Schnittig auch in schwierigen Fällen

Der W.S. Werkstoff Service in Essen ist eine erste Adresse, wenn es darum geht, die Eigenschaften gegebener Werkstoffe – speziell metallischer Materialien – zu bestimmen. In unterschiedlichsten Prüfmethoden – Härteprüfung, Metallographie, Spek­tralanalyse, mechanisch-technologische Prüfung in zerstörungsfreien (beispielsweise Ultraschall) oder zerstörenden Verfahren (beispielsweise Zugversuche oder Kerbschlagbiegeversuche) werden die Spezifikationen der Materialien exakt ermittelt.

Die Werkstoffmuster, die das Team um Laborleiter Lorenz Gerke zur Prüfung bekommt, sind höchst vielfältig – sowohl was die

Die Omax-Steuerung lässt sich intuitiv bedienen, als Basis werden 2D-CAD-Daten genutzt. Die Omax 2626 fügt sich harmonisch ins übrige Maschinenumfeld der Probenwerkstatt ein. – Bild: werkzeug&formenbau

Materialeigenschaften der Proben angeht als auch ihre geometrische Ausformung. Um daraus Probenkörper etwa für Zugversuche auszuformen, waren die Materialexperten bislang auf zerspanende Verfahren angewiesen.

Oft nur kleine Werkstoffmuster

Gerade wenn – und das ist der Alltag der Materialprüfer – nur eine sehr kleine Menge des zu testenden Materials zur Verfügung steht, die Werkstoffeigenschaften eines fertigen Produkts mit komplexer Geometrie oder aber beispielsweise hochzähe oder hochharte Materialien in Form zu bringen sind, stoßen diese Methoden schnell an ihre Grenzen.

Das sagt die Redaktion
Universell und immer scharf
Mittels Wasserstrahl lassen sich sehr elegant Materialien von sehr weich bis ultrahart ohne thermische Beeinflussung schneiden. Dank Unterwasserschnitt gehören feuchte, verdreckte Hallen und die Lärmkulisse längst der Vergangenheit an. Heutige Maschinen sind in der Regel Präzisionsinstrumente, und dank Abrasivum – meist kantige, scharfe Sandkörner – werden auch „schwierige“ Werkstoffe sauber geschnitten – sogar Sandwiches aus unterschiedlichen Materialien lassen sich mit der gleichen Präzision über alle Schichten trennen. Und das verbrauchte Abrasivum lässt sich meist unkompliziert und umweltfreundlich entsorgen. So bietet sich das Verfahren als materialschonende und universell einsetzbare Alternative zu den klassischen zerspanenden oder auch thermischen Trennmöglichkeiten an.
Richard Pergler

Die Probenkörper für Zugproben sind in einer Norm in ihrer Beschaffenheit exakt definiert. – Bild: werkzeug&formenbau

Probenkörper sind klar definiert

Die typische Geometrie der Probenkörper als Rundprobe, Quader oder Flachprobe ergibt sich aus der DIN 50125, die die Beschaffenheit der Zugproben definiert. Der Probenkörper wird für einen Zugversuch als Schulter-, Rund- oder Stabprobe hergestellt. Um exakte Aussagen über die mechanischen Eigenschaften der getesteten Werkstoffe treffen zu können, muss eine Kerbwirkung und damit ein Verfälschen der Ergebnisse ausgeschlossen werden. Deshalb wird die Oberfläche des Prüflings feinstbearbeitet, teilweise je nach Werkstoff und Probe sogar poliert.

„Wir bekommen von unseren Kunden oft nur eine sehr kleine Menge des zu testenden Materials – nicht selten als fertig ausgeformtes Produkt mit

Die Schneidkante ist glatt und sauber, eine Nacharbeit ist nicht mehr notwendig. – Bild: werkzeug&formenbau

oftmals sehr komplexer Geometrie“, erklärt Gerke. „Um hier die Eigenschaften des Werkstoffs beispielsweise mechanisch prüfen zu können, beispielsweise in Zugversuchen zur Bestimmung der Zugfestigkeit und der Elastizitätsgrenze oder in Kerbschlagbiegeversuchen für die Spezifizierung der Zähigkeitseigenschaften, müssen wir aus dem Muster einen definierten Probenkörper herausschneiden.“

Gut ausgestattete Probenwerkstatt

Dafür sind die Werkstoffprüfer eigentlich recht gut ausgerüstet. „Unser Prüflabor verfügt für die Probenfertigung über eine leistungsfähige Probenwerkstatt, in der Proben, Kleinserien und Referenzkörper schnell, effizient und normgerecht bearbeitet werden – wo notwendig, auch inklusive Wärmebehandlung“, erklärt der Materialexperte. „Speziell bei komplexen Geometrien oder auch bei schwierigen Werkstoffen – beispielsweise bei Werkstoffen jenseits von HRC 60 – wurde es oft schwierig.“

Trends µ-genau
Vorteile des Wasserstrahlschneidens

Für die Mitarbeiter im Probenlabor beim W.S. Werkstoff Service liegen die Vorteile ihrer Omax 2626 klar auf der Hand:

