Glossario del Sistema di Taglio a Getto d’Acqua

L’arresto di emergenza (E-stop) è una funzione che consente all’operatore di arrestare la macchina utensile e di metterla in uno stato sicuro, in un solo istante. I pulsanti dell’arresto di emergenza sono rossi e chiaramente visibili. Nel getto d’acqua, l’E-stop interrompe il processo di taglio e il movimento e, se viene specificato, spegne anche la pompa e scarica le linee per l’alta pressione.

La precisione dei pezzi finiti corrisponde a una combinazione di errore del processo (il getto d’acqua) + errore della macchina (la velocità XY, scorrevolezza e precisione del percorso) + stabilità del pezzo da lavorare (fissaggio, planarità, omogeneità, stabilità termica).

Il raggio del getto d’acqua non è rigido, ma può piegarsi e spostare il materiale.  I parametri del flusso del getto d’acqua e le caratteristiche di mancanza di rigidità possono influire sulla precisione dei pezzi, come ritardo del getto, conicità a forma di "V", portata dell’abrasivo, ecc. Il controllo di queste caratteristiche ha per molti anni impegnato i fornitori dei getti d’acqua.

Il Dynamic Waterjet® compensa automaticamente il ritardo del getto e la conicità aumentando da 2 a 4 volte la velocità di taglio e ottenendo tolleranze per il pezzo finito da 0,03 a 0,08 mm.

Nel taglio a getto d’acqua, la densità di potenza del taglio corrisponde a quanta energia si può inserire in un’area di determinate dimensioni. Un flusso più piccolo a pressione più alta significa che il flusso scorre a maggiore velocità e ha maggiore densità di potenza rispetto a un flusso più ampio a pressione/velocità più bassa.  

I valori in mesh dell’abrasivo non rappresentano particelle di dimensioni esatte, ma piuttosto una distribuzione di varie dimensioni di particelle. Un abrasivo da 80 mesh include alcune particelle di dimensioni superiori e altre inferiori rispetto alla misura esatta di 80 mesh. Le dimensioni in mesh sono generalmente determinate facendo passare l’abrasivo attraverso una serie di setacci – ciascun setaccio a maglia via via più fine, da quello superiore fino a quello inferiore. Le dimensioni tipiche in mesh usate per le macchine a getto d’acqua abrasivo sono comprese tra 220 e 50 mesh; l’abrasivo da 80 e 120 mesh sono quelli più comuni. Più alto è il numero di mesh e più piccola è la particella.

Dynamic Waterjet® è una tecnologia brevettata di Flow che aumenta da 2 a 4 volte la velocità di taglio, consentendo al tempo stesso di ottenere un notevole miglioramento della tolleranza per il pezzo finito.

Nel taglio a getto d’acqua, il getto genera due errori durante in taglio di un pezzo ad alta velocità:  ritardo del getto e conicità. Il ritardo del getto è un fenomeno causato dal fatto che il punto di uscita del getto che taglia il pezzo rimane all’indietro rispetto al punto di entrata. La conicità ha una forma a V. Sia il ritardo del getto che la conicità possono essere ridotti con il rallentamento della velocità di taglio (generalmente dal 15 al 20% della velocità di taglio massima), ma non possono essere eliminati.

Per consentire il taglio ad alta velocità, il Dynamic Waterjet inclina automaticamente la testa di taglio su un lato, in modo che tutta la conicità sia diretta verso il lato del materiale di scarto, e inclina lievemente la testa in avanti per compensare il ritardo del getto. Questa compensazione della conicità e del ritardo del getto si verifica automaticamente in maniera invisibile. L’operatore o il programmatore non devono programmare gli angoli dato che se ne occupa il sistema di controllo.  L’angolo viene persino cambiato automaticamente in base alla velocità di taglio, per poter creare con precisione angoli e archi mentre la testa di taglio cambia velocità per affrontare gli angoli.

Il vuoto creato da un fluido o da un materiale che passa ad alta velocità da un’area di tubo superiore a un’area di tubo inferiore. Nel taglio a getto d’acqua abrasivo, un effetto Venturi viene creato dal flusso del getto d’acqua pura che passa attraverso una camera di miscelazione più ampia e poi attraversa il tubo di miscelazione più stretto.

L’abrasivo viene attratto da un effetto Venturi nella camera di miscelazione e viene accelerato come un proiettile o i pallini da caccia attraverso un fucile all’uscita dal tubo di miscelazione, creando di conseguenza il getto d’acqua abrasivo.

