Cięcie strumieniem wody – jak to działa?

Cięcie wodą lub inaczej: cięcie strumieniem wody, obróbka strumieniowo-ścierna, obróbka hydro-ścierna, obróbka wodno-ścierna, obróbka hydro-abrazyjna, abrasive waterjet (AWJ), waterjet – to wiele nazw tego samego procesu. W dużym uproszczeniu mówiąc: cięcie strumieniem wody jest to technologia rozdzielania/przecinania lub czyszczenia różnych materiałów (typu: tworzywa sztuczne, ceramika, kamień, aluminium, blachy stalowe, a nawet żywność) z użyciem wody pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem. Cięcie strumieniem wody jest ekologicznym procesem, wykorzystywana w nim jest tylko woda pod bardzo wysokim ciśnieniem lub woda z dodatkiem ścierniwa (szczególnie do cięcia grubszych i twardszych materiałów, jak kamień czy blachy). Jest to unikalna i nowoczesna technologia, umożliwiająca wycinanie różnorodnych, nawet niezwykle skomplikowanych kształtów, w naprawdę szerokiej gamie materiałów, bez zmiany ich struktury. Największą zaletą tej technologii cięcia na zimno jest to, że przy jej użyciu materiałom nadać można niemal każdy możliwy kształt – dzięki obróbce CNC właściwie w sposób nieograniczony można je dowolnie projektować. Cięcie strumieniem wody zalecane jest we wszystkich tych przypadkach, w których przecinanie tarczą, obróbka ubytkowa czy też obróbka termiczna przynoszą niezadowalające jakościowo efekty. 

Cięcie strumieniem wody materiałów kruchych to proces, który wymaga przebijania niskociśnieniowego. Niektóre materiały, takie jak ceramika, gres czy szkło, przy nieumiejętnej obróbce i zastosowaniu nieodpowiednich parametrów, mogą pękać lub ukruszyć się podczas przebijania. Z tego powodu część producentów maszyn wyposaża swoje Waterjet’y w płynne regulowanie ciśnieniem podczas procesu cięcia. Drugim czynnikiem kluczowym są tu oczywiście doświadczenie oraz umiejętności operatora. Waterjet doskonale sprawdza się przy cięciu szkła – przy wykorzystaniu strumienia wody można mu nadawać kontury i profile, których nie sposób byłoby uzyskać (lub też byłoby to bardzo utrudnione) przy użyciu innych technologii cięcia. Strumień wody nadaje się również doskonale do cięcia miękkiej stali, zapewniając równe i niezwykle dokładne cięcie. Strumień wody nie podlega aż takim ograniczeniom dotyczącym grubości jak cięcie laserowe i plazmowe. Praktyczną granicą jest tu około 150 do 200 milimetrów, z uwagi na czas potrzebny na przecięcie takiej grubości oraz tendencję strumienia wody do odchylania się.

Obróbka wodno-ścierna sprawia, że krawędzie detali są całkowicie gładkie i równe, a elementy nie potrzebują dalszej obróbki, jak frezowanie czy toczenie.

Korzenie tej technologii sięgają lat 70., ale dopiero na początku lat 80. znalazła ona swoje szersze zastosowanie w przemyśle. Obecnie możliwe jest cięcie strumieniem wody 3D. Maszyny, które umożliwiają takie cięcie, muszą być wyposażone w specjalną głowicę, sprawiającą, że urządzenie dysponuje pięcioma osiami obrotu. To rozwiązanie powoduje, że można ciąć wodą pod kątem! Większość producentów umożliwia cięcie pod kątem 45°, ale istnieją też głowice pozwalające ciąć wodą w zakresie nawet od –95° do 95°! Pozwala to uniknąć koniecznego fazowania materiału w dalszym procesie obróbczym oraz gwarantuje lepsze wykończenie obrabianego detalu.

Cięcie strumieniem wody – na czym polega ta technologia?

Cięcie strumieniem wody odbywa się na zimno i charakteryzuje dobrą jakością rozciętych powierzchni, a także brakiem odkształceń termicznych, gdyż temperatura krawędzi przedmiotów podczas cięcia nie przekracza 100°C. Wykorzystywany jest strumień wody doprowadzony do ciśnienia 4000 bar i przepuszczony przez dyszę o bardzo małej średnicy – co pozwala na wytworzenie koherentnego strumienia cieczy o prędkości ponad trzykrotnie przekraczającej prędkość dźwięku. 

