Wat is watersnijden/waterstraalsnijden?

Een waterstraalsnijder, ook bekend als watersnijder of waterjet, is een industrieel gereedschap dat in staat is om een grote verscheidenheid aan materialen te snijden met behulp van een extreem hoge druk waterstraal, of een mengsel van water en een schurende substantie. De term abrasieve straal verwijst specifiek naar het gebruik van een mengsel van water en schuurmiddel om harde materialen zoals metaal, steen of glas te snijden, terwijl de termen zuiver waterstraal snijden en snijden met alleen water verwijzen naar waterstraalsnijden zonder gebruik van toegevoegde schuurmiddelen, vaak gebruikt voor zachtere materialen zoals hout of rubber.

Waterstraalsnijden (of watersnijden) wordt vaak gebruikt bij de fabricage van machineonderdelen. Het is de voorkeursmethode wanneer de te snijden materialen gevoelig zijn voor de hoge temperaturen die bij andere methoden worden gegenereerd; voorbeelden van dergelijke materialen zijn plastic en aluminium. Watersnijden wordt gebruikt in diverse industrieën, waaronder de mijnbouw en de lucht- en ruimtevaart, voor snijden, vormen en ruimen.

Watersnijders zijn bij uitstek geschikt voor zware en lucratieve toepassingen voor het snijden van metaal. Meer dan alleen de gebruikelijke materialen zacht staal en aluminium, snijden waterjets met gemak titanium, Inconel®, messing en gereedschapsstaal. Of u nu 8 inch dik titanium of 1/4 inch aluminium snijdt, u zult ontdekken dat Flow waterjets veelzijdig genoeg zijn om een verscheidenheid aan vormen en materialen te snijden.

Omdat er absoluut geen mechanische spanning, warmtevervorming of warmte-beïnvloede zone (HAZ) is, kan secundaire bewerking meestal worden geëlimineerd. U krijgt een satijn gladde rand rechtstreeks van de waterstraaltafel.

Omdat waterjets snijden met een smalle kerf, meestal 0,030″ tot 0,040″, kunnen onderdelen strak in elkaar worden genest of in een gemeenschappelijke lijn worden gesneden zodat het grondstofgebruik wordt gemaximaliseerd. Dit betekent minder afval op uw vloer en meer geld in uw zakken.

De evolutie van waterstraalsnijden

Hoewel het gebruik van water onder hoge druk voor erosie al dateert van het midden van de jaren 1800 met hydraulische mijnbouw, was het pas in de jaren 1930 dat smalle waterstralen hun intrede deden als een industrieel snijwerktuig. In 1933 ontwikkelde de Paper Patents Company in Wisconsin een papiermeet-, -snij- en -oprolmachine die een diagonaal bewegende waterstraalpijp gebruikte om een horizontaal bewegend vel kettingpapier door te snijden. Deze eerste toepassingen waren bij een lage druk en beperkt tot zachte materialen zoals papier.

De waterstraaltechnologie evolueerde in de naoorlogse periode toen onderzoekers over de hele wereld op zoek gingen naar nieuwe methodes voor efficiënte snijsystemen. In 1956 ontwikkelde Carl Johnson van Durox International in Luxemburg een methode voor het snijden van plastic vormen met behulp van een dunstraal hoge druk waterstraal, maar die materialen, zoals papier, waren zachte materialen. In 1958 ontwikkelde Billie Schwacha van North American Aviation een systeem waarbij vloeistof onder ultrahoge druk werd gebruikt om harde materialen te snijden. Dit systeem gebruikte een pomp van 690 MPa (100.000 psi) om een hypersonische vloeistofstraal te leveren waarmee legeringen met een hoge sterkte, zoals PH15-7-MO roestvrij staal, konden worden gesneden. Gebruikt om honingraat laminaat te snijden voor de Mach 3 Noordamerikaanse XB-70 Valkyrie, resulteerde deze snijmethode in delaminatie bij hoge snelheid, waardoor wijzigingen in het fabricageproces nodig waren.

Terwijl snijden met water mogelijk is voor zachte materialen, maakte de toevoeging van een abrasief de waterstraal tot een modern bewerkingswerktuig voor alle materialen. Dit begon in 1935 toen het idee om een abrasief aan de waterstroom toe te voegen werd ontwikkeld door Elmo Smith voor het vloeibaar stralen. Het ontwerp van Smith werd in 1937 verder verfijnd door Leslie Tirrell van de Hydroblast Corporation, wat resulteerde in een ontwerp van een straalpijp die een mengsel van water en straalmiddel onder hoge druk creëerde voor het doel van natstralen.

