Tecnologia WaterJet

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La tecnologia di lavorazione water jet è una lavorazione di tipo meccanico dotata di caratteristiche molto particolari e perciò particolarmente adatta in certi ambiti. Essa consiste nella lavorazione tramite un getto d'acqua e solitamente polvere abrasiva ad alta velocità, in grado di rimuovere o deformare materiale senza significativi forze di taglio né effetti termici. inoltre non richiede materiali molto particolare né produce inquinanti difficili da controllare.

Funzionamento

Risultato di lavorazione per ricavare forme tridimensionali complesse

La tecnologia waterjet ha numerose varianti di funzionamento, ma fondamentalmente si utilizza per tagliare materiali di una certa consistenza, anche molto elevata, motivo per cui si utilizzano pressioni tra i 400 e i 600 MPa, particelle solide di abrasivo immesse nel getto e ugelli di diametro dell'ordine delle centinaia di micrometri.

La rimozione del materiale tagliato avviene per abrasione ed erosione: l'erosione avviene maggiormente nelle zone di impatto perpendicolare nella zona inferiore della parete, mentre l'abrasione avviene di striscio sulla parte superiore della parete della lastra già parzialmente tagliata.

Il sistema si avvale di diversi componenti:

• sistema di filtraggio (e trattamento) dell'acqua
• sistema di adduzione dell'abrasivo (eventualmente in aria compressa)
• sistema d'intensificazione della pressione
• sistema di movimentazione dell'intensificatore (solitamente tramite circuito ad olio in pressione movimentato da un motore e valvola a cassetto)
• attenuatore
• testa di taglio

Impianti e tipologie

Analizzeremo gli impianti concentrandoci sugli impianti a getto abrasivo (pur ricordando l'esistenza di impianti a getto puro (WJ - Water Jet) per materiali deboli), distinguendo alcune componenti d'impianto se dedicate a getti abrasivi iniettati in camera di miscelazione nella testa di taglio (AWJ - Abrasive Water Jet) o a getti pre-mescolati in sospensione a monte (ASJ - Abrasive Suspension Jet).

Esistono ovviamente diverse varianti possibili, tra cui si distinguono in particolare quelle con tecnologie criogeniche o con aggiunta di additivi polimerici.

Filtraggio e trattamento

E' conveniente filtrare e trattare l'acqua proveniente dalla rete idrica per rimuovere residuo solido e ioni disciolti. Per ottenere ciò si opera con filtri meccanici a maglia fine e chimici, come filtri a carboni attivi, resine etc. e/o con osmosi inversa.

Pompa oleodinamica e circuito ad olio

Il meccanismo di compressione dell'acqua è attuato da un intensificatore movimentato da olio in pressione. Per mettere il pressione il circuito si utilizza l'abbinamento di un motore a velocità fissa abbinato ad una pompa a cilindrata volumetrica variabile (tipicamente a pistoni assiali, in numero dispari per attenuare le oscillazioni).

Accumulatori

Nel circuito ad olio si fa uso di accumulatori, per svolgere diverse funzioni, che in primis permettono di dimensionare la pompa sulla pressione media richiesta e non su quella di picco:

• riserva d'olio per portate istantanee maggiori
• accumulatore energetico, per picchi di velocità dell'intensificatore
• compensatore della dilatazione termica dell'olio
• smorzamento di eventuali colpi d'ariete (rapida chiusura valvole, etc.) e di oscillazioni della compressione

Esistono vari tipi di accumulatori: a peso, a molla, a pistone a gas, a sacca a gas, a membrana

Valvola a cassetto

La valvola a cassetto impone la frequenza di pompaggio dell'intensificatore. Essa è attuata esternamente ed in modo indipendente.

Intensificatore e circuito d'alta pressione ad acqua

L'intensificatore ha questo nome perché trasmette la pressione dell'olio ai pistoni del circuito ad acqua, intensificandone la pressione grazie alla costanza del prodotto pressione per superficie sulle due pareti del pistone dell'intensificatore:

p₁ A₁ = p₂ A₂

Il rapporto di intensificazione, uguale al rapporto tra le aree del pistone, si aggira intorno a 1:40.