Cięcie strumieniem wody pozwala na rozcinanie i przebijanie prawie wszystkich rodzajów materiałów, poza diamentami. Strumieniem wody o średnicy nawet mniejszej niż 0,1 mm można ciąć z dużą prędkością tworzywa sztuczne, gumę, skórę, tkaniny, papier. Do przecinania przedmiotów metalowych konieczne jest wprowadzenie do wody ścierniwa i zastosowanie mniejszej szybkości. Przy ciśnieniu wody wynoszącym 4000 bar i dyszy o średnicy równej 1,0 mm, przy prędkości około 50-80 mm/min, możliwe jest przecinanie blach stalowych o grubości do 100 mm. Do cięcia bardzo twardych materiałów zalecane jest wykorzystywanie proszku ściernego z węglika boru.

Cięcie strumieniem wody używa strugi wody do przyspieszenia ziaren ścierniwa (np. garnetu, który porównać można do piasku, ale jest on zdecydowanie twardszy i ma znacznie ostrzejsze krawędzie). Po przejściu przez dyszę wodną woda powoduje inżektorowe zasysanie ścierniwa do komory miksującej. Następnie owa mieszanina wody i ścierniwa kierowana jest do dyszy hydro-ściernej (mixing tube) w celu jej uformowania i ustabilizowania. Powstała w ten sposób struga ma wystarczającą ilość energii, ażeby móc przecinać najtwardsze materiały – u wylotu z dyszy jej prędkość przekracza 300 m/s. Pozwala to rozdzielać naprawdę niezwykle twarde materiały (jak na przykład stopy tytanu) – o grubości 150 mm i więcej. Jeśli ktoś poszukuje więc wyjątkowo precyzyjnej technologii cięcia stali – obróbka hydro-abrazyjna może być korzystnym rozwiązaniem. Wycinanie wodą pozwala na precyzyjną obróbkę grubych sit, np. do kotłów, elementów maszyn.

Cięcie strumieniem wody realizowane jest wyłącznie w sposób zautomatyzowany lub zrobotyzowany, z wykorzystaniem układów sterowania podobnych jak w przypadku cięcia laserowego czy plazmowego. Podczas procesu głowica wraz z dyszą tnącą ustawiona jest prostopadle do powierzchni rozdzielanego materiału, oprócz tego możliwe jest również żłobienie i ukosowanie przedmiotów, ale to wymaga już pochylenia głowicy pod odpowiednim kątem. 

Cięcie strumieniem wody możliwe jest przy użyciu wielu głowic, a pomocna może być przy tym pompa multiplikatorowa. Każda dodatkowa głowica wymaga dodatkowego przepływu wody, a więc trzeba zastosować większą pompę lub mniejszy otwór.

Jakie materiały poddawać można obróbce wodno-ściernej?

Sercem każdego Waterjet’a jest jego pompa – to ona jest odpowiedzialna za to, że strumień wody wydostający się z głowicy maszyny osiąga prędkość przekraczającą 4000 km/h. Cięcie strumieniem wody sprawia, że możemy ciąć wodą dowolny materiał. Jak już wcześniej wspomnieliśmy, metoda ta pozwala na rozdzielanie praktycznie wszystkich materiałów, poza diamentem.

Cięcie strumieniem wody daje możliwość wycinania z precyzją do 0,1 mm następujących surowców:

Pokrótce omówimy część z tych materiałów:

Kamień

Kamień to surowiec naturalny, występujący w środowisku w nieograniczonej ilości odmian, posiadających indywidualne właściwości fizyczne i chemiczne, o rozmaitych barwach oraz wzorach. Jeden z najstarszych surowców używanych od dawien dawna w budownictwie. Charakteryzuje się wysoką trwałością i wytrzymałością, w związku z czym często stosowany jest jako materiał konstrukcyjny w formie płyt i bloków do budowy fundamentów, murów czy sklepień; doskonale sprawdza się też jako element wykończeniowy wnętrz w postaci schodów, posadzek, parapetów czy okładzin na ścianę. Do najbardziej popularnych rodzajów kamienia naturalnego należą: granit, marmur, kalcyt, piaskowiec, dolomit, wapień. Kamień jako naturalny – a zatem i unikatowy – surowiec wymaga osobliwej obróbki, a cięcie strumieniem wody pozwala zrobić to w sposób szybki, sprawny, efektywny i bezpieczny. Umożliwia wykonanie nawet najbardziej złożonych wzorów bez jakichkolwiek zmian w kolorze, a także przy braku odkształceń i nierównych krawędzi.