• keine thermische Beeinflussung des Materials
• keine mechanische Verformung an den Schnittkanten
• keine Nachbearbeitung nötig
• kurze Bearbeitungszeiten
• beliebiges Material bearbeitbar
• wenig Verschnitt dank Layoutoptimierung
• Materialdicken von 0,05 bis 200 mm möglich
• Genauigkeiten bis zu ± 0,02 mm möglich

Die Wasserstrahlanlage lässt sich schnell und unkompliziert einrichten. – Bild: werkzeug&formenbau

Für die Trennung auf Sägen oder auf dem Bearbeitungszentrum war es oft eine Herausforderung, die Werkstoffmuster entsprechend zu spannen. Und bei besonderen Materialeigenschaften konnten Probenkörper oft nur mit erheblichem Aufwand und hohem Materialeinsatz erstellt werden – bei besonders harten Materialien etwa stieg der Verbrauch an Fräswerkzeug jeweils signifikant. Und: „Für jedes Material waren eben auch eine individuelle Bearbeitungsstrategie zu entwickeln – jeweils mit eigenen Werkzeugen und neuen Parametern“, erläutert Gerke. „Eigentlich müsste man dazu die Werkstückkennwerte genau kennen – aber die sollen wir ja gerade mit Hilfe des Probenkörpers ermitteln. Wir haben oft mehrere Versuchsstücke testgeschnitten, bis wir endlich einen verwendbaren Probenkörper erhalten haben. Gerade bei den exotischeren Materialien – beispielsweise Titanlegierungen – wurde viel Ausschuss produziert.“

Meist muss der erste Versuch passen

Wenn der Kunde indes nur wenig Material zur Verfügung stellen kann, muss bereits der erste Versuch passen. Und das kommt nicht selten vor.

Dank Unterwasserschnitt bleibt die Umgebung trocken und der Geräuschpegel erträglich. – Bild: werkzeug&formenbau

Deshalb sahen sich Gerke und sein Team nach einer prozesssicheren Alternative zu den zerspanenden Verfahren um, mit der sich das komplette Werkstückspektrum abdecken lässt. „Das Laserschneiden etwa bietet hier einige interessante Ansätze – es funktioniert sehr universell, allerdings verändert die eingebrachte Wärme das Materialgefüge des Werkstoffs“, erklärt Gerke. „Eine Nachbearbeitung zum Entfernen der beeinflussten Bereiche wäre also notwendig – genau die wollen wir jedoch vermeiden.“

Bei einem mechanischen Ausstanzen der Proben wiederum wären jeweils spezielle Stanzwerkzeuge nötig gewesen – zu kompliziert, zu teuer. Drahterodieren war ebenfalls eine der untersuchten Möglichkeiten – aber abgesehen davon, dass damit nur elektrisch leitende Materialien zu schneiden sind, war das Verfahren den Werkstoffprüfern auch zu langsam.

Getestete Vielfalt: Höchst unterschiedlichste Meterialien werden beim W.S. Werkstoff Service auf ihre Eigenschaften überprüft. – Bild: werkzeug&formenbau

„Trotzdem gingen wir auf die Messe Metav, um uns in erster Linie nach einer Erodiermaschine umzusehen. Und blieben dann fasziniert am Innomax-Stand an der Wasserstrahlmaschine stehen“, erinnert sich der Laborleiter. „Da wurden höchst unterschiedliche Werkstoffe – metallische und nichtmetallische – komplett ohne Hitzeentwicklung bearbeitet, und der einzige sichtbare Unterschied lag in der Geschwindigkeit, mit der sich der Wasserstrahl durch das Material arbeitete.“ Das Informationsgespräch am Messestand endete schließlich mit dem Angebot, dass die Werkstoffprüfer bei Innomax mit eigenen Proben die Leistungsfähigkeit der Maschine austesten konnten.

Profil
W.S. Werkstoff Service GmbH
Die W.S. Werkstoff Service GmbH hat ihren Sitz im Essener Norden auf dem alten Industriegelände des Weltkulturerbes Zeche Zollverein. Hier bearbeiten rund 35 hoch qualifizierte Mitarbeiter Aufträge und Anfragen aus der ganzen Welt. Ihre Expertise ist international gefragt. Die Geschäftsfelder liegen in der Sachverständigentätigkeit, dem Prüflabor für Werkstoffe, der qualifizierten Ausbildung in Werkstofftechnik und in Dienstleistungen im Industriesektor Eisenbahn. Im Prüflabor für Werkstoffe prüfen und bewerten Experten unter anderem, ob Werkstoffeigenschaften von Metallen und die Qualität ihrer Herstellungsverfahren den Anforderungen entsprechen. Gemessen und geprüft wird mit aktuellen kalibrierten Geräten, die  Messwerte lassen sich auf Basis der vorliegenden Normen interpretieren – so liefern die Experten aussagekräftige Prüfergebnisse. Die DAKKS-Akkreditierung nach ISO/IEC 17025 gewährleistet höchste Qualität der Prüfergebnisse und Prüfberichte.