Tipicamente l'intensificatore è a doppio effetto per evitare un periodo di corsa a vuoto nella fase di riempimento. Tuttavia la frequenza di pompaggio è decisamente lenta, attorno agli 1-2 Hz.

É molto comune utilizzare una batteria di intensificatori per permettere:

• lo smorzamento delle oscillazioni di pressione dei singoli pistoni, fasando elettronicamente gli intensificatori
• la parzializzazione della portata

Attenuatore

L'attenuatore, come gli accumulatori ad olio, fondamentalmente ha la funzione di smorzare le oscillazioni di pressione dell'acqua in ingresso verso la testa, per migliorare la qualità di taglio. Tuttavia è un componente costoso e pericoloso, perciò si tende ad evitarlo e sostituirne le funzioni con una batteria di intensificatori ben fasati.

Adduzione dell'abrasivo

A partire dall'attenuatore di alta pressione, l'impianto si differenzia a seconda del tipo di sistema waterjet.

Iniettato (AWJ)

L'adduzione dell'abrasivo segue il percorso:

• tramoggia
• buffer
• disco multiforato per diverse portate

Nonostante l'abrasivo venga normalmente aspirato per effetto Venturi nella camera di miscelazione, talvolta la tramoggia è tenuta in atmosfera compressa.

Pre-mescolato in sospensione (ASJ)

In questo caso il condotto che porta l'acqua in pressione alla testa è affiancato da un by-bass in cui è interposto un vessel in pressione caricato con abrasivo che mescolandosi con l'acqua rimane in sospensione ed è trascinato nella portata principale verso la testa.

Il problema principale da affrontare in questo caso è la progressiva diminuzione della concentrazione di abrasivo nel vessel, che progressivamente riceve acqua pura in ingresso e cede acqua con abrasivo in uscita.

Tipicamente viene utilizzata una batteria di vessel isolabili tramite valvole, in modo da poter ricaricare singolarmente e poter garantire una maggiore uniformità della concentrazione di abrasivo, utilizzando i vessell in sequenza prima che la concentrazione di quello in uso cali a valori inaccettabili per la qualità.

Testa di taglio

Sezione della testa. 1: ingresso acqua ad alta pressione p; 2: ugello di diametro d₀: 3: ingresso abrasivo; 4: focalizzatore; 5: protezione esterna; 6: getto abrasivo a velocità v_j ; 7: materiale da tagliare

Mentre la testa di taglio del getto pre-mescolato è semplicemente composta da un unico ugello, ben più complessa è quella del getto iniettato, in cui:

• L' ugello primario ha la funzione di trasformare l'energia di pressione in energia cinetica. Tipicamente è un ugello in zaffiro sintetico, dotato di una certa geometria e di un conseguente coefficiente di efflusso Cd. Il diametro rientra nel range 0,05-0,5 mm.
• La camera di miscelazione è una camera di dimensioni comparabili a quelle dei diametri degli ugelli, in cui avviene la miscelazione dell'acqua iniettata dall'ugello primario e l'abrasivo aspirato per effetto Venturi dal condotto di adduzione.

Per la conservazione della quantità di moto:

${\dot {m}}_{w}\cdot v_{o}+{\dot {m}}_{ab}\cdot v_{ab}+{\dot {m}}_{ar}\cdot v_{ar}={\dot {m}}_{awj}\cdot v_{j}$

approssimabile a:

${\dot {m}}_{w}\cdot v_{o}+{\dot {m}}_{ab}\cdot v_{ab}=({\dot {m}}_{a}+{\dot {m}}_{w})\cdot v_{j}$

• Il focalizzatore è un ugello tubolare molto allungato dedicato alla focalizzazione ed omogeneizzazione fino a circa il 90% delle quantità di moto di acqua ed abrasivo. Esso è uno dei componenti maggiormente soggetti ad usura (di tipo erosivo all'imbocco ed abrasivo a seguire). Tipicamente composto di carburo metallico (carburo di tungsteno sinterizzato), le sue dimensioni si mantengono tra i 50-100 mm di lunghezza, 6-9,47 mm di diametro esterno e 0,76-1,2 mm di diametro interno.