Il flusso del getto d’acqua abrasivo (chiamato a volte abrasivejet) accelera le particelle abrasive; quelle particelle, e non l’acqua, erodono il materiale. Il getto d’acqua abrasivo è molto più potente rispetto al getto d’acqua pura ed è in grado di tagliare materiali resistenti come metallo, vetro, pietra e compositi, che non possono essere tagliati con un getto d’acqua pura. Utilizzando i parametri standard, i getti d’acqua abrasivi possono tagliare materiali con una durezza fino a quella dell’ossido ceramico di alluminio (spesso denominato allumina, AD 99,9) e leggermente oltre. 
 

Attributi del getto d’acqua abrasivo

• Processo estremamente versatile
• Assenza di zone termicamente alterate
• Assenza di stress meccanici
• Facile da programmare
• Flusso sottile (da 0,508 a 1,27 mm in diametro)
• Geometria estremamente dettagliata
• Taglio di materiali sottili
• Taglia uno spessore di oltre 30 cm
• Taglio di materiale impilato
• Minima perdita di materiale causata dal taglio
• Fissaggio semplice
• Basse forze di taglio (meno di 450 g durante il taglio)
• Un’unica impostazione del getto per quasi tutti i lavori con getto abrasivo
• Facile passaggio da testa di taglio singola a teste multiple
• Passaggio rapido da getto d’acqua pura a getto d’acqua abrasivo
• Riduzione delle operazioni secondarie
• Con poca o nessuna formazione di bave

Il getto d’acqua pura è il metodo di taglio con getto d’acqua originale. Le prime applicazioni commerciali risalgono agli inizi degli anni Settanta e riguardavano il taglio di cartone ondulato. Gli impieghi principali per il taglio a getto d’acqua pura sono i pannolini monouso, la carta velina e gli interni dei veicoli. Nel caso della carta velina e dei pannolini monouso, il processo del getto d’acqua crea meno umidità sul materiale rispetto al tocco o al respiro.

Il getto d’acqua pura può anche essere usato per la rimozione di rivestimenti, come la vernice dalle barche. Per ulteriori informazioni su queste applicazioni, <a href="http://www.aquaflowwaterblasting.com">fare clic qui</a>.
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Attributi del getto d’acqua pura

• Flusso molto sottile (gamma comune: da 0,08 a 0,25 mm in diametro)
• Geometria estremamente dettagliata
• Minima perdita di materiale causata dal taglio
• Il taglio non genera calore
• Taglio di materiali molto spessi
• Taglio di materiali molto sottili
• In genere taglia molto rapidamente
• Capacità di tagliare materiali morbidi e leggeri
• (ad es., materiali isolanti in fibra di vetro fino a uno spessore di 61 cm)
• Forze di taglio molto basse
• Fissaggio semplice
• Operatività 24 ore su 24

Il granato abrasivo viene usato nel 99% di tutte le macchine a getto d’acqua grazie alle sue proprietà di taglio, compattezza, costo, grado di usura della testa di taglio e sicurezza. Le dimensioni del granato abrasivo generalmente in uso oggi per il taglio a getto d’acqua varia da 50 a 220 mesh, l’abrasivo da 80 mesh è quello più comune. Più elevato è il numero di mesh e più fini saranno le dimensioni del grano di abrasivo. 320 mesh è simile alla polvere.

HyperPressure™ descrive una pompa per getto d’acqua che genera una pressione di 5200 bar o superiore. UHP corrisponde generalmente a una pressione da 2700 a 5200 bar e HyperPressure corrisponde a una pressione da 5200 bar o superiore. In generale, i sistemi a getto d’acqua con pressione standard operano tra 3800 e 4150 bar UHP, e i sistemi più avanzati includono pompe con un valore nominale di pressione di 6500 bar.

La sigla CFRP indica la plastica rinforzata con fibra di carbonio (Carbon Fiber Reinforced Plastic). I materiali compositi in fibra di carbonio sono usati nelle racchette da tennis, mazze da golf, protesi e velivoli moderni. Per questa definizione prenderemo in considerazione l’esempio degli aerei commerciali. Il materiale composito che Boeing ed Airbus usano per ali, longheroni, montanti e sezioni della coda viene considerato superiore all’alluminio. Il taglio di materiali compositi con procedure tradizionali di fresatura possono causare delaminazione, microfessure, strutture aghiformi (whisker) e sfilamento delle fibre. Il taglio con il getto d’acqua non causa questi problemi.

