Waterjet Snijden van Koolstofvezel: Voordelen, Nadelen en Best Practices

Wat Is een Waterjet?

Een waterjet gebruikt een pomp om een hoge-druk (tot 90.000 psi) waterstraal te creëren die door alles kan snijden – van schuim tot 8+ inch staalplaat. Bij het snijden door metaal of koolstofvezel wordt een abrasief materiaal, zoals granaat, gebruikt om het snijproces te ondersteunen. (Zie de "Bron" links onderaan voor meer informatie over hoe waterjets werken.)

Laten we nu kijken waarom een waterjet zo'n goed tool is voor het snijden van koolstofvezel.

Deeldikte

Één groot voordeel van de waterjet is dat het heel dikke koolstofpanelen met relatieve gemak kan snijden. Met een router vereisen dikke delen meer passes, wat tijd kost en meer slijtage op de bit veroorzaakt. U moet zich ook zorgen maken over het verwijderen van span en stof uit diepe sleuven. Bovendien, met de juiste afstelling, kunt u eenvoudig kleine features snijden die op een router onmogelijk zouden zijn vanwege de diepte.

Snelheid

Snijsnelheid op een waterjet, vooral voor kleine features, is veel sneller dan met een router. Met een router hangt de snijdiepte en voedsnelheid af van de grootte van uw routerbit en de deeldikte. Kleinere bits en dikke delen vereisen meerdere passes, terwijl een waterjet hetzelfde deel in één pass kan snijden en meestal met een snellere voedsnelheid.

Stofpreventie

Een ander groot voordeel van het gebruik van een waterjet is de stofinperking. Een van de hoofdzorgen bij het werken met koolstofvezel is stof. Koolstofvezelstof kan in de binnenