminium auf ½" [12,7 mm] Carbon zu wechseln Faser", fuhr Fabian fort. „Wenn Sie noch einmal mit der Maus klicken, wechseln sie von ½" Kohlefaser zu 1/8" [3,18 mm] Titan.“ Joe Gibbs Racing „verwendet viele exotische Legierungen und Dinge, die ein durchschnittlicher Kunde nicht immer verwendet. Deshalb verbringen wir viel Zeit damit, in Zusammenarbeit mit ihnen Bibliotheken mit diesen fortschrittlichen Materialien zu erstellen. Wir haben Hunderte von Materialien.“ in unserer Datenbank, und es gibt einen einfachen Prozess, bei dem ein Kunde seine eigenen einzigartigen Materialien ergänzen und diese Datenbank noch weiter erweitern kann.“

Ein weiterer High-End-Benutzer von Flow-Wasserstrahlen ist SpaceX von Elon Musk. „Wir haben bei SpaceX eine ganze Reihe von Maschinen, um Teile für Raketenschiffe herzustellen“, sagte Fabian. Blue Origin, ein weiterer Hersteller der Luft- und Raumfahrtforschung, verwendet ebenfalls Flow-Maschinen. „Sie machen nicht 10.000 von irgendetwas; sie machen eines davon, fünf davon, vier von etwas anderem.“

Für typische Werkstätten gilt: „Immer wenn Sie einen Auftrag haben und 5.000 Teile aus ¼“-Stahl benötigen, ist ein Laser schwer zu schlagen“, bemerkte Fabian. „Aber wenn Sie zwei Stahlteile, drei Aluminiumteile oder vier benötigen.“ Bei Nylonteilen werden Sie einen Laser wahrscheinlich nicht einem Wasserstrahl vorziehen. Mit einem Wasserstrahl können Sie alles von dünnem Stahl bis zu 15,24 bis 20,32 cm dickem Metall schneiden.“

Mit den Laser- und Werkzeugmaschinensparten unter seinem Dach ist Trumpf klar in der Laser- und traditionellen CNC-Welt verankert.

In dem schmalen Fenster, in dem sich Wasserstrahl und Laser am wahrscheinlichsten überlappen – Metalle mit einer Dicke von knapp über 1 Zoll [25,4 mm] – behält der Wasserstrahl die klare Kante.

„Bei sehr, sehr dicken Metallen – 1,5“ [38,1 mm] und mehr – liefert ein Wasserstrahl nicht nur eine bessere Qualität, sondern der Laser ist möglicherweise auch nicht in der Lage, das Metall zu bearbeiten“, so Brett Thompson, Lasertechnologien und Vertriebsberatung Danach ist die Kluft klar: Nichtmetalle werden wahrscheinlich mit einem Wasserstrahl bearbeitet, während für jedes Metall mit einer Dicke von 1 Zoll oder weniger „ein Laser eine Selbstverständlichkeit ist. Der Laser schneidet viel, viel schneller, insbesondere bei den dünneren.“ und/oder härtere Materialien – zum Beispiel Edelstahl im Vergleich zu Aluminium.“

Bei der Teilebearbeitung, insbesondere bei der Kantenqualität, liegt der Vorteil wiederum beim Wasserstrahl, da die Materialien dicker werden und der Wärmeeintrag eine Rolle spielt.

„Dies kann ein Ort sein, an dem ein Wasserstrahl einen Vorteil haben könnte“, räumte Thompson ein. „Die Auswahl an Dicken und Materialien übertrifft die eines Lasers mit weniger Wärmeeinflusszone. Obwohl die Bearbeitung langsamer ist als die Laserbearbeitung, liefern Wasserstrahlen auch eine gleichbleibend gute Kantenqualität. Auch mit einem Wasserstrahl erzielen Sie in der Regel eine sehr gute Rechtwinkligkeit – sogar bei Dicken in Zoll, und das alles ohne Grate, über die man sich Sorgen machen müsste.“

Der Vorsprung in der Automatisierung liege beim Laser hinsichtlich der Integration in erweiterte Produktionslinien, fügte Thompson hinzu.

„Mit einem Laser ist eine vollständige Integration möglich: Laden Sie Material auf einer Seite und auf der anderen Seite eines integrierten Schneid- und Biegesystems erhalten Sie ein fertig geschnittenes und gebogenes Teil. Ein Wasserstrahl wäre dabei wahrscheinlich immer noch eine schlechte Wahl.“ Ein Szenario – selbst wenn es ein gutes System zur Materialverwaltung gäbe –, weil die Teile viel langsamer geschnitten werden und man natürlich mit dem Wasser zu kämpfen hätte.“

Thompson behauptete, dass Laser kostengünstiger in Betrieb und Wartung seien, da „die verwendeten Verbrauchsmaterialien relativ begrenzt sind, insbesondere bei Faserlasern“. Allerdings „können die Gesamtkosten einer Wasserstrahldüse aufgrund der geringeren Maschinendynamik und der relativen Einfachheit geringer ausfallen. Es kommt wirklich darauf an, wie gut die einzelnen Anlagenteile konstruiert und gewartet sind.“

Als Holcomb von OMAX in den 1990er-Jahren ein Geschäft betrieb, erinnerte er sich: „Jedes Mal, wenn ich ein Teil oder einen Bauplan auf meinem Tisch fand, war mein erster Gedanke: ‚Kann ich das mit dem Laser machen?‘“ Aber bevor ich mich versah, bekamen wir immer mehr Projekte ausschließlich für den Wasserstrahl. Das waren dickere Materialien und einige Arten von Teilen, weil wir durch die Wärmeeinflusszone des Lasers nicht wirklich in eine Ecke gelangen können; es würde die Ecke ausblasen, also würden wir uns zum Wasserstrahl neigen – und das sogar bei Materialstärken, die der Laser normalerweise bewältigen würde.“

Und während einzelne Bleche mit dem Laser schneller verarbeitet wurden, waren bis zu vier Bleche übereinander gestapelt mit dem Wasserstrahl schneller.

„Wenn ich 76,2 x 25,4 mm große Kreise aus 6,35 mm dickem Weichstahl schneiden möchte, würde ich aufgrund seiner Geschwindigkeit und Genauigkeit wahrscheinlich den Laser bevorzugen. Das Finish – das Side-Cut-Profil – wird eher glasig und sehr glatt sein.

Aber um den Laser auf diesem Präzisionsniveau arbeiten zu lassen, fügte er hinzu, „musste man ein Experte für Frequenzen und Wattzahlen sein. Wir waren sehr gut darin, aber man musste es wirklich genau einstellen; bei einem Wasserstrahl ist es das Erste.“ Mal, erster Versuch. Jetzt haben wir ein CAD-System in alle unsere Maschinen eingebaut. Ich kann ein Teil direkt an der Maschine entwerfen.“ Dies sei praktisch für die Prototypenerstellung, fügte er hinzu. „Ich kann direkt am Wasserstrahl programmieren und Materialstärken und -einstellungen viel einfacher ändern.“ Und die Auftragseinrichtung und -umstellung „ist vergleichbar; ich habe einige Umstellungen bei einem Wasserstrahl gesehen, die einem Laser sehr ähnlich sind.“

Jetzt ist der ProtoMAX von OMAX für kleinere Arbeiten, Prototypenbau oder Bildungszwecke – sogar für einen Hobbyladen oder eine Garage – mit einer Pumpe und einem Schneidetisch auf Rollen ausgestattet, die einen einfachen Standortwechsel ermöglichen. Für ein leises Schneiden wird das Arbeitsmaterial unter Wasser getaucht.

Was die Wartung angeht: „Normalerweise kann ich jemandem in ein oder zwei Tagen das Wasserstrahlen beibringen und ihn ziemlich schnell in die Wildnis schicken“, behauptete Holcomb.

Die EnduroMAX-Pumpen von OMAX sind so konzipiert, dass sie weniger Wasser verbrauchen und schnelle Umbauten ermöglichen. Die aktuelle Version verfügt über drei dynamische Dichtungen. „Ich sage den Leuten immer noch, dass sie bei der Wartung jeder Pumpe sorgfältig sein sollen, nicht nur bei meiner. Es ist eine Hochdruckpumpe, also nehmen Sie sich Zeit und lassen Sie sich richtig schulen.“

Für Amadas Diehl können Wasserstrahl und Laser tatsächlich komplementär eingesetzt werden.

„Wasserstrahl ist ein großartiger Einstieg in die Stanz- und Fertigungsbranche, und vielleicht wird Ihr nächster Schritt ein Laser sein“, schlug er vor. „Das bringt Leute dazu, Teile zu schneiden. Und Abkantpressen sind ziemlich erschwinglich, sodass sie sie schneiden und biegen können. In einer Produktionsumgebung werden Sie wahrscheinlich zum Lasern tendieren.“

Während Faserlaser die Flexibilität bieten, Nichtstähle (Kupfer, Messing, Titan) zu schneiden, ermöglicht der Wasserstrahl das Schneiden von Dichtungsmaterial und Kunststoffen, da es keine HAZ gibt.

