Slovník k Vodnímu Paprsku

U abrazivního vodního paprsku proud vody urychlí částice brusiva, které pak narušují řezaný materiál. Abrazivní vodní paprsek je mnohem výkonnější než čistá voda a umožňuje řezat tvrdé materiály, které samotnou vodou řezat nelze (jako například kovy, sklo, kámen, kompozity). Při standardním použití lze abrazivním vodním paprskem řezat materiály s tvrdostí korundu (keramický oxid hlinitý, AD 99,9) a mírně vyšší. 
 

Vlastnosti abrazivního vodního paprsku

• Mimořádně všestranná metoda
• Absence tepelně ovlivněných zón
• Žádné mechanické namáhání
• Snadné programování
• Tenký paprsek (průměr 0,5-1,25 mm)
• Opracování i složitých geometrických tvarů
• Řezání i tenkých materiálů
• Řezání i materiálů o tloušťce přes 150 mm
• Řezání ve více vrstvách
• Minimální ztráta materiálu při řezání
• Jednoduché upevnění
• Malé řezné síly (méně než 4,4 N)
• Jedno nastavení paprsku lze použít pro téměř každou práci
• Snadné přecházení z jedné na více hlav
• Rychlý přechod z čistě vodního paprsku na abrazivní
• Menší potřeba následného opracování
• Minimální nebo žádný otřep

Rotační čerpadla s přímým pohonem lze najít ve více než 20 % systémů s vodním paprskem ve světě. Tato čerpadla na rozdíl od multiplikátorů nemají hydraulický okruh. Někdy se označují jako triplexová čerpadla, kde elektromotor otáčí klikovou hřídelí se třemi písty a ty generují velmi vysoký tlak vody.

Paprsek čisté vody je původní metoda dělení. První komerční aplikace se objevily v první polovině 70. let minulého století a jednalo se o řezání vlnité lepenky. Dnes se čistou vodou nejčastěji řežou měkké materiály – těsnění, pěna, jednorázové plenky, hedvábný papír, plast, koberce a potraviny. Při řezání hedvábného papíru a jednorázových plenek vytváří vodní paprsek v materiálu méně vlhkosti, než dotek rukou nebo dýchnutí.

Čistý vodní paprsek lze také použít k odstranění starých nátěrů, například na lodích. Pokud by vás zajímal tento způsob použití, klikněte sem.

Vlastnosti čistého vodního paprsku

• Velmi tenký paprsek (nejčastější průměr je 0,07–0,25 mm)
• Opracování i složitých geometrických tvarů
• Minimální ztráta materiálu při řezání
• Nedochází k zahřívání materiálu
• Řezání velmi silných materiálů
• Řezání velmi tenkých materiálů
• Řezání je obvykle velmi rychlé
• Možnost řezat měkký, lehký materiál (např. skelnou vatu ve vrstvě až 60 cm silné)
• Velmi nízké řezné síly
• Jednoduché upínání
• Nepřetržitý provoz

Dynamic Waterjet® je patentovaná technologie firmy Flow, která zvyšuje rychlost řezání 2 až 4x a současně snižuje toleranci rozměrů u hotových obrobků.

Vodní paprsek při řezání vysokou rychlostí způsobuje dvě chyby:  zpoždění paprsku a úkos. Zpoždění paprsku je situace, kdy paprsek řezaný obrobek opouští v jiném bodě, než ve kterém do něj vstupuje. Úkos je klínovitý tvar řezu. Zpoždění i úkos lze minimalizovat zpomalením paprsku (obvykle na 15 až 20 % maximální řezné rychlosti), ale nelze je zcela eliminovat.

Systém Dynamic Waterjet zajišťuje vysokou rychlost řezání tím, že automaticky naklání řezací hlavu na stranu, takže veškerý úkos je na straně odřezku, a také mírně také dopředu, čímž se kompenzuje zpoždění paprsku. Tato kompenzace probíhá automaticky na pozadí provozu stroje. Operátor nebo programátor nemusí náklonové úhly programovat, o to se stará řídicí systém.  Náklon je průběžně upravován podle rychlosti řezání – např. u rohů a oblouků s přesnými rozměry hlava zpomalí.