Attualmente, i materiali compositi leggeri e avanzati possono essere duri e rigidi al pari dell’acciaio o flessibili come la gomma, pur essendo in grado di resistere agli stress del volo supersonico. Le stesse proprietà che permettono a questi materiali di essere tanto robusti ne ostacolano notevolmente il taglio. I tecnologi dei materiali compositi continuano a ideare nuove combinazioni di materiali che sfidano i metodi di lavorazione tradizionali.

Fino a data recente, questi materiali non convenzionali venivano tagliati con metodi di taglio tradizionali, fresatrici con punte al carburo o diamantate, seghe a nastro, seghe a mano e ruote abrasive. Data la composizione e l’orientamento delle fibre dei materiali compositi avanzati, i metodi di taglio tradizionali li danneggiano con l’applicazione di calore o la creazione di bordi lacerati o delaminati. Inoltre, questi metodi sono spesso lenti, e richiedono un’ulteriore e costosa lavorazione per eliminare la delaminazione e altri problemi.

I materiali compositi possono presentarsi in molte forme diverse. I motori ad alte temperature usano metalli rinforzati con fibre ceramiche (materiale composito a matrice metallica). I tecnici cercano generalmente di ridurre il peso, offrendo al tempo stesso ulteriore solidità, maggiore flessibilità o resistenza termica. Questi materiali sono problematici per le officine meccaniche, ma possono essere tagliati velocemente e con precisione da un getto d’acqua Flow, senza comprometterne l’integrità.

In un sistema di movimento, i motori di azionamento prendono una corrente positiva/negativa dagli amplificatori di azionamento CNC per fornire una rotazione in senso orario o antiorario. Questa rotazione mette in movimento la macchina.

Per creare un flusso di getto d’acqua pura, la pressione dell’acqua deve essere convertita in velocità. Questa conversione avviene quando l’acqua passa attraverso un piccolissimo orifizio realizzato in pietra preziosa. L’orifizio in zaffiro, rubino o diamante ha un foro compreso tra 0,08 e 0,5 mm (più comunemente 0,35 mm). Maggiore la larghezza dell’orifizio e più acqua e potenza in CV occorre per mantenere la pressione.

Le dimensioni dell’orifizio non determinano la pressione massima dell’acqua - solo la potenza in CV e il disegno della pompa determinano la massima pressione. 

La rottura di un orifizio nel getto d’acqua ha due cause principali. Prima di tutto, il calcio potrebbe accumularsi sull’orifizio e poi staccarsi causando un guasto immediato dell’orifizio. In secondo luogo, il bordo dell’orifizio potrebbe arrotondarsi o rompersi in seguito all’impatto con una particella. Nel getto d’acqua, un orifizio è generalmente funzionante o guasto - un degrado graduale è meno comune. Gli orifizi in zaffiro e rubino possono durare da 40 a 200 ore, in base all’applicazione e alla pressione, con acqua di buona qualità. Un orifizio in diamante potrebbe essere da 8 a 10 volte più costoso, ma dura anche da 8 a 10 volte più a lungo.

Le pompe rotative ad azionamento diretto sono usate in oltre il 20% dei sistemi a getto d’acqua installati in tutto il mondo. A differenza delle pompe basate sugli intensificatori, la pompa rotativa ad azionamento diretto non ha una pompa idraulica. Chiamata a volte pompa triplex, il motore elettrico ruota una manovella con tre pistoni per generare l’acqua ad ultra alta pressione (UHP).

La pompa lineare con intensificatore è la tecnologia originale, e più comune, usata per il taglio a getto d’acqua. Le pompe con intensificatore usano il “principio di intensificazione” per la pressurizzazione dell’acqua.

Il “principio di intensificazione”, o rapporto, usa la differenza nell’area di pistone/stantuffo per intensificare o aumentare la pressione. L’olio idraulico viene pressurizzato e l’olio a bassa pressione spinge contro un pistone, che ha un lato anteriore con un’area di 20 volte superiore rispetto a quella dello stantuffo per alta pressione che spinge contro l’acqua. Di conseguenza, la pressione viene “intensificata” di venti volte. Ad esempio, 200 bar di pressione dell’olio generano 4150 bar di pressione dell’acqua, in seguito al rapporto 20:1 tra l’area del pistone e quella dello stantuffo.

Il settore del getto d’acqua usa definizioni diverse per indicare le differenze nei livelli di pressione. La pressione UHP rientra tra 2760 bar e 5170 bar. Per il taglio a getto d’acqua, la maggioranza delle pompe funziona con valori da 379 a 412 MPa.

In un sistema di movimento, il sistema di controllo prende il programma dei pezzi, le velocità e i comandi di attivazione/disattivazione del getto e li trasforma in una lingua comprensibile per il sistema elettrico. Generalmente viene usato un sistema CNC (computer numerical control - controllo numerico computerizzato ), un sistema di controllo basato su PC o un ibrido dei due sistemi.  

