Wykorzystywanie strugi wodnej do precyzyjnej obróbki materiałów nie jest niczym nowym: pierwsze maszyny do cięcia wodą, zwane potocznie waterjetami, pojawiły się już w latach 60., aby kilka lat później znaleźć zastosowanie także w wybranych aplikacjach przemysłowych. Strumień wody okazał się niezastąpiony m.in. przy cięciu miękkiej gumy, pianki, folii, tkanin, papieru czy żywności. Nie sprawdzał się natomiast w obróbce twardszych lub grubych materiałów, w której nadal prym wiodły tradycyjne metody przetwarzania. Przełomem okazał się dopiero rok 1985, w którym po raz pierwszy podjęto próbę połączenia strugi wodnej ze ścierniwem. Tak powstała technologia AWJ (ang. abrasive water jet), która pozwalała na precyzyjne cięcie niemal każdego rodzaju materiału o grubości do 100 mm.

Obróbka AWJ była początkowo wykorzystywana głównie w przemyśle lotniczym i kosmicznym, m.in. do wycinania płatów skrzydeł samolotów. Pierwsze maszyny do obróbki wodno-ściernej – również określane jako waterjety, a niekiedy także jako abradżety – były bowiem duże, drogie, głośne, a przede wszystkim niezwykle skomplikowane w obsłudze: operator musiał przez cały czas nadzorować ruch głowicy i samodzielnie dostosowywać prędkość jej posuwu do specyfiki wycinanego kształtu. Dopiero wprowadzenie waterjetów sterowanych numerycznie, w których zadania pozycjonowania głowicy, generowania ścieżki cięcia oraz doboru długości i prędkości przebić przejęło specjalistyczne oprogramowanie komputerowe, sprawiło, że technologia ta stała się dostępna także dla mniejszych wykonawców i usługodawców, a zakres jej stosowania poszerzył się o całe spektrum nowych aplikacji – od budownictwa, przez produkcję wind, po cięcie szkła.

Nieskończenie wiele zastosowań
Niezależnie od obszaru zastosowania głównym narzędziem w obróbce wodno-ściernej pozostaje strumień wody pod ciśnieniem (standardowo 3500-6000 barów), który po połączeniu ze ścierniwem tworzy strugę wodno- -ścierną osiągającą u wylotu dyszy prędkość ok. 300 m/s. Uzyskana w ten sposób siła cięcia pozwala na precyzyjną obróbkę nawet bardzo twardych i grubych materiałów, takich jak stal hartowana, kevlar czy tytan, z zachowaniem bardzo dobrych parametrów jakościowych krawędzi. Co więcej, technologia AWJ okazuje się bezkonkurencyjna, jeśli chodzi o cięcie tworzyw o grubości powyżej 100 mm, z którymi laser czy plazma niezbyt dobrze sobie radzą. Jak dotąd najgrubszym przeciętym z jej pomocą materiałem była 300-milimetrowej grubości aluminiowa płyta. Najlepsze efekty przynosi jednak cięcie struktur o grubości do 25 mm – zwłaszcza z aluminium, stali narzędziowej, nierdzewnej i miękkiej oraz tytanu. Taka grubość – przy zastosowaniu właściwych parametrów ustawienia maszyny i dobrej jakości surowca – pozwala na obróbkę z dokładnością poniżej 0,1 mm/1000 mm cięcia.

AWJ dobrze sprawdza się jednak także przy cięciu materiałów ultracienkich (±0,5 mm), kruchych lub podatnych na odkształcenia temperaturowe. W przeci wieństwie do cięcia drutem nie wymaga bowiem przygotowania otworu startowego, a samo cięcie przenosi minimalne naprężenia niepowodujące ukruszenia czy pęknięcia obrabianego materiału. Aby jeszcze bardziej zminimalizować ryzyko uszkodzenia powierzchni podczas obróbki, niektórzy producenci wyposażyli swoje waterjety dodatkowo w funkcję przebijania niskociśnieniowego, która redukuje siłę uderzenia strumienia podczas przebijania materiału.