Chcete-li vytvořit paprsek z čisté vody, tlak vody je nutno převést na její rychlost. Tento převod probíhá při průchodu vody malou tryskou zhotovenou z drahých kamenů. Otvor v trysce, zhotovené ze safíru, rubínu nebo diamantu má rozměr 0,07–0,50 mm (nejběžnější velikost je 0,35 mm). Čím větší otvor, tím více vody a větší výkon čerpadla je k udržení tlaku zapotřebí.

Velikost otvoru v trysce neurčuje maximální tlak vody – ten je dán pouze výkonem a konstrukcí čerpadla. 

Ke zničení trysky může dojít ze dvou základních příčin. Za prvé, může se vytvořit vodní kámen, při jehož uvolnění dojde k okamžitému selhání trysky. Za druhé, narážející částice mohou hranu otvoru ohladit nebo odštípnout. Tryska je při řezání vodním paprskem obvykle buď dobrá, nebo špatná – postupná degradace je méně častá. Safírové a rubínové trysky vydrží při kvalitní vodě 40 až 200 hodin, v závislosti na aplikaci a tlaku. Diamant může být 8–10x dražší, ale také 8–10x déle vydrží.

Granátové abrazivo se používá u 99 % všech vodních řezacích strojů díky svým řezacím schopnostem, homogenitě, ceně, menšímu opotřebení řezací hlavy a bezpečnosti. Velikost částic se při řezání vodním paprskem obvykle pohybuje v rozmezí 0,07 až 0,3 mm, nejběžnější hodnota je 0,18 mm. Čím vyšší hodnota Mesh, tím jemnější jsou zrna abraziva. Zrnitost Mesh 320 jsou částice podobné prachu.

Při řezání vodním paprskem se hustota výkonu vztahuje k množství energie soustředěné na určitou plochu. Tenčí paprsek při vyšším tlaku znamená, že se pohybuje vyšší rychlostí a dosáhne tak vyšší hustotu výkonu než širší paprsek při nižším tlaku.  

Elektromotory, které jsou součástí pohonného systému, přijímají kladný nebo záporný proud z CNC zesilovačů a zajišťují otáčení po směru nebo proti směru hodinových ručiček. Otáčení motorů tak zajišťuje pohyb stroje.

Čerpadlo s multiplikátorem je původní a nejčastěji používanou technologií při řezání vodním paprskem. Tato čerpadla tlakují vodu pomocí tzv. multiplikačního efektu.

Multiplikační efekt nebo poměr využívá rozdílu mezi plochou pístu a vysokotlakého pístu k násobení nebo zvýšení tlaku. Stlačený hydraulický olej tlačí na talíř pístu, který má 20x větší plochu než čelo vysokotlakého pístu stlačujícího vodu. Takto je tlak dvacetkrát zvýšen. Například olej o tlaku 200 bar natlakuje při poměru ploch pístů 20:1 vodu na tlak 4.100 bar.

Nouzový vypínač umožňuje zastavit kdykoli obráběcí stroj a okamžitě uvést do bezpečného režimu. Nouzové vypínače jsou vždy červené a dobře viditelné. Stisknutí nouzového vypínače při řezání vodním paprskem zastaví řezání a pohyb stroje; a pokud je tak stroj konstruován, také vypne čerpadlo a odpustí tlak z vysokotlakých rozvodů.

Systémy používající pro dělení vodní paprsek dokáží rychle a efektivně stříhat papírové výrobky. Tato metoda zvyšuje ziskovost výroby a šetří náklady. Při řezání vodním paprskem se do ovzduší nedostává žádný prach. Bezprašné řezání zlepší vaše pracovní podmínky a bezpečnost práce a navíc zajistíte kvalitnější výrobky. Při dělení vodním paprskem ve výrobě hygienických kapesníčků a utěrek často odpadá potřeba role převíjet, čímž se šetří investiční náklady.  Střihací modul lze instalovat přímo na výrobní stroj – vysoce kvalitní řez umožňuje kombinování polotovaru s dalšími díly a materiály. 