De eerste publicaties over modern abrasief waterstraalsnijden (AWJ) werden gepubliceerd door Dr. Mohamed Hashish in de BHR proceedings van 1982, waarin voor het eerst werd aangetoond dat waterjets met relatief kleine hoeveelheden abrasief in staat zijn om harde materialen zoals staal en beton te snijden. Het maartnummer 1984 van het tijdschrift Mechanical Engineering toonde meer details en materialen die met AWJ waren gesneden, zoals titanium, aluminium, glas en steen. Dr. Mohamed Hashish kreeg in 1987 een octrooi op het vormen van AWJ. Dr. Hashish, die ook de nieuwe term abrasieve waterstraal bedacht, en zijn team bleven de AWJ-technologie en de bijbehorende hardware ontwikkelen en verbeteren voor vele toepassingen die nu in meer dan 50 industrieën wereldwijd worden gebruikt. Een cruciale ontwikkeling was het creëren van een duurzame mengbuis die bestand was tegen de kracht van de hogedruk AWJ, en het was Boride Products (nu Kennametal) ontwikkeling van hun ROCTEC lijn van keramische wolfraamcarbide composiet buizen die de operationele levensduur van de AWJ nozzle aanzienlijk verlengde. Het huidige werk aan AWJ straalpijpen is gericht op micro abrasieve waterjets, zodat snijden met jets kleiner dan 0,38 mm (0,015 inch) in diameter kan worden gecommercialiseerd.

Hoe watersnijden werkt

Alle waterjets volgen hetzelfde principe van water onder hoge druk dat door een straalpijp in een straal wordt geconcentreerd. De meeste machines bereiken dit door het water eerst door een hogedrukpomp te laten stromen. Er zijn twee soorten pompen die worden gebruikt om deze hoge druk te creëren: een intensiveringspomp en een pomp met directe aandrijving of krukaspomp. Een direct aangedreven pomp werkt ongeveer zoals een automotor, waarbij water door een hogedrukleiding wordt geperst met behulp van plunjers die aan een krukas zijn bevestigd. Een drukversterkerpomp creëert druk door hydraulische olie te gebruiken om een zuiger in beweging te brengen die het water door een klein gaatje perst. Het water stroomt dan door de hogedrukbuis naar de straalpijp van de waterstraal. In de straalpijp wordt het water door een juweelvormige opening in een dunne straal gebundeld. Deze waterstraal wordt uit de straalpijp geslingerd, waarbij het materiaal wordt doorgesneden door de straal met een snelheid in de orde van Mach 3, ongeveer 760 m/s (2.500 ft/s). Het proces is hetzelfde voor abrasieve waterjets totdat het water de spuitmond bereikt. Hier worden straalmiddelen, zoals granaat en aluminiumoxide, via een straalmiddelinlaat in de straalpijp gevoerd. Het straalmiddel vermengt zich vervolgens met het water in een mengbuis en wordt onder hoge druk uit het uiteinde geperst.

Wat zijn de voordelen van het gebruik van watersnijders?

Een belangrijk voordeel van watersnijden is de mogelijkheid om materiaal te snijden zonder de inherente structuur ervan te verstoren, aangezien er geen warmte-beïnvloede zone (heat-affected zone – HAZ) is. Door het minimaliseren van de warmte-effecten kunnen metalen worden gesneden zonder krom te trekken, de temperatuur te beïnvloeden of de intrinsieke eigenschappen te wijzigen. Scherpe hoeken, schuine kanten, doorboringen en vormen met minimale binnenrandjes zijn allemaal mogelijk.

Waterstraalsnijders zijn ook in staat om ingewikkelde sneden in materiaal te maken. Met gespecialiseerde software en 3-D bewerkingskoppen kunnen complexe vormen worden geproduceerd.

De kerf, of breedte, van de snede kan worden aangepast door onderdelen in de spuitmond te verwisselen, en ook door het type en de grootte van het abrasief te veranderen. Typische abrasieve snedes hebben een kerf van 1,0-1,3 mm (0,04 tot 0,05 inch), maar kunnen zo smal zijn als 0,51 mm (0,02 inch). Niet-schurende sneden zijn normaal 0,18-0,33 mm, maar kunnen zo klein zijn als 0,076 mm, wat ongeveer overeenkomt met de grootte van een menselijke haar. Deze kleine jets kunnen kleine details mogelijk maken in een brede waaier van toepassingen.

Met waterstralen kan een nauwkeurigheid tot 0,13 mm (0,005 inch) en een herhaalbaarheid tot 0,025 mm (0,001 inch) worden bereikt.

Door de relatief smalle kerf kan waterstraal snijden de hoeveelheid geproduceerd afvalmateriaal verminderen, doordat niet-gesneden onderdelen dichter bij elkaar kunnen worden genest dan bij traditionele snijmethoden. Waterjets gebruiken ongeveer 0,5 tot 1 US gal, dat anders gewoonlijk op een stortplaats kan worden gedeponeerd. Waterjets produceren ook minder stofdeeltjes, rook, dampen en verontreinigende stoffen in de lucht, waardoor de operator minder wordt blootgesteld aan gevaarlijke stoffen.