– W przypadku szkła, kamienia czy innych kruchych materiałów próba przebicia przy nominalnym ciśnieniu najczęściej kończy się odłupaniem lub pęknięciem materiału. Metoda przebijania niskociśnieniowego, dzięki obniżeniu ciśnienia pompy do ok. 500-1000 barów, pozwala uniknąć tego typu uszkodzeń. Po przebiciu się strugi przez materiał pompa automatycznie podnosi ciśnienie do wartości nominalnej i wykonuje cięcie z pełną wydajnością – wyjaśnia Przemysław Kimla, właściciel firmy Kimla.

Z kolei dostępna w większości nowoczesnych maszyn opcja zanurzenia rusztu mocującego w wannie z wodą umożliwia bieżące odprowadzanie ciepła wytwarzanego podczas przebijania się strugi przez twardsze materiały, a także redukuje hałas, pylenie i rozbryzgi powstające podczas cięcia.

Serce waterjeta
Uniwersalność obróbki wodno-ściernej nie zawsze idzie jednak w parze z wysoką jakością. O jej precyzji decydują bowiem w równym stopniu parametry i stan techniczny wyposażenia waterjeta, typ i stopień zaawansowania oprogramowania, a także sposób pozycjonowania głowicy obrabiarki.

Jak każdy złożony mechanizm, waterjet zbudowany jest z pewnej liczby stałych elementów, tworzących spójną, wzajemnie warunkującą się całość. Jego sercem jest wysokociśnieniowa pompa wodna zdolna wytworzyć ciśnienie robocze rzędu 3000-6000 barów (w niektórych modelach nawet do 10 000 barów). W zależności od rodzaju może być ona napędzana silnikiem hydraulicznym (pompa multiplikatorowa) lub pompą z napędem bezpośrednim (korbowodowa). Ta druga, choć osiąga większą sprawność układu, była niegdyś rzadko stosowana ze względu na wyższe koszty eksploatacji (szybkie zużywanie się uszczelnień na skutek wysokiej prędkości liniowej nurników). Problem ten został jednak wyeliminowany dzięki zastosowaniu bardziej wytrzymałych materiałów uszczelniających, a pompy korbowodowe na stałe weszły do oferty wielu producentów (np. OMAX, Flow).

Drugim kluczowym elementem waterjeta jest głowica z dyszą wodną i rurką mieszającą. Osadzona na bramie lub ruchomym ramieniu napędzanym serwonapędem lub silnikiem krokowym, standardowo porusza się wzdłuż osi X/Y, zapewniając dwupłaszczyznowe cięcie umieszczonego na ruszcie elementu. Aby wyeliminować drgania wpływające na precyzję cięcia, głowica powinna cechować się sztywną konstrukcją opartą na stabilnych prowadnicach i serwosterowalnych śrubach o zerowym luzie. Zaś w celu uzyskania maksymalnej precyzji cięcia warto dodatkowo zaopatrzyć się w głowicę dynamiczną, umożliwiającą cięcie pod kątem od 0 do 60^o oraz kompensację kąta pochylenia powierzchni cięcia i przesunięcia wybiegu strugi względem punktu wejścia, skutkujących powstawaniem tzw. stożków.

Jak najbliżej powierzchni
Poza stanem technicznym poszczególnych elementów urządzenia na ostateczną jakość ciętych krawędzi ma wpływ również pozycjonowanie głowicy względem powierzchni materiału. Najbardziej optymalne rezultaty można osiągnąć wówczas, gdy głowica znajduje się w niewielkiej odległości od przedmiotu obrabianego (1-1,5 mm). Przechodząc przez powietrze, strumień wody traci bowiem spójność, co sprzyja zaokrąglaniu krawędzi i wzrostowi kąta cięcia. Aby tego uniknąć, zaleca się, aby wraz z oddalaniem głowicy od powierzchni materiału zmniejszać prędkość cięcia – o 20% na każde 25% przyrostu odległości. Należy jednak zachować rozwagę: mały posuw, wydłużając proces cięcia, a tym samym zwiększając zużycie ścierniwa i wody (odpowiednio ok. 300-500 g/min i 4-6 l/min), wpływa negatywnie na opłacalność obróbki.