Programovací software, se také nazývá CAM (výroba za pomoci počítače). Programovací software je obvykle instalován v osobním počítači, naprogramování však lze provést i přímo na obráběcích strojích. Programátor naimportuje výkres z programu CAD (ve formátu .dxf, .dwg atd.) nebo součást vytvoří přímo v programu CAM.

Za pomoci programovacího software pak programátor přidá místa, kde se má vodní paprsek spustit a zastavit, směr trasy, kompenzaci řezu a potřebné rychlosti řezání. Tento soubor je pak odeslán řídicímu systému, aby jej použil při vyřezání dílu.

Při řezání vodním paprskem, kde je pohyb řezací hlavy plynulý a přesný, lze vytvořit hladké okraje. Jakmile řezná rychlost přesáhne přibližně 50 % maxima, obvykle se v dolní části plochy řezu objeví zvlnění. Jedná se o tzv. rýhování. Přechodová zóna je hloubka, od níž je materiál rýhovaný. Při rychlosti na 70 % maxima bude přechodová zóna na řezu výš než při 60 %.

Přesnost hotových obrobků je dána součtem tří faktorů: procesní chyby (technologie vodního paprsku), chyby stroje (rychlost v osách XY, plynulost a přesnost pohybu) a stability obrobku (upnutí, rovinnost, homogenita, tepelná stabilita).

Vodní paprsek není tuhý, ale může se ohýbat a v materiálu pohybovat.   Na přesnost obrobku mohou mít vliv parametry paprsku a jeho charakter - zpoždění paprsku, klínový úkos, rychlost brusiva atd.). O optimalizaci těchto parametrů se výrobci vodních řezacích systémů snaží už mnoho let.

Systém Dynamic Waterjet® automaticky kompenzuje zpoždění paprsku a úkos, což umožňuje 2–4x rychlejší řezání a přesnost výrobku s tolerancí 0,07–0,25 mm.

Při řezání vodním paprskem s rostoucím tlakem stoupá i rychlost paprsku.

Jakmile proud vody opustí trysku, záleží už jen na rychlosti. Voda po průchodu dýzou ztrácí tlak.

Při abrazivním řezání platí, že čím je paprsek rychlejší, tím rychleji se abrazivo pohybuje, současně je řezání rychlejší, zmenšuje se průměr paprsku a klesá spotřeba abraziva. 

Řezací hlava vodního paprsku je místem, kde je tlak vody převeden na rychlost proudy při průchodu dýzou z polodrahokamu.  

Při řezání abrazivním vodním paprskem je součástí hlavy také směšovací komora a trubice.  Někdy se ve spojení s řeznou hlavou hovoří také o vypínacím ventilu.  Tento ventil je v místě těsně nad dýzou a využívá jistý typ jehly a sedla a umožňuje operátorovi nebo řídicímu systému stroje vodní paprsek spustit a zastavit.

Řezání vodním paprskem je velmi snadné na přípravu a obsluhou. Jedná se o řezání zastudena, s nimiž lze rychle vyrábět malé nebo velké série obrobků s jednoduchou i složitou geometrií. Řezání vodním paprskem je erozivní proces při nadzvukové rychlosti.  Čistý vodní paprsek řeže materiály, které lze krájet nožem, abrazivní paprsek dokáže řezat jakýkoliv tvrdší materiál.

Řeznou spárou se rozumí šířka řezu, nebo také drážka či štěrbina vzniklá řezáním. U abrazivního vodního paprsku je šířka řezné spáry přímo dána průměrem směšovací trubice. Řezná spára je asi o 10 % větší než průměr směšovací trubice.

Například při průměru směšovací trubice 0,76 mm bude tedy řezná spára široká 0,083 mm. Samozřejmě s rostoucí velikostí trubice se zvětšuje i řezná spára. Vnitřní průměr trubice se zvětšuje asi o 0,025 mm za 8 hodin provozu.