Rapporto ottimale - per la qualità di taglio - tra i diametri di ugello primario e focalizzatore è dm/dn = 3.

Vasca catcher

La vasca catcher raccoglie il liquido più materiale asportato e abrasivo, e svolge anche la funzione di assorbire il getto senza rifletterlo.

L'acqua e materiale residuo raccolti nella vasca hanno una temperatura più alta degli stessi flussi in ingresso all'impianto, perché essa assorbe l'energia cinetica non ceduta al pezzo (circa il 75%), perciò l'incremento di temperatura prodotto vale:

$\Delta T={\frac {{\frac {1}{2}}\cdot m\cdot v_{j}^{2}}{\rho _{0}\cdot c_{p}}}={\frac {C_{v}^{2}\cdot \psi ^{2}\cdot P}{\rho _{0}\cdot c_{p}}}$

Tubazioni

Tutte le tubazioni ad alta pressione devono essere molto resistenti e presentare degli accorgimenti particolari. I sistemi WJ utilizzano tubi rigidi di metallo e dove serve, tubi flessibili polimerici. I tubi rigidi sono sottoposti ad un trattamento di autofrettage per lasciare degli sforzi residui di compressione sulla superficie interna e resistere alla pressione. I tubi polimerici invece sono rinforzati con filo d'acciaio.

La lunghezza e la flessibilità delle tubazioni influiscono sulla qualità del taglio in quanto se troppo corti accrescono l'incoerenza del getto e la pulsazione dovuta alla compressibilità dell'acqua.

Parametri e relazioni tra le grandezze

• Il rapporto tra le porzioni di zona di abrasione e zona di erosione varia a seconda della velocità di avanzamento (alta v = alta zona di abrasione).
• Parametri fluidodinamici: pressione, portata dell'acqua influenzano il taglio.
• Parametri meccanici: velocità di avanzamento, distanza di stand-off, numero di passate, geometria dei componenti, tipologia e portata di abrasivo.

Velocità

Il fluido raggiunge alte velocità nel passaggio da elevate pressioni a quella ambiente. Tuttavia le velocità sono differenti nei diversi punti della testa e parte dell'energia di pressione viene persa in irreversibilità. Per la legge di Bernoulli:

${\frac {v^{2}}{2}}+\int {\frac {\delta P}{\rho }}+\Delta z=cost$

dunque, trascurando la comprimibilità dell'acqua otteniamo la velocità teorica con acqua incomprimibile:

$v_{t}={\sqrt {\frac {2\cdot p}{\rho }}}$

mentre considerando l'acqua come comprimibile, ovvero:

${\frac {\rho }{\rho _{0}}}=\left(1+{\frac {p}{L}}\right)^{n}\rightarrow \psi ={\frac {v_{t,compr}}{v_{t}}}={\sqrt {{\frac {L}{p\cdot (1-n)}}\left[\left(1+{\frac {p}{L}}\right)^{1-n}-1\right]}}$

otteniamo quindi una velocità teorica con acqua comprimibile:

$v_{t,compr}=\psi \cdot v_{t}={\sqrt {{\frac {2\cdot L}{(1-n)\cdot \rho _{0}}}\left[\left(1+{\frac {p}{L}}\right)^{1-n}-1\right]}}$

con ρ₀ densità dell'acqua in condizioni ambiente e le costanti empiriche L = 300 MPa e n = 0,1368.

Infine possiamo considerare l'irreversibilità reali per attriti introducendo un coefficiente di velocità C_v, definendo la velocità reale come:

$v_{j}=C_{v}\cdot \psi \cdot v_{t}$

In conclusione considerando la comprimibilità e le irreversibilità per attriti, la velocità reale è lievemente minore rispetto a quella teorica.

Portata volumetrica

Similmente per quanto detto per la velocità, possiamo definire una portata teorica con acqua incomprimibile:

$Q_{t}=S_{0}\cdot v_{t}=\pi \cdot {\frac {d_{o}^{2}}{4}}\cdot {\sqrt {\frac {2\cdot p}{\rho }}}$

E, introducendo dei fattori di perdita:

$Q_{t,compr}=C_{v}\cdot \psi \cdot (C_{c}\cdot S_{0})\cdot v_{t}=C_{d}\cdot \cdot S_{0}\cdot v_{t}$

con Cv coefficiente di velocità, Cc coefficiente di vena contratta e Cd coefficiente di efflusso globale.