Najlepszym rozwiązaniem jest zainstalowanie specjalistycznego oprogramowania, które automatycznie wyznaczy najbardziej optymalne położenie głowicy, a także na podstawie projektu oraz zadanego rodzaju i grubości materiału samo wygeneruje ścieżkę cięcia.

– Dobre oprogramowanie powinno być przede wszystkim przejrzyste, łatwe w obsłudze i intuicyjne. Powinno pozwolić na szybkie wykonanie rysunku, pomóc w doborze parametrów maszyny, a także „rozumieć” istotę procesu obróbki materiału za pomocą strumienia wody i ścierniwa, czyli wiedzieć, jak ten strumień się zachowuje i jak nad nim zapanować – wyjaśnia Kamil Brzezicki, inżynier serwisu w firmie OMAX Poland.

Komputer w służbie operatora
Cechy takie gwarantują jedynie nowoczesne systemy sterowania dedykowane do technologii AWJ i wyposażo ne w moduły CAD, NEST, CAM i CNC. W porównaniu z nimi oprogramowanie uniwersalne, a więc przeznaczone do różnych rodzajów obróbki, znacznie traci na intuicyjności: nie radzi sobie z precyzyjnym wyznaczeniem ścieżki, zmuszając operatora do ręcznej korekty linii cięcia, a wyznaczone przez nie parametry często nie uwzględniają charakterystyki materiału, co przekłada się na niższą jakość obrabianej krawędzi.

– Tego typu oprogramowanie dzieli kształt do wycięcia na wiele krótkich odcinków i skokowo zmienia na nich prędkość posuwu, niejako symulując ruchy waterjeta za pomocą G-codów używanych zazwyczaj we frezarkach czy tokarkach – tłumaczy Przemysław Kimla. – Rozwiązanie to jest tanie w zastosowaniu, ale bardzo komplikuje i spowalnia pracę operatora. Wymaga dzielenia programu na kilka części, gdyż ścieżki często nie mieszczą się w pamięci systemu sterowania. Nie daje też możliwości edytowania czy korygowania ścieżki narzędzia bezpośrednio na maszynie, przez co nawet najprostsze modyfikacje programu wymagają udziału technologa.

Najlepszym sposobem na sprawdzenie i porównanie możliwości oprogramowania i maszyn pochodzących od różnych producentów jest wykonanie próbki cięcia na podstawie własnego projektu i materiału. Ułożone jedna na drugiej próbki pozwalają wykryć drobne różnice w rozmiarach detalu i kształtach bardziej skomplikowanych krawędzi, niewidoczne na pojedynczym modelu.

Przydatne akcesoria
Maszyny do cięcia strugą wodno-ścierną różnią się od siebie nie tylko pod względem dokładności cięcia, ale również kosztów eksploatacji. O tych ostatnich decyduje zaś przede wszystkim wyposażenie dodatkowe, które – odpowiednio dobrane – pozwala na ograniczenie czasu przestojów waterjeta i zwiększenie żywotności poszczególnych części maszyny. Dlatego, kupując konkretne urządzenie, warto zastanowić się nad doposażeniem go w dodatkowy osprzęt, adekwatny do sposobów jego wykorzystania i potrzeb produkcyjnych zakładu.

