Un'introduzione al taglio a getto d'acqua
Cos'è il taglio a getto d'acqua?
Taglio a getto d'acqua è un processo di taglio dei materiali che utilizza un getto d'acqua ad alta pressione, o una combinazione di acqua e materiale abrasivo, per tagliare vari materiali. Il processo prevede l'accelerazione dell'acqua ad alta velocità e il successivo indirizzamento verso il pezzo in lavorazione per produrre un taglio preciso e pulito.
Il taglio è un metodo di taglio versatile che può essere utilizzato per un'ampia gamma di materiali, inclusi metalli, plastica, compositi, pietre, ceramica e persino cibo. È un'alternativa popolare ai metodi di taglio tradizionali perché è rispettosa dell'ambiente, produce scarti minimi e non crea zone influenzate dal calore (HAZ) che possono alterare le proprietà del materiale da tagliare.
Breve storia e sviluppo
Il taglio a getto d’acqua affonda le sue radici nell’estrazione idraulica, utilizzata nel 1800 per estrarre minerali dal terreno utilizzando getti d’acqua ad alta pressione. Negli anni '1930, il concetto di taglio a getto d'acqua fu ulteriormente sviluppato per applicazioni industriali e negli anni '1950 fu introdotto il primo sistema di taglio a getto d'acqua commerciale.
Inizialmente i sistemi di taglio avevano capacità limitate e venivano utilizzati principalmente per tagliare materiali morbidi come carta e tessuti. Tuttavia, con lo sviluppo di pompe più potenti e teste di taglio più avanzate, il taglio a getto d’acqua è diventato in grado di tagliare materiali più duri come metallo, pietra e vetro.
Negli anni '1970 fu introdotto il taglio a getto d'acqua abrasivo, che prevedeva la miscelazione di materiali abrasivi, come il granato, con acqua per aumentare la potenza di taglio. Ciò ha consentito di utilizzare il taglio a getto d’acqua per materiali ancora più resistenti e da allora la tecnologia a getto d’acqua ha continuato ad evolversi e a migliorare.
Oggi il taglio viene utilizzato in un'ampia gamma di settori, dall'aerospaziale e automobilistico all'industria alimentare, alla lavorazione e all'arte. È diventata un'alternativa popolare ai metodi di taglio tradizionali, come taglio laser e taglio al plasma, grazie alla sua versatilità, precisione e rispetto dell'ambiente.
Principi di lavoro
Può essere realizzato con vari metodi, ma la maggior parte prevede la miscelazione di materiale abrasivo con acqua per erodere le particelle dal pezzo. Questo processo di produzione altamente versatile può tagliare, modellare e progettare un pezzo secondo specifiche precise.
Rispetto ad altri metodi di taglio come il taglio al plasma o al laser, il taglio a getto d’acqua presenta numerosi vantaggi. Offre una maggiore precisione, può gestire progetti complessi e può tagliare materiali termicamente sensibili senza alterarne le proprietà. Il materiale abrasivo agisce come la carta vetrata per erodere il pezzo in lavorazione, senza generare calore né alterarne la tempra. I bordi tagliati risultanti sono puliti e non richiedono ulteriore lavorazione prima della saldatura.
Il processo di taglio a getto d'acqua
Misurazione della larghezza del taglio
La larghezza del taglio si riferisce alla quantità di materiale rimosso durante il processo di taglio e originariamente veniva utilizzata per descrivere la larghezza del materiale rimosso da una lama da sega. Nel taglio a getto d'acqua, il taglio si riferisce alla larghezza del flusso d'acqua, che in genere è di 0.04 pollici o inferiore e crea angoli interni con un raggio corrispondente alla larghezza del flusso. Diversi fattori influenzano la dimensione del taglio, come lo spessore del materiale, il tipo, la qualità di taglio e la configurazione dell'ugello.
I progettisti devono considerare la dimensione del taglio nel determinare le dimensioni del prodotto finale. Ad esempio, se la larghezza del taglio è 0.042 pollici, le dimensioni del prodotto finale devono essere regolate di conseguenza per tenere conto della larghezza di taglio; in caso contrario, il prodotto finale risulterà sfasato di 0.042 pollici.
A seconda dello spessore del materiale, della sua durezza e delle caratteristiche della testa di taglio a getto d'acqua, è possibile formare una delle tre conicità: conicità a V, conicità inversa o conicità a botte. La maschiatura deve essere presa in considerazione durante la pianificazione del progetto. Inoltre, l'operatore del processo di taglio deve regolare i parametri della macchina da taglio a getto d'acqua per ridurre al minimo l'angolo di rastremazione.