(Patrz: cięcie wodą kamienia)

Blacha

Blacha to wyrób hutniczy, do wytworzenia którego stosowana jest stal. Istnieje wiele odmian tego materiału, o różnorodnych parametrach, w zależności od jego przeznaczenia. Z reguły charakteryzują się wysoką odpornością na uszkodzenia mechaniczne, ścieranie oraz działanie wysokich temperatur; cechuje je też dobra wytrzymałość, trwałość oraz plastyczność. Swoje zastosowanie znajdują w produkcji najróżniejszych mechanizmów, w ślusarstwie, a przede wszystkim w budownictwie. Istotną rolę w procesie ich obróbki odgrywają wspominane właściwości mechaniczne – mają one ogromny wpływ na poddawanie ich czynnościom mechanicznym, takim jak wiercenie, naginanie czy cięcie. Bardzo często przetwarza się je właśnie przy użyciu strumienia wody. Metoda ta pozwala na wycinkę praktycznie wszystkich tworzyw o grubości do 305 mm, gwarantując precyzję cięcia oraz brak wpływu na strukturę materiału, nie powodując też żadnych śladów na ich powierzchni.

Metal

Metal to surowiec konstrukcyjny, wszechstronnie użytkowany i pojawiający się w niezliczonej ilości zastosowań technicznych, produkowany w procesach hutniczych. Metale oraz ich stopy mają różnorodne właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne oraz technologiczne, które decydują o ich zastosowaniu. Dobrze przewodzą ciepło i elektryczność, posiadają charakterystyczny połysk, dużą gęstość, są wyjątkowo elastyczne i odporne na korozję. To szeroko pojęty materiał budowlany, występujący w postaci stali, aluminium, miedzi, cynku itp., w dzisiejszej architekturze często wykorzystywany jako element wykończeniowy na elewacjach, jako balustrady, schody, podwieszane sufity. Obróbka strumieniowo-ścierna pozwala na uzyskanie zadowalających efektów, dokładnego cięcia, bez ryzyka pojawienia się odkształceń czy zmian w przycinanym produkcie, gwarantując jednocześnie precyzyjne przycinanie metalu o znacznej grubości, a także wycinanie najbardziej skomplikowanych kształtów. Wykonanie cięcia nie powoduje żadnych zmian zarówno w składzie surowca, jak i po stronie wierzchniej, która pozostaje niezmiennie gładka i jednolita, dzięki czemu nie ma potrzeby stosowania wtórnej obróbki wykończeniowej.

Szkło

Szkło jest jednym z najbardziej dostępnych materiałów, a jego wykorzystanie jest niezwykle wszechstronne: okna, lustra, przeszklone ściany, ozdoby – to tylko część z jego licznych zastosowań. Jednocześnie jest materiałem bardzo kruchym, zatem podczas obróbki łatwo go można uszkodzić. Wydajną metodą jego cięcia jest używanie strumienia wody pod bardzo wysokim ciśnieniem. Wykorzystując tę technologię, produkować można bardzo małe, cienkie i skomplikowane elementy, jak na przykład szkło wykorzystywane w smartfonach, czy też elementy ozdobne używane przy produkcji wyrobów biżuteryjnych albo mebli. Cięcie strumieniem wody gwarantuje niezwykłą precyzję oraz łatwość wykonywania rozmaitych detali. Waterjet jest metodą uniwersalną i wszechstronną, dającą wiele możliwości, stąd jej wykorzystanie staje się coraz bardziej popularne w wielu gałęziach przemysłu. Można ją wykorzystać także przy cięciu szkła kuloodpornego (składającego się z wielu warstw), szkła pancernego, szkła zbrojonego czy szkła używanego w regionach narażonych na huragany. Materiały te muszą charakteryzować się bardzo wysokim stopniem wytrzymałości, dlatego cięcie ich przy użyciu innych metod mogłoby być ekstremalnie trudne.