Przydatna może okazać się zwłaszcza instalacja zmiękczania wody wyposażona w złoże żywiczne, które na zasadzie wymiany jonowej usuwa jony wapnia, magnezu, żelaza, glinu i manganu, a także kationy metali ciężkich. Zmiękczając wodę, urządzenie zmniejsza ryzyko osadzania się kamienia, a tym samym przedłuża drożność poszczególnych części maszyny. W większości nowoczesnych waterjetów po wyczerpaniu się zdolności jonowymiennej złoża jest ono automatycznie regenerowane roztworem soli kuchennej w trakcie przestoju maszyny. Proces regeneracji uruchamiany jest przez sterownik na bieżąco monitorujący stan instalacji.

Z kolei system odsysania zużytego ścierniwa eliminuje konieczność przestojów maszyny w celu ręcznego usunięcia ziaren zalegających na dnie wanny z wodą. Ścierniwo wraz z wodą odprowadzane jest do wysoce przepuszczalnego worka typu bigbag, usuwanego w całości po odsączeniu cieczy (system przelewowy). Nowsze instalacje są często wyposażone w separator, który jeszcze w wannie oddziela ścierniwo od wody, umożliwiając tym samym szybszą utylizację zużytego materiału. Takie rozwiązanie sprawdzi się zwłaszcza w przypadku intensywnej eksploatacji maszyny, w trakcie której zużywana jest duża ilość ścierniwa.

Z ekonomicznego punktu widzenia najbardziej przydatnym akcesorium wydaje się jednak system zamkniętego obiegu wody, dzięki któremu wykorzystana w procesie cięcia woda jest odprowadzana z powrotem do waterjeta. Przeciętnie instalacja taka pozwala odzyskać około 95% wody, znacznie obniżając koszty obróbki oraz eliminując konieczność montażu wysoko wydajnego źródła zasilania w wodę. Biorąc pod uwagę, że w trakcie 30-minutowego cięcia zużywane jest średnio od 120 do 180 litrów wody, inwestycja w system szybko się zwraca, a sam proces staje się bardziej przyjazny dla środowiska.

Kiedy tradycyjne technologie biorą górę
Mimo ogromnej uniwersalności zastosowań oraz szeregu rozwiązań poprawiających jakość i obniżających koszt eksploatacji waterjetów, niekiedy stosowanie technologii AWJ zwyczajnie się nie opłaca. Lepiej zrezygnować z niej np. w przypadku niskokosztowej obróbki materiałów niewymagających dużej dokładności cięcia (m.in. grubych płyt izolacji). Waterjety nie będą najlepszym rozwiązaniem również w przypadku przecinania drewna i rur okrągłych, a więc materiałów o nieregularnym kształcie sprzyjającym powstawaniu szorstkich krawędzi, a także cięcia przerywanego, podczas którego struga, wchodząc w kontakt z powietrzem, traci spójność, nie docinając precyzyjnie dolnych elementów. Nieuzasadnione z ekonomicznego punktu widzenia jest również wykorzystywanie waterjetów do mało precyzyjnego cięcia ciężkich płyt stalowych – w takiej sytuacji dużo lepiej sprawdzi się palnik lub plazma, które – wytwarzając wysoką temperaturę – umożliwiają szybszą i tańszą obróbkę materiału.

Do niedawna waterjety nie były również zalecane do cięcia części wymagających pięcioosiowej obróbki mechanicznej. Jednak dzięki wprowadzeniu na rynek 5-osiowych maszyn AWJ umożliwiających wysoko jakościową obróbkę 3D (np. Dynamic Waterjet XD firmy Flow) zakres możliwych zastosowań obrabiarek do cięcia strugą wodno- -ścierną znacznie się rozszerzył, obejmując nowe dziedziny i sektory przemysłu.

– Głowice 5D, podobnie jak 2D i 3D, pozwalają na cięcie praktycznie każdego rodzaju materiału. Tym, co je wyróżnia jest możliwość obróbki materiałów o nieregularnych kształtach, takich jak rury czy profile, a także ich ukosowania – mówi Kamil Brzezicki.

– Pochylanie głowicy można również wykorzystać do niwelowania naturalnego efektu pochylenia ścianki, a co za tym idzie do zwiększenia dokładności cięcia – dodaje Przemysław Kimla.