Die Bedienung der aktuellen Generation von Faserlaserschneidsystemen sei „jetzt so intuitiv, dass die Produktion durch das Programm vorgegeben wird“, sagte Diehl. „Die Bediener laden einfach Werkstücke und drücken auf „Start“. Ich komme aus Werkstätten, in denen man in der CO2-Zeit, als die Optik anfing zu altern und sich zu verschlechtern und die Schnittqualität zu leiden hatte, als guter Bediener galt, wenn man diese Probleme diagnostizieren konnte. Die heutigen Fasersysteme sind eine Art Keksausstecher, und sie verfügen nicht über diese Verbrauchsmaterialien, sodass sie ein- oder ausgeschaltet sind – ob sie nun Teile schneiden oder nicht. Das erfordert ein wenig von dem nötigen Fachwissen des Bedieners. Das heißt, ich denke, dass wir vom Wasserstrahl weggehen zum Laser wäre ein reibungsloser und einfacher Übergang.“

Diehl schätzt, dass ein typisches Faserlasersystem mit 2 bis 3 US-Dollar pro Stunde betrieben werden kann, im Vergleich zu etwa 50 bis 75 US-Dollar pro Stunde für Wasserstrahl, unter Berücksichtigung des Schleifmittelverbrauchs (z. B. Granat) und geplanter Pumpenüberholungen.

Da Laserschneidsysteme immer mehr Kilowattleistung erbringen, stellen sie zunehmend eine Alternative zum Wasserstrahlschneiden in einem Material wie Aluminium dar.

„Früher hatte der Wasserstrahl bei dickem Aluminium den Vorteil“, erklärt Diehl. „Laser hatten nicht die Kraft, etwa 1 Zoll dickes Aluminium zu durchdringen.“ In der Laserwelt haben wir uns lange Zeit nicht damit beschäftigt, aber jetzt, mit den Fasern mit höherer Wattzahl und den Fortschritten in der Lasertechnologie, ist 1-Zoll-Aluminium kein Problem mehr. Wenn Sie den Kostenvergleich gemacht haben, könnte das der Fall sein günstiger auf dem Wasserstrahl für die Anfangsinvestition in die Maschine. Der Laser schneidet möglicherweise zehnmal so viele Teile, aber Sie müssen sich in dieser Volumenumgebung befinden, um diese Kosten zu decken. Wenn Sie eine höhere Mischung aus niedrigen Mengen verwenden Bei großen Teilemengen könnte der Wasserstrahl einige Vorteile bieten – aber auf keinen Fall in einer Produktionsumgebung. Wenn Sie sich in einer Umgebung befinden, in der Sie Hunderte oder Tausende von Teilen verarbeiten müssen, ist das keine Wasserstrahlanwendung.“

Als Beispiel für den Anstieg der verfügbaren Laserleistungen erreicht Amadas ENSIS-Technologie eine Spitzenleistung von 12 kW, gegenüber 2 kW bei ihrer Einführung im Jahr 2013. Am anderen Ende der Skala ermöglicht die auf der Fabtech 2019 vorgestellte VENTIS-Maschine von Amada dank eines Strahls, der sich im Durchmesser der Düse bewegt, eine größere Vielfalt an Materialbearbeitungen.

„Wir können verschiedene Techniken mit Hin- und Herbewegung, Auf- und Abbewegung, Seitwärtsbewegung oder Achterbewegung ausführen“, sagte Diehl über den VENTIS. „Wir haben aus der ENSIS-Technologie gelernt, dass jedes Material einen Sweet Spot hat – eine Art und Weise, wie es geschnitten werden möchte. Das haben wir mit verschiedenen Arten von Moden und Strahlformung gemacht. Mit dem VENTIS können wir fast so hin und her gehen.“ eine Säge; während sich der Kopf bewegt, bewegt sich der Strahl hin und her, sodass man sehr glatte Streifen, eine hervorragende Kantenqualität und manchmal auch eine Geschwindigkeitssteigerung erhält.

Ähnlich wie das ProtoMAX-Wasserstrahlsystem mit geringem Platzbedarf von OMAX bereitet Amada ein „Fasersystem mit sehr geringem Platzbedarf“ für kleinere Betriebe oder „F&E-Prototypenbetriebe“ vor, die nicht in ihre Produktionsabteilung einbrechen möchten, wenn sie lediglich Prototypen erstellen müssen Teile."

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