Foratura iniziale con getto d'acqua
Il taglio iniziale creato da una taglierina a getto d'acqua è noto come sfondamento, che ha una larghezza maggiore rispetto al taglio normale. Lo sfondamento segna l'inizio del processo di taglio a getto d'acqua e può essere eseguito attraverso diverse tecniche, inclusi metodi stazionari, lineari, circolari e a bassa pressione. La tecnica di perforazione scelta dipende dallo specifico materiale da tagliare e dalla quantità di scarti prodotti.
Rastremandosi nella larghezza del taglio
Questo taglio genera una rastremazione a forma di V, che è la differenza nella larghezza del taglio nella parte superiore e inferiore del taglio. Questa rastremazione si verifica perché il flusso d'acqua perde energia mentre penetra più in profondità nel materiale, con la conseguenza che viene rimosso più materiale nella parte superiore che in quella inferiore.
Quando si tagliano materiali morbidi e flessibili, a velocità di taglio basse può verificarsi una rastremazione inversa, dove la larghezza del taglio è più ampia nella parte inferiore a causa della maggiore rimozione del materiale.
Inoltre, le rastremazioni a botte possono formarsi in materiali estremamente spessi, dove il taglio è più largo al centro.
Sebbene la rastremazione non sia un problema per la maggior parte dei lavori di taglio, può creare problemi negli utensili di precisione, dove i pezzi tagliati devono combaciare accuratamente. In questi casi, è necessario considerare e gestire la rastremazione per garantire tagli precisi.
Pressurizzazione
Per pressurizzare l'acqua per il taglio vengono utilizzati vari metodi, tra cui intensificatori lineari e pompe rotative ad azionamento diretto. Entrambi i tipi di pompe comprendono un motore, filtri dell'acqua, sistemi di controllo e sensori.
Le pompe con intensificatore lineare utilizzano olio idraulico in condizioni pressurizzate di circa 3000 psi. L'olio a bassa pressione agisce su un pistone con una superficie 20 volte più grande dello stantuffo ad alta pressione che preme contro l'acqua. A causa della differenza dimensionale tra la pompa a bassa e quella ad alta pressione, la pressione sullo stantuffo più grande viene intensificata 20 volte, ottenendo una pressione di 60,000 psi.
A differenza della pompa con moltiplicatore lineare che utilizza olio idraulico, la pompa rotativa a trasmissione diretta funziona senza di esso. Comprende un motore elettrico che aziona una manovella, che aziona i pistoni che generano la pressione dell'acqua. Le pompe a trasmissione diretta sono dotate di motori da 30 CV e dispongono di un ingresso che fornisce acqua alla pompa.
Tubi ad alta pressione
Dopo aver lasciato la pompa, l'acqua pressurizzata viene trasportata attraverso un tubo ad alta pressione alla testa di taglio. Questo tubo è estremamente durevole, caratterizzato da resa e resistenza alla trazione eccezionali, nonché da una superficie interna liscia. È generalmente realizzato con un tubo a pressione in acciaio inossidabile lavorato a freddo o termoplastico, disponibile in dimensioni che vanno da 0.25 pollici fino a 0.563 pollici e in varie lunghezze per adattarsi a diversi modelli di taglierine a getto d'acqua.
Testa di taglio
Mentre l'acqua pressurizzata attraversa la testa di taglio, passa attraverso un orifizio fatto di diamante, rubino o zaffiro, che ha un foro più piccolo della punta di uno spillo. La velocità dell'acqua aumenta rapidamente fino a oltre 90,000 psi o 2500 mph mentre passa attraverso l'orifizio. La potenza della testa di taglio influisce direttamente sul processo di taglio e una testa di taglio con utensili di precisione può durare dalle 500 alle 1000 ore se utilizzata correttamente.
Esistono due tipologie principali: taglio a getto d'acqua puro e taglio a getto d'acqua abrasivo.
Taglio a getto d'acqua puro
Il taglio a getto d'acqua puro utilizza solo acqua, che viene pressurizzata e diretta verso il materiale da tagliare. Questo metodo è adatto per tagliare materiali morbidi come gomma, schiuma e carta. Le frese a getto d'acqua puro sono il tipo più antico di utensili da taglio a getto d'acqua. Sono preferiti perché creano un'umidità minima sulla superficie del pezzo, riducendo così il rischio di deformazione. Queste frese producono un flusso stretto che consente tagli precisi con una perdita di materiale minima. La testa di taglio di una taglierina a getto d'acqua pura contiene tipicamente un gioiello, ma i rubini non sono adatti all'uso con acqua pura. Il flusso viaggia a velocità di Mach 2 per 40,000 psi e Mach 3 per 60,000 psi.
Taglio a getto d'acqua abrasivo
Il taglio a getto d'acqua abrasivo prevede la miscelazione di materiale abrasivo, tipicamente granato, con acqua ad alta pressione per aumentarne la potenza di taglio. Questo metodo è adatto per tagliare materiali più duri come metalli, pietra, vetro e ceramica.