(Patrz: wycinanie wodą szkła)

Płytki ceramiczne

Płytki ceramiczne to najczęściej wybierany materiał wykończeniowy, zwłaszcza w pomieszczeniach kuchennych i łazienkach; doskonale sprawdzają się też na zewnątrz budynków, na balkonach i tarasach. Jest ogromna ilość ich rodzajów, a różnią się one nie tylko kolorystyką, ale także właściwościami i zastosowaniem. Do ważnych parametrów należą: twardość i odporność na ścieranie, nasiąkliwość (czyli chłonność wody), mrozoodporność (czyli wytrzymałość na niskie temperatury), antypoślizgowość, wytrzymałość na zginanie, odporność na plamienia. Cięcie płytek ceramicznych wodą jest o wiele bardziej bezpieczne niż przy użyciu narzędzi, gdyż obróbka wodno-ścierna to gwarancja precyzji cięcia, gładkich krawędzi, jednolitej powierzchni bez uszkodzeń mechanicznych i mikropęknięć. Wykonywać można standardowe cięcia pod wybrany wymiar, a także cięcie strumieniem wody pod kątem, przy czym przycinane płytki nie wymagają żadnych dodatkowych obróbek.

Płytki gresowe

Płytki gresowe to płytki, do których produkcji użyto drobno zmielonej kamionki, składającej się z materiałów takich jak: kwarc, kaolin i skaleń. Gres charakteryzuje się niezwykłą wytrzymałością na zginanie oraz na uszkodzenia, dlatego wspaniale sprawdza się w pomieszczeniach wysoce eksploatowanych. Cechują go również wysokie właściwości mrozoodporne oraz niewielka absorpcja wody. Z uwagi na swoje walory techniczne przy obróbce wymaga specjalistycznych narzędzi oraz specyficznych metod cięcia czy wiercenia. Cięcie strumieniem wody sprawdza się tu doskonale – eliminuje tworzenie się postrzępionych brzegów w trakcie procesu cięcia kafli i pozwala na odwzorowanie nawet najbardziej skomplikowanego wzoru.

Tworzywa sztuczne

Tworzywa sztuczne to materiały, które zostały wytworzone przez człowieka z niewystępujących naturalnie polimerów syntetycznych albo polimerów naturalnych, zmodyfikowanych przy użyciu odpowiednich dodatków. Poszczególne tworzywa sztuczne mają różne właściwości mechaniczne i chemiczne, można jednak w sporym uproszczeniu przyjąć, że większość z nich wyróżnia się następującymi cechami: zupełna wodoodporność, niewielka gęstość, mała odporność na wysokie temperatury, brak przewodności elektrycznej, odporność na działanie licznych substancji chemicznych (jak kwasy, zasady, oleje itp.), łatwość obróbki. Trzeba przy tym pamiętać, że tworzywa polimerowe są różnorodne i da się znaleźć wyjątki od każdej z wyżej wymienionych cech. Cięcie strumieniem wody tworzyw sztucznych i gumy nie powoduje powstawania mikropęknięć i odkształceń materiałów. Dzięki brakowi strefy wpływu ciepła, brzegi ciętych elementów nie nadtapiają się, zachowując przy tym bardzo wysoką jakość krawędzi (niewymagającą dalszej obróbki).

(Patrz: cięcie wodą tworzyw sztucznych)

Drewno

Drewno jest materiałem naturalnym, w związku z czym posiada charakterystyczne dla siebie cechy, mające wpływ na jakość obróbki oraz walory estetyczne zmienne w czasie, w zależności od rodzajów zabezpieczenia i warunków przechowywania. Do najbardziej charakterystycznych jego cech należą: faktura i sęki (zależne od rodzajów drewna oraz warunków jego wzrostu), zmiana wymiarów (w zależności od wilgotności klimatu, w jakim drewno się znajduje, jego struktura komórkowa dąży do osiągnięcia równowagi wilgotności z otoczeniem, zmieniając przy tym swoje wymiary poprzeczne – zjawisko kurczenia i pęcznienia), wycieki żywicy (w wyniku oddziaływania temperatury i kurczenia się), pęknięcia i skręcenia, zmiana koloru, przebarwienia. Cięcie strumieniem wody drewna litego nie powoduje większych problemów – tniemy je dość szybko, nie zdąża więc nasiąknąć wodą, należy je jednak osuszyć po cięciu. Cieńsze, kilkumilimetrowe arkusze, tniemy zazwyczaj czystą wodą, przy grubszych (dąb, jesion, jabłoń, mahoń) warto użyć ścierniwa, bo przyspieszy to znacznie proces obróbki. Zaletą Waterjeta jest możliwość wycinania finezyjnych, skomplikowanych kształtów, z którymi tradycyjny frez nie dałby sobie rady. Czas przygotowania cięcia jest krótki i nieskomplikowany. Problemy mogą pojawić się w przypadku płyt pilśniowych, np. typu MDF, płyt wiórowych czy niektórych sklejek – szybko chłoną wodę i pęcznieją pod jej wpływem. Przy sklejkach dodatkowo klej może rozpuszczać się w wodzie. Do tych materiałów warto zatem dobrać inną metodę obróbki.

