Jak działa waterjet?

Wiemy już z poprzedniego wpisu co oznacza słowo „waterjet” i jak mamy rozumieć sformułowanie „cięcie wodą”. Skoncentrujmy się teraz na podstawowym opisie maszyny jak i samego procesu cięcia.

Waterjet zbudowany jest w zasadzie z dwóch oddzielnych urządzeń. Pierwsze, to pompa wysokiego ciśnienia, nazywana zazwyczaj „pompą waterjet„, a drugim urządzeniem jest sama wycinarka wodna, zwana zwykle „maszyną do cięcia wodą” lub krócej „waterjetem„. Zadaniem pompy jest dostarczanie wody pod ciśnieniem, a waterjeta skierowanie strumienia wody w odpowiednie miejsce. Oba urządzenia są niezależne i często pochodzą od różnych producentów co sprawdza się świetnie. Ich połączenie jest bardzo proste i polega na podpięciu przewodów z wodą oraz sygnałowych pomiędzy urządzeniami.

Woda, sprężona w pompie, z reguły do 3300-3800 bar, przetłaczana jest metalowymi przewodami do głowicy waterjeta, gdzie znajduje się kluczowa dla procesu powstawania strumienia wody tzw. kryza (orifice). Wody pod ciśnieniem nie płynie aż tak wiele, bo przeważnie przepływ wynosi ok 2,5 – 3,5 l/min, ale zmagazynowana jest w niej olbrzymia energia. Wszystko najważniejsze wydarza się właśnie w kryzie. Pozornie niewielki, okrągły, metalowy element średnicy ok 10 mm, z malutkim kamieniem szlachetnym na środku, który ma przewiercony otwór o średnicy przeważnie 0,25 – 0,36 mm. To w nim następuje najistotniejszy proces, dzięki któremu możliwe jest całe to magiczne cięcie wodą!

To co w nim zachodzi, to zamiana energii skumulowanej w ciśnieniu na energię kinetyczną, czyli prędkość. Woda, przeciskając się przez maleńki otwór, nabiera ogromnej szybkości (około 3x większej niż prędkość dźwięku), a następnie trafia do komory miksującej (mixing chamber), a dalej do dyszy miksującej (nozzle). W komorze miksującej dołączane jest do wody ścierniwo, które woda rozpędza do szybkości zbliżonej do prędkości dźwięku. Mieszanie wody ze środkiem ściernym odbywa się w dyszy miksującej, gdzie formowana jest docelowa struga wodno-ścierna.

Jak widać ścierniwo dostarczane jest do wody dopiero na ostatnim możliwym odcinku układu, po to, by zmniejszyć ilość zużywających się poprzez tarcie elementów systemu. Były w przeszłości prowadzone próby mieszania wody ze ścierniwem już w agregacie pompującym, jednakże nie sprawdziło się to w praktyce. Ścierniwo wycierało przewody i eksploatacja stawała się nieopłacalna.

Materiał, który chcemy przeciąć układany jest na kratownicy stołu roboczego. Stół to nic innego jak wanna z wodą, posiadająca w górnej części układ różnie rozmieszczonych płaskowników, na których układamy materiał do cięcia. Płaskowniki mogą byś ze sobą skrzyżowane i połączone lub wkładane pojedynczo w mocowanie w kształcie grzebienia. Oba rozmieszczenia mają swoje wady i zalety o czym napiszę przy okazji innego wpisu. Generalna zasada mówi, że grubość płaskowników powinna być jak najmniejsza, dzięki czemu strumień nie będzie się od nich odbijał niszcząc tnący materiał od dołu. Nie mogą być jednak za cienkie, bo nie utrzymają ciężaru ciętych detali. Kratownice są elementem wymiennym. Najlepiej więc jest mieć na stanie 2 grubości. Jedna do materiałów lżejszych i delikatniejszych (1-2mm), a druga do cięcia grubych stali (2-3mm).

Bardzo często spotykam się z pytaniem „Dlaczego stół jest wypełniony wodą?”.
Woda w wannie służy do wyhamowania strumienia oraz wyciszenia procesu. Oczywiście jest też możliwe cięcie bez wody. Podczas przeprowadzania testów cięcia dużych przedmiotów (w moim przypadku były to np. opony od traktora), odstawiałem stół od korpusu waterjeta. Hałas był nieprzeciętny. Woda leciała bezpośrednio na posadzkę, ale oponę dało się przeciąć.

Mechatronika waterjeta służy do przemieszczania głowicy nad materiałem w kontrolowany przez komputer sposób. Aby móc wprawić ją w ruch potrzebujemy odpowiedniego programu komputerowego, który to dostarczany jest w komplecie z maszyną. Programów jest dość dużo na rynku i wcale nie są sobie równe. Napiszę na ich temat w przyszłości. Streszczając w kilku słowach, najważniejsze jest aby posiadały dwie funkcje. Automatyczne rozmieszczanie elementów na arkuszu, sprytnie je obracając, tak aby upchnąć ich jak najwięcej, dzięki czemu zaoszczędzimy masę pieniędzy na materiałach. Druga bardzo istotna funkcja to wskaźnik obróbki materiałów. Chodzi w uproszczeniu o to, że znając parametr twardości dla danego materiału, np Aluminium PA6 ma wskaźnik = 220, program automatycznie obliczy prędkości cięcia dla dowolnej grubości materiału biorąc pod uwagę aktualnie ustawione w maszynie ciśnienie, oraz rozmiary kryzy i dyszy.  Nie trzeba robić testów cięcia, aby móc wykonać wycenę lub cięcie.