Tenká řezná spára u vodního paprsku je jeho hlavní výhodou; umožňuje vyřezávat i složité detaily. Čistý vodní paprsek má průměr 0,07–0,35 mm, abrazivní pak 0,35–1,8 mm (obvykle 1 mm).

Řídicí systém přebírá výrobní program obrobku a pokyny k rychlosti řezání a nasazení a vypnutí paprsku a převádí je na instrukce pro elektrický systém stroje. Obvykle se používá řídicí systém číslicový (CNC), počítačový nebo kombinace obou.  

Abychom to dále vysvětlili: inženýr nebo konstruktér nakreslí v CAD programu (například AutoCAD®) třeba čtverec, který má být vyříznut vodním paprskem. Programátor (může to být tatáž osoba) pak výkres čtverce (v souboru formátu .dxf nebo .dwg) přenese do výrobního programu CAM.  

V něm programátor přidá místa, kde se má vodní paprsek spustit a zastavit, směr trasy, kompenzaci řezu a potřebné rychlosti řezání. Soubor je pak odeslán do řídicího systému, kde jej operátor (opět to může být tatáž osoba) otevře v řídicím systému obráběcího stroje, umístí řezací hlavou do výchozí polohy nad zpracovávaný materiál a stiskne tlačítko k vyříznutí dílu.

Řídicí systém pak na základě souboru generuje elektrické signály do motorů stroje.  Řídicí systém také automaticky vysílá digitální signály ke spuštění a zastavení proudu vody a brusiva.  

Směšovací trubice je umístěna na samém konci řezné hlavy. Používá se při řezání abrazivním vodním paprskem. Když voda prochází tryskou z drahokamu, tlak vody se mění na rychlost proudu.

Vodní paprsek dosahující nadzvukové rychlosti pak vstupuje do směšovací komory, kam je pomocí Venturiho efektu přisáváno abrazivo. Obě látky pak procházejí směšovací trubicí a opouštějí hlavu jako směs vody, abraziva a malého množství vzduchu.

Směšovací trubice mívá vnitřní průměr 0,4–1,8 mm a je 22–150 mm dlouhá. Je vybavena vnitřním vstupním kuželem. Trubice mívá nejčastěji vnitřní průměr 1 mm, je 100 mm dlouhá. Obvykle se do ní používá granátový písek o zrnitosti Mesh 80. Při obvyklém způsobu řezání se u trubice vyrobené z vysoce kvalitního materiálu (kompozitní karbid s nano částicovou strukturou a minimem pojiva, zajišťující maximální odolnost proti otěru) opotřebením rozšíří trubice přibližně o 0,025 mm za 6 až 8 hodin, a toto opotřebení je symetrický.

Tento systém na pohybovém ústrojí zajišťuje informace o pozici a případně rychlosti paprsku pro řídicí systém CNC. Jinými slovy informuje řídicí systém, že stroj provedl požadovanou činnost.

Čím vyšší rozlišení v pohybu hnacího systému a motorů a ve zpětné vazbě, tím přesnější bude pohyb řezací hlavy. Jako systém zpětné vazby mohou sloužit enkodéry spojené elektromotorym, lineární měřítka připevněná k rámu přístroje ve směru pohybu nebo jiné prostředky.

HyperPressure™ je ultra vysokotlaké čerpadlo o tlaku min. 5.200 bar. Za ultra vysoký tlak se obvykle považuje 2.800–5.200 bar, HyperPressure pracuje s tlakem vyšším než 5.200 barů. Standardní vodní systémy obecně pracují s ultra vysokými tlaky v rozmezí 3.800–4.100 bar, nejmodernější systémy jsou vybaveny čerpadly s tlakem 6.500 bar.

Uhlíkový kompozit je vlastně plast vyztužený uhlíkovými vlákny. Tento materiál je využíván k výrobě tenisových raket, golfových holí, protéz a moderních letadel. Jako příklad pro vysvětlení použijeme civilní letadlo. Velcí výrobci civilních letadel, Boeing a Airbus, z kompozitů vyrábějí křídla včetně podélných výztuží i ocasní části, protože tento materiál má lepší vlastnosti než hliník. Při dělení kompozitů tradičním obráběním může při frézování docházet k delaminaci, trhlinkám a povytažení i vytržení vláken. Při použití vodního paprsku k ničemu takovému nedochází.