Un materiale abrasivo viene introdotto nella testa di taglio di un sistema di taglio a getto d'acqua abrasivo, dove viene opportunamente miscelato con il flusso d'acqua. L'aggiunta di un abrasivo affina il getto e migliora l'efficacia del taglio. Di conseguenza, una taglierina a getto d’acqua abrasiva può tagliare qualsiasi materiale, indipendentemente dal suo spessore o durezza.
Applicazioni
Ha una vasta gamma di applicazioni in vari settori. Alcune applicazioni comuni includono:
Aeronautico
Viene utilizzato per tagliare materiali come titanio e compositi per componenti aerospaziali come parti di motori e interni di aerei.
Automotive
Viene utilizzato per tagliare parti in metallo e plastica di automobili e camion.
Architettura
Il taglio viene utilizzato per creare disegni e motivi complessi sulle facciate degli edifici e sugli elementi interni come pavimenti, pareti e controsoffitti.
Alimentare
Questo taglio viene utilizzato per tagliare prodotti alimentari come frutta, verdura e carne, nonché per lavorare materiali come formaggio e cioccolato.
Medicale
Viene utilizzato per tagliare dispositivi e strumenti medici, nonché per creare impianti e protesi.
Arte e scultura
Questo taglio viene utilizzato per creare disegni e forme complessi in metallo, pietra e vetro per scopi artistici.
Produzione
Viene utilizzato per tagliare un'ampia varietà di materiali per varie applicazioni di produzione, tra cui guarnizioni, tenute e parti di macchine.
Vantaggi
Offre numerosi vantaggi rispetto ad altri metodi di taglio. Alcuni dei principali vantaggi includono:
Versatilità
Il taglio a getto d'acqua può tagliare un'ampia gamma di materiali, inclusi metalli, plastica, ceramica, compositi e altro ancora. Può anche tagliare forme e motivi complessi con precisione.
Nessuna zona interessata dal calore
Non genera calore durante il processo di taglio, il che significa che non è presente alcuna zona interessata dal calore (HAZ) nel materiale da tagliare. Ciò lo rende ideale per il taglio di materiali sensibili al calore, come metalli e plastica.
Perdita di materiale minima
Il taglio a getto d'acqua produce un taglio stretto, il che significa che la perdita di materiale durante il processo di taglio è minima. Ciò può comportare un risparmio sui costi, soprattutto quando si tagliano materiali costosi.
Ecologico
Il taglio a getto d'acqua non produce rifiuti pericolosi né emette fumi nocivi, rendendolo un metodo di taglio rispettoso dell'ambiente.
Cassetta di sicurezza
Non produce scintille né genera calore, il che lo rende un metodo di taglio più sicuro rispetto ad altri come il taglio al plasma o al laser.
Non c'è bisogno di rifiniture secondarie
Il taglio a getto d'acqua produce bordi lisci e privi di bave, il che significa che non sono necessarie operazioni di finitura secondarie come levigatura o lucidatura.
Limitazioni del taglio a getto d'acqua
Sebbene il taglio a getto d’acqua presenti numerosi vantaggi, presenta anche alcune limitazioni. Alcune delle limitazioni principali includono:
Spessore limitato
Il taglio a getto d'acqua è più efficace su materiali fino a 4-6 pollici di spessore. Per materiali più spessi, altri metodi di taglio potrebbero essere più appropriati.
Velocità di taglio più lenta
Questo taglio è generalmente più lento rispetto ad altri metodi di taglio, come il taglio al plasma o al laser. Ciò può renderlo meno efficiente per la produzione di volumi elevati.
Costo dell'investimento iniziale
Le macchine da taglio a getto d’acqua possono essere costose, il che può rendere difficile per le piccole imprese o i privati permettersele.
Creare polvere
Il taglio a getto d'acqua abrasivo può creare polvere e detriti dal materiale abrasivo, che possono essere pericolosi se non adeguatamente controllati.
Elevati requisiti di manutenzione
Le macchine da taglio a getto d'acqua richiedono una manutenzione regolare, compresa la sostituzione delle parti usurate e il monitoraggio della qualità dell'acqua.
Conclusione
Il taglio a getto d'acqua è un metodo di taglio altamente versatile e preciso che offre numerosi vantaggi rispetto ad altri metodi di taglio. È in grado di tagliare con precisione un'ampia gamma di materiali, non produce zone interessate dal calore ed è rispettoso dell'ambiente. Viene utilizzato in vari settori, tra cui aerospaziale, automobilistico, architettonico, alimentare, medico, artistico e manifatturiero.
Tuttavia, il taglio a getto d’acqua presenta alcune limitazioni, come spessore limitato, velocità di taglio più lenta ed elevati requisiti di manutenzione. Nonostante queste limitazioni, il taglio a getto d’acqua rimane un metodo di taglio popolare ed efficace per un’ampia gamma di applicazioni.