(Patrz: cięcie drewna strumieniem wody)

Która głowica do którego materiału?

Wiele maszyn pozwala na szybkie (trwające dosłownie kilka minut) przezbrojenie na różne typy głowic (wodną lub wodno-ścierną) lub też mogą być one zainstalowane jednocześnie i używane w zależności od tego, jaki materiał będzie przecinany. Rozwiązania te znacznie podnoszą uniwersalność maszyny.

Tak naprawdę trudno znaleźć materiał, którego nie dałoby się przeciąć przy użyciu opisywanej tu technologii. Warto jednak pamiętać, która głowica przyda się do danego materiału. I tak:

Głowica wodna

głowicę wodną wykorzystujemy do cięcia:

Głowica wodno-ścierna

głowicę wodno-ścierną wykorzystujemy do cięcia:

Wykorzystanie materiałów ciętych przy użyciu strumienia wody

Urządzenia do obróbki hydroabrazywnej mają zastosowanie w przemyśle metalowym, gdzie istnieje potrzeba wykonywania skomplikowanych wycięć w grubych materiałach. Dostępne obecnie wersje pięcioosiowe pozwalają na pochylenie głowicy w taki sposób, żeby możliwe było wycinanie z pochyloną ścianką. Jest to doskonałe rozwiązanie w przemyśle metalowym, gdzie wymagane jest ukosowanie do celów spawalniczych. Strumień wody ze ścierniwem daje możliwość przebicia się przez najtwardsze materiały od środka, dzięki czemu można wyciąć obiekt zamknięty bez konieczności wchodzenia w materiał z zewnątrz, tak jak ma to miejsce w przypadku wycinania linką.

Z kolei w branży kamieniarskiej cięcie strumieniem wody pozwala rozdzielać marmury, granity, sztuczne kamienie oraz konglomeraty. 

Warjety służą też do wycinania takich elementów budowlanych jak: blaty kuchenne, łazienkowe, parapety, schody, elementy nagrobków i pomników. 

Cięcie strumieniem wody z powodzeniem wykorzystywane jest również do szybkiego wytwarzania prototypów.

Na koniec ciekawostka. Bo kto by pomyślał, że skoncentrowaną strugę wody można wykorzystać także do precyzyjnego krojenia… tortów i ciast?

Cięcie strumieniem wody – wady i zalety

Cięcie strumieniem wody to technologia mająca wiele ZALET. Na szczególną uwagę zasługują:

Cięcie strumieniem wody nie jest jednak wolne od WAD. Wśród nich wskazać należy: 

Wykorzystanie wody do obróbki materiałów znane już było na początku XX wieku, ale dopiero po kilkudziesięciu latach twórcom–inżynierom udało się tak zaprojektować urządzenia, aby były w stanie wytworzyć odpowiednio wysokie ciśnienie. To właśnie od niego zależy precyzja, szybkość i łatwość pracy nawet z najtwardszymi materiałami. Szacuje się, że przy obróbce wodnej wynosi ono nawet 3800–4000 barów, a po zamianie w energię kinetyczną zapewnia strumieniowi prędkość zbliżoną do prędkości dźwięku. Można więc śmiało uznać, że cięcie strumieniem wody to metoda do zadań specjalnych. Nic więc dziwnego, że z taką lubością wykorzystywana jest w przemyśle elektronicznym, ciężkim, maszynowym, budowniczym, drzewnym, papierniczym czy spożywczym.

Niektórzy uważają cięcie strumieniem wody za metodę konkurencyjną do cięcia laserem, plazmą czy tlenem. My, w Portalu Produkcyjno-Usługowym LaserTrade, witamy jednak cięcie strumieniem wody jako technologię alternatywną i doskonałe uzupełnienie naszego niezwykłego portalu. Dzięki współpracy naszych Partnerów od technologii cięcia wodą, laserem, plazmą i tlenem oferujemy naszym Klientom usługi kompleksowe i – co najważniejsze! – dostępne z jednego miejsca i przy pomocy jednego zlecenia, co czyni nasz portal miejscem wyjątkowym i bardzo specjalistycznym na internetowej mapie Polski. 

Zapraszamy do współpracy! Zleć nam profesjonalne cięcie strumieniem wody!