Per un’ulteriore spiegazione; un progettatore o designer potrebbe disegnare un quadrato da tagliare con un getto d’acqua utilizzando un programma CAD (computer aided design - progettazione assistita dal computer) come AutoCAD®. Un programmatore (potrebbe essere la stessa persona) prende quel disegno del quadrato sotto forma di file .dxf o .dwg e lo importa in un pacchetto software CAM (computer aided manufacturing - produzione assistita dal computer).  

A questo punto, il programmatore immette i punti in cui il getto d’acqua viene attivato o disattivato, la direzione del movimento, la compensazione di taglio e le velocità necessarie per il movimento. Questo file viene quindi inviato al sistema di controllo dove l’operatore (potrebbe di nuovo essere la medesima persona) apre il file nel sistema di controllo della macchina utensile, porta la testa di taglio nella posizione di avvio sopra il materiale da lavorare e avvia il ciclo per tagliare il pezzo.

Il sistema di controllo trasforma poi il file di taglio in corrente elettrica che passa dagli azionatori del sistema di controllo ai motori della macchina utensile per spostare la macchina.  Il sistema di controllo invia output digitali per aprire o chiudere automaticamente il flusso di acqua e l’aggiunta di abrasivo.  

In un sistema di movimento, il sistema di feedback offre informazioni sulla posizione e possibilmente sulla velocità al sistema di controllo CNC. Indica al sistema di controllo che la macchina ha svolto le azioni richieste.

Maggiore è il livello di dettaglio di azionamento, motore e feedback e più preciso sarà il movimento della testa di taglio del getto d’acqua. I sistemi di feedback possono essere codificatori collegati ai motori, metro a nastro o misuratore in vetro collegati al telaio della macchina nella direzione del movimento o con altri mezzi.

Il software per la programmazione viene anche chiamato software CAM (computer aided manufacturing - produzione assistita da computer). La programmazione del software viene generalmente eseguita su un PC, ma le macchine utensili possono anche essere programmate direttamente. Un programmatore importa un file di tipo .dxf o .dwg (o di altro formato), che contiene un disegno CAD creato in precedenza, oppure crea un nuovo disegno usando un pacchetto software CAM.

Un programmatore usa il software per la programmazione per immettere i punti in cui il getto d’acqua viene attivato o disattivato, la direzione del movimento, la compensazione di taglio e le velocità per il movimento necessari. Questo file viene poi inviato al sistema di controllo che lo usa per eseguire il taglio del pezzo.

Il solco di taglio viene definito come la larghezza del taglio oppure una scanalatura o fessura creata dal taglio. Nel taglio a getto d’acqua abrasivo, la larghezza del solco di taglio viene direttamente influenzata dal diametro del tubo di miscelazione. Il solco di taglio risulta più grande di circa il 10% rispetto al diametro del tubo di miscelazione.

Quindi, nel caso di un tubo di miscelazione da 0,76 mm, il solco sarà di 0,84 mm. Il solco aumenta naturalmente con l’aumentare delle dimensioni del tubo di miscelazione. Il tubo aumenta di circa 0,03 mm ogni 8 ore di funzionamento del getto.

La sottile larghezza di taglio del getto d’acqua offre un notevole vantaggio, consentendo di tagliare dei dettagli complessi. Un flusso di getto d’acqua pura varia da 0,08 a 0,38 mm; un getto d’acqua abrasivo varia da 0,38 a 1,78 mm (generalmente 1,02 mm).

Molto facile da impostare e operare, la tecnologia del taglio a getto d’acqua è un processo a freddo, che consente di produrre rapidamente lotti grandi o piccoli di pezzi, anche per progetti difficili. Il taglio a getto d’acqua è un processo di erosione supersonica.  Il getto d’acqua pura taglia materiali che possono essere tagliati con un coltello, mentre il getto d’acqua abrasivo permette di tagliare materiali più duri.

I sistemi di taglio longitudinale (slitting) consentono di tagliare i prodotti di carta in modo rapido ed efficiente. Le operazioni che utilizzando i sistemi di taglio longitudinale a getto d’acqua aumentano i profitti e i risparmi sui costi. I sistemi di taglio a getto d'acqua non causano dispersione di polvere nell'aria. L’assenza di polvere durante il taglio migliora le condizioni di lavoro, la sicurezza e ottiene un prodotto di qualità superiore. In molte applicazioni per carta velina e assorbente, il taglio longitudinale con getto d’acqua elimina il riavvolgimento facendo risparmiare sugli investimenti nelle attrezzature dato che consente il taglio nella linea di produzione.  Un dispositivo per il taglio longitudinale con getto d’acqua{b> <b}può essere installato direttamente sulla macchina e il bordo soddisfa tutti i requisiti per le operazioni di conversione. 