Il coefficiente di efflusso globale è stimabile come: Cd = 0,785 - 0,000014 P - 0,197 d il che indica che il coefficiente è più influenzato negativamente dall'incremento di diametro, perciò coviene ottenere maggiore potenza da un incremento di pressione.

Potenza idraulica

La potenza idraulica, ottenuta sostituendo le espressioni di portata e velocità nella definizione cinetica di potenza, è fortemente influenzata dai valori dei coefficienti di velocità e comprimibilità

$P={\frac {1}{2}}\cdot {\dot {m}}\cdot v_{j}^{2}={\frac {\pi }{8\cdot \rho _{0}}}\cdot C_{c}\cdot C_{v}^{3}\cdot \psi ^{3}\cdot d_{0}^{2}\cdot p^{1,5}$

Forza di reazione

La forza di reazione esercitata dal getto d'acqua espulso dalla testa verso la testa è un ottimo indicatore della velocità del getto v_j. $F_{r}=m_{w}\cdot (v_{j}-0)=\rho _{0}\cdot Q\cdot v_{j}={\frac {\pi }{2}}\cdot Cc\cdot Cv^{2}\cdot \psi ^{2}\cdot d_{n}^{2}\cdot P$

Portata d'aria

La portata d'aria, sebbene massicamente trascurabile, è molto influente sulla stabilità del flusso e sulla portata d'abrasivo - di cui è il fluido vettore - dunque sulla qualità del taglio.

Essa può essere stimata con l'utilizzo di un vacuometro collegato all'imbocco del condotto di adduzione sulla testa di taglio, stimando la portata in funzione della differenza di pressione segnata al vacuometro.

Distanza di stand-off

La distanza di stand-off è contenuta tra 1 e 100 mm. Essa influenza la qualità, la profondità, l'ampiezza e la conicità del taglio.

Geometria della testa

La portata di abrasivo ottimale è proporzionale al diametro del focalizzatore, mentre è in relazione inversa con la lunghezza di quest'ultimo.

La profondità di taglio invece trova un ottimo tra i 70 e i 110 mm di lunghezza del focalizzatore.

Tipologie di abrasivo

Le tipologie di abrasivo utilizzato sono il garnet (che si compone di SiO2 - silicio, FeO - ossido di ferro e Al2O2 - ossido di alluminio) e l'olivina (simile alla comune sabbia da fonderia).

Qualità del taglio

Gradi crescenti di qualità

• La rugosità diminuisce con:
  • v_f minore
  • d_m/d_n ottimale
  • m_a maggiore
  • #mesh minore = d_abr maggiore
  • Q_ar maggiore
  • d_m (foalizzatore) minore
  • t (spessore) decrescente

Si parla invece di ondulazione in riferimento alla zona bassa del solco (striation zone), intesa come una rugosità ad ampio raggio. Essa è particolarmente influenzata negativamente dal crescere di velocità di avanzamento e profondità effettiva di taglio.

• La profondità di taglio cresce con:
  • v_f minore
  • p maggiore
  • #mesh minore = d_abr maggiore
  • m_a maggiore
  • d_m/d_n minore ( d_m ∝ Pot. specifica; 1/d_n ∝ En. cinetica)
  • lf (lunghezza focalizzatore) e coerenza getto

• L' ampiezza del solco decresce con:
  • d_m decrescente
  • p minore
  • distanza di stand-off minore
  • m_a minore

• La conicità, definita come (con w le ampiezze prese ad 1mm dalla superficie per superare l'arrotodamento dello spigolo):

  $C={\frac {w_{top}-w_{bottom}}{2}}$

  raggiunge il suo ottimo quando è nulla, ovvero al valore di velocità di inversione di conicità, e cresce con:

  • v_f maggiore
  • p minore
  • distanza di stand-off maggiore

              ----> v ---> 
     ____   _______    ________  _____
     ____\ /_______|  |_______/  \____

  <--- d foc, stand-off, p, d partic <---