Hochdruckwasserstrahlen schneiden (fast) alles

Wasser unter Druck kann viel – das ist Alltagserfahrung: In Spülmaschinen schrubben Wasserfontänen Teller und Gläser, Mundduschen massieren das Zahnfleisch, Wasserwerfer fegen Demonstranten von der Straße. Unter weitaus größeren Drücken wächst die Kraft des Wassers immens: Ingenieure bündeln es neuerdings zu messerscharfen Strahlen und schneiden damit Papier wie Butter. Und nicht nur Papier; selbst durch Leder, Holz, Kunststoff und Asbest frißt sich der haarfeine Strahl mit Leichtigkeit. "Jet-Cutting" wie das Hochdruckwasserschneiden im Fachjargon heißt – wird eines Tages vielleicht sogar zum präzisen Zerteilen von Metallplatten eingesetzt werden können.

Scharf und kräftig wird ein solcher Wasserstrahl, weil Kolben das Naß unter Drücken von 3000 bis 4000 bar durch Düsen mit wenigen Zehntelmillimeter Durchmesser pressen (ein bar, die metrische Einheit des Drucks, entspricht knapp 1,02 Atmosphären oder dem Druck am Boden einer zehn Meter hohen Wassersäule). Diese Drücke strapazieren die Anschaulichkeit arg: Vergleichbare Werte würden am Boden einer 30 bis 40 Kilometer hohen Wassersäule herrschen – die größte Wassertiefe der Ozeane beträgt demgegenüber "nur" elf Kilometer im Marianengraben im Pazifik Da die Düsen enormen Kräften trotzen müssen, sind sie aus härtestem Material gefertigt – aus Diamanten oder Saphiren. Wenn das Wasser diese hochkarätigen Öffnungen passiert, verwandelt sich der Druck in Geschwindigkeit: Mit 600 bis 900 Meter je Sekunde, also zwei- bis dreifacher Schallgeschwindigkeit, schießt das Wasser ins Freie – so schnell, daß Papier nicht einmal naß wird.

Problematisch ist es, die Wassermoleküle in einem äußerst dünnen Strahl zusammenzuhalten, denn normalerweise reißt dieser schon nach zwei Zentimetern auf und zerstäubt. Doch hier half die Feuerwehr weiter. Die Druckwasser-Ingenieure erinnerten sich daran, daß die Spritzenmänner Chemikalien ins Löschwasser geben, die dafür sorgen, daß der Wasserstrahl möglichst weit und gezielt spritzt. Solche Zusätze werden nun auch dem Schneidewasser beigemengt. Es sind kettenförmige Riesenmoleküle, Polymere genannt, mit der mehrfachen Länge von Wassermolekülen. Die Ketten richten sich aus, "schienen" die Wassermoleküle und zwingen dem Wasser auf diese Weise ihre Richtung auf. Mit dem Feuerwehrtrick wächst die Länge des Schneidestrahls auf vier bis fünf Zentimeter.

Für herkömmliche Verfahren wie mechanische Scheren, Sägen und Schneidbrenner, aber auch Trennverfahren per Laserstrahl oder Elektronenstrahlkanone ist das "Jet-Cutting" eine ernsthafte Konkurrenz. Denn Schneiden mit dem Wasserstrahl hat unübersehbare Vorteile: Die Wasserstrahl hat unübersehbare Vorteile: Die Erwärmung an der äußerst schmalen Schnittfuge ist nur bleiben Staubentwicklung auch Funkenbildung bleiben aus – und damit auch Gesundheitsschäden durch Staub oder Materialbrände.

Schon heute arbeiten Wasserkanonen wegen dieser Vorzüge in den verschiedensten Industriebereichen, wenn auch nur in bescheidenem Umfang. Denn vorerst werden, die Maschinen der kurzzeitig eingesetzt werden, weil sie wegen der gewaltigen Drücke im Dauerbetrieb zu schnell verschleißen. Teilweise verschlechterte sich die Strahlenqualität schon nach wenigen Minuten, weil selbst die superharten Saphirdüsen "ausfransten".

Steter Tropfen höhlt den Stahl

Diese Probleme, aber auch neue Aufgaben, wollen Professor Wilfried König und seine Mitarbeiter von der Technischen Hochschule in Aachen lösen helfen. Die Ingenieure am Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren tüfteln unter anderem an verbesserten Düsengeometrien, durch die sie die Verschleißerscheinungen zu senken hoffen. Eine andere Gruppe an der Universität Hannover unter der Leitung von Professor Friedrich Erdmann-Jesnitzer will dem Wasserstrahl noch mehr Kraft verleihen, wobei sie sich durch den Volksmund inspirieren läßt: Steter Tropfen höhlt den Stein.

Der Aufprall einzelner Tropfen erzeugt nämlich kurzzeitig einen örtlich höheren Druck als ein ununterbrochener Flüssigkeitsstrahl. Deshalb versuchen die Hannoveraner Forscher einen dünnen Strahl in eine superschnelle Folge von Tropfen zu zerhacken. Damit, so hoffen sie, lassen sich vielleicht sogar Metallplatten schneiden.

Ungeklärt ist freilich vorerst auch noch die Frage, wie das Schneiden mit dem Wasserstrahl denn überhaupt mikroskopisch funktioniert. Wie kommt der Schnitt ins Material? Entstehen Eigenspannungen im Werkstoff, die ihn reißen lassen, oder schlägt das Wasser Partikel heraus? Warum können Hochdruckwasserstrahlen Glasfaserplatten zertrennen, nicht aber Glasscheiben?

Was Wasserkraft alles vermag, konnten auch die Besucher der diesen Mittwoch beendeten Baumaschinenmesse in München bestaunen. Dort führte die deutsche Tochter der schwedischen Firma Atlas-Copco vor, wie knapp zwei Liter Wasser drei Tonnen Granit zertrümmern – ohne Explosionsknall und ohne Trümmerhagel. Das Verfahren, das Fachleute als "Ei des Kolumbus" für die Steine- und Erdenindustrie bezeichnen, ist verblüffend einfach: Eine Wasserkanone schießt durch einen Bohrkanal weniger als zwei Liter Wasser mit einer Geschwindigkeit von 200 bis 300 Metern in der Sekunde in den Fels. Der resultierende Druck von 3000 bar reißt den Granit in Stücke. Anders als bei der Sprengung mit Explosivstoffen entspannt sich die Druckwelle abrupt, wenn sie die Gesteinsoberfläche erreicht, weshalb keine Granitstücke durch die Luft fliegen,

Anfang Juni wollen Techniker, Hersteller und Anwender auf dem "5. International Symposium on Jet-Cutting Technology" in Hannover über ihre Erfolge und Probleme diskutieren. Ob sie schon jetzt das Sprichwort in "steter Tropfen höhlt den Stahl" erweitern können, bleibt abzuwarten. Horst Güntheroth