Moderní kompozitní materiály jsou lehké, ale dokáží být tvrdé a tuhé jako ocel nebo pružné jako guma, a přitom stále zvládají i namáhání nadzvukového letu. A přesně z těchto důvodů se kompozitní materiály velmi těžko řežou. Výrobci navíc uvádějí na trh nové a nové kombinace materiálů, které není možné tradičním obráběním zpracovávat.

Až donedávna se k řezání těchto netradičních materiálů používaly konvenční metody: soustruhy, frézy, kotoučové pily a brusné kotouče s diamantovými nebo karbidovými hroty. Vzhledem ke složení a orientaci vláken moderních kompozitů však docházelo k poškození - nadměrnému zahřátí - a roztřepení nebo delaminaci hran. Mnohdy bylo proto nutné materiály následně nákladně opracovat a řezání bylo navíc často pomalé.

Kompozity se objevují v mnoha různých formách. Do žáruvzdorných motorů se používají kovy vyztužené keramickými vlákny (kompozity s kovovou matricí). Inženýři se obvykle snaží snížit hmotnost a zároveň zajistit vyšší pevnost a pružnost nebo odolnost vůči vysokým teplotám. S takovými materiály mají výrobní provozy velké problémy, při řezání vodním paprskem od firmy Flow je však lze řezat rychle, přesně a bez poškození.

V oboru řezání vodním paprskem existují různé definice pro úrovně tlaků. Ultra vysoký tlak je mezi 2800-5200 bar. Při řezání vodním paprskem většina čerpadel pracuje s tlakem v rozpětí 3.800-4.100 bar.

Jedná se o efekt, kdy při vysoké rychlosti proudící kapaliny nebo jiného média vzniká při přechodu ze širší do užší části trubice vakuum. Při abrazivním řezání vodním paprskem dochází průchodem proudu čisté vody přes širší směšovací komoru do úzké směšovací trubice k Venturiho efektu.

Abrazivo je následně díky Venturiho efektu vtaženo do směšovací komory, urychleno a vystřeleno ze směšovací trubice jako kulka z pušky, čímž vzniká abrazivní vodní paprsek.

Vysokotlaké potrubí při řezání vodním paprskem bezpečně dopravuje vodu z čerpadla do řezací hlavy. Může se skládat z částečně pružných trubek z nerezové oceli o vnějším průměru ¼“, 3/8“ nebo 9/16“, z téček, kolen, otočných úhlových spojek. Potrubí HyperPressure™ má trochu jinou konstrukci a parametry než normální vysokotlaké potrubí.

Zpětné ventily jsou součástí čerpadel, používaných při řezání vodním paprskem. Slouží jako jakési jednosměrné dveře, které v tomto případě propouštějí vodu jen jedním směrem.

Například voda je do systému přiváděna běžnou nízkotlakou hadicí a v čerpadle bude stlačena. Po stlačení se pak voda nemůže vrátit přes zpětný ventil, jinak by okamžitě vstupní hadici roztrhla. Namísto toho se otevře další zpětný ventil a vypustí natlakovanou vodu bezpečně do nerezového tlakového potrubí a dále do řezací hlavy.

Uváděná hodnota zrnitosti neznamená, že mají všechny částice přesně danou velikost, ale představuje rozdělení částic ve vzorku. V abrazivu o zrnistosti Mesh 80 budou některé částice větší a některé menší než přesně Mesh 80. Zrnitost se obvykle určuje proséváním abraziva přes řadu sít, která jsou čím dál tím hustší. Pro použití v abrazivním vodním paprsku se typicky používá zrnitost Mesh 220 - 50 , nejběžnější je pak 80 a 120. Čím vyšší hodnota Mesh, tím menší jsou částice abraziva.