„Wir haben also über einige Zeit ,Problemproben‘ bei uns gesammelt, die schwierigsten Fälle, mit denen wir es in unserer Probenwerkstatt zu tun bekommen, und sind damit zu Innomax“, berichtet Gerke. „Wir haben uns die Maschine sehr ausführlich in der Praxis zeigen lassen. Und speziell bei den Proben, bei denen wir mit unseren Möglichkeiten am Ende waren – bei Inconel-Werkstoffen, bei anderen Nickelbasislegierungen, aber auch bei sehr dünnen Blechen, etwa einem Titanblech mit gerade einmal einem Zehntelmillimeter Stärke – schaute wir sehr genau hin. Und waren schnell überzeugt, denn der Wasserstrahl schaffte alles, was wir dabei hatten. Und immer mit nahezu der gleichen hohen Schnittqualität.“

Rechtwinklig schneiden

Die Werkstoffprüfer waren überzeugt und beschafften eine Anlage Omax 2626. Die Maschine bietet eine Tischgröße von 1165 x 785 mm und einen X-Y-Verfahrweg von 735 x 660 mm. Die

„Eine Nacharbeit ist nicht mehr notwendig – in der Regel können wir unsere Proben so in die Prüfmaschine hängen, wie sie von unserer Omax kommen.“
Lorenz Gerke, Laborleitung beim W.S. Werkstoff Service – Bild: werkzeug&formenbau

Positionier- und Wiederholgenauigkeit liegt bei ± 0,025 mm, der Konusausgleich mit Tilt-A-Jet ist bis zu ± 20 µm möglich. Dieser Tilt-A-Jet-Kopf ist ein großer Pluspunkt der Omax-Anlage – er ermöglicht, dass trotz des konischen Wasserstrahls die Schnittflächen stets im 90°-Winkel zur Oberfläche stehen.

Geringer Düsenverschleiß

Der Schneidkopf ist so ausgelegt, dass das Abrasivum genau zentrisch im Wasserstrahl mitgeführt wird. So wird es von den Düsenkanten fern gehalten, der Düsenverschleiß reduziert sich auf ein Minimum. „Und die Düsen sind die wesentlichen Verschleißteile, die auf die Qualität Einfluss haben“, ergänzt der Laborleiter. „Sie sind einfach und schnell zu wechseln.“

Die Intellimax-Software ermöglicht eine sehr einfache Steuerung der Anlage ohne Programmierkenntnisse – laut Gerke sehr intuitiv und unkompliziert, so dass nahezu keine Einarbeitung erforderlich war. Konturen werden aus CAD-Daten unterschiedlichster Formate übernommen und direkt verarbeitet. An Ecken und Radien passt das System automatisch die Schneidgeschwindigkeit an, um sowohl den „Schleppfehler“ des Schneidstrahls zu kompensieren als auch maximale Verfahrgeschwindigkeit bei hoher Präzision zu erreichen.

„Eine Nacharbeit ist nicht mehr notwendig – in der Regel können wir unsere Proben so in die Prüfmaschine hängen, wie sie von unserer Omax kommen“, betont Gerke. „Und auch bei harten Materialien jenseits 60 HRC hat die Maschine keine Probleme – sie braucht eben dann nur etwas mehr Zeit und etwas mehr Sand.“

Auch von der Materialstärke deckt die Maschine einen weiten Bereich ab. „Wir haben auch schon 40 mm starken Stahl geschnitten“, erklärt der Werkstoffprüfer. „Da fängt der Schnitt allerdings je nach Material an, im unteren Bereich unsauber zu werden. Aber in der Regel bewegen wir uns bis zu Stärken von 20 mm – und da haben wir bisher bei allen Materialien saubere, exakte Kanten bekommen, die nicht mehr nachgearbeitet werden müssen und die die Rauheitsvorgaben der Normen erfüllen.“

In Zugversuchen werden beim W.S. Werkstoff Service die Materialien an ihre Grenzen gebracht, um ihre Eigenschaften zu bestimmen. – Bild: werkzeug&formenbau

Neues Geschäftsfeld erschlossen

Die Möglichkeiten der Maschine reizen zum Ausprobieren – so wurde beispielsweise auch schon verspiegeltes Glas mit sehr gutem Erfolg geschnitten. „Für eines unserer anderen Geschäftsfelder habe wir beispielsweise eine Satz Lehren gefertigt, der in der Schienenproduktion zum Einsatz kommt“, berichtet Laborleiter Gerke. „Wir schaffen prozesssicher Toleranzen von ± 2 Hundertstelmillimeter und werden zukünftig auch Teile für andere Interessenten im Lohnauftrag schneiden – für uns ein neues, interessantes Geschäftsfeld.“
Richard Pergler

Kontakt:

• W.S. Werkstoff Service GmbH, www.werkstoff-service.de
• Innomax AG Deutschland,  www.innomaxag.de

Weitere interessante Videos finden Sie auf dem Youtube-Kanal der werkzeug&formenbau.