In una testa di taglio del getto d’acqua la pressione dell’acqua viene trasformata in velocità dell’acqua quando l’acqua attraversa l’orifizio in pietra preziosa.  

Nel taglio con il getto d’acqua abrasivo, la testa di taglio include anche la camera di miscelazione e il tubo di miscelazione.  A volte la testa di taglio include anche la valvola di apertura/chiusura.  Questa valvola si trova immediatamente al di sopra dell’orifizio e utilizza qualche tipo di valvola a fungo e configurazione di sede che consente all’operatore o al controllore CNC di avviare o arrestare il flusso del getto d’acqua.

Nel getto d’acqua, le tubazioni per alta pressione trasportano in sicurezza l’acqua dalla pompa che genera la pressione per il getto d’acqua alla testa di taglio. Le tubazioni possono includere linee in acciaio inossidabile un po’ flessibili con un diametro esterno di 6,35 mm, 9,5 mm o 14,3 mm, raccordi a T, gomiti e parti girevoli. Le tubazioni HyperPressure™ hanno una progettazione e valori nominali diversi rispetto alle normali tubazioni UHP.

Usato nel taglio a getto d’acqua abrasivo, il tubo di miscelazione è il componente finale nella testa di taglio.

La pressione dell’acqua viene trasformata in velocità dell’acqua quando l’acqua attraversa l’orifizio in pietra preziosa.

Il flusso del getto d’acqua supersonico entra quindi nella camera di miscelazione dove l’abrasivo viene inserito nella testa tramite un effetto Venturi. In seguito, l’acqua e l’abrasivo passano attraverso il tubo di miscelazione ed escono sotto forma di una miscela composta da acqua, abrasivo e un po’ d’aria.

Il tubo di miscelazione ha un diametro interno che varia da 0,38 a 1,78 mm, e una lunghezza che varia da 4 a 15 cm. Ha un cono interno di entrata. Il tubo di miscelazione più comune ha un diametro interno di 1,02 mm e una lunghezza di 10 cm. Questo tubo usa generalmente un granato abrasivo da 80 mesh. Durante il taglio normale, un tubo di miscelazione costruito con un materiale di alta qualità (carburo a nanostruttura granulare con pochissimo legante per aumentare al massimo la resistenza all’erosione) si consuma aumentando il diametro di circa 0,03 mm dopo 6 o 8 ore di funzionamento; l’usura avviene inoltre in modo concentrico.

Le valvole di controllo sono presenti nelle pompe per i getti d’acqua. Sono delle aperture a senso unico che permetto il passaggio, in questo caso dell’acqua, in un’unica direzione.

Ad esempio, l’acqua a bassa pressione scorre attraverso un tipico tubo per bassa pressione ed entra nella pompa in attesa di pressurizzazione. Dopo la pressurizzazione, quell’acqua non ha la possibilità di uscire attraverso la valvola di controllo per bassa pressione perché potrebbe immediatamente causare la rottura del tubo per bassa pressione. Un’altra valvola di controllo si apre invece per consentire all’acqua ad alta pressione di venire diretta in sicurezza alle linee in acciaio inossidabile per alta pressione per raggiungere la testa di taglio.

Nel taglio con getto d’acqua, l’aumento della pressione causa anche l’aumento della velocità del flusso del getto d’acqua.

Dopo l’uscita del flusso dall’orifizio, la velocità diventa la caratteristica principale. Dopo che ha superato l’orifizio, il flusso d’acqua non contiene più pressione.

Nel taglio a getto d’acqua abrasivo, la riduzione della quantità di abrasivo necessaria si ottiene con l’aumento della velocità del flusso, della rapidità del movimento dell’abrasivo, della velocità del taglio e con la riduzione del diametro del flusso. 

Durante il taglio con una sistema a getto d’acqua, quando il movimento della testa di taglio è uniforme e preciso, si può ottenere un bordo perfettamente liscio. Quando il taglio supera di circa il 50% il valore massimo di velocità, il fondo della superficie tagliata appare generalmente ondulato. Queste sono identificate come striature. La zona di transizione corrisponde alla profondità dove una superficie uniforme diventa striata. Al 70% del valore massimo di velocità, la zona di transizione si trova più vicino alla superficie di taglio rispetto al 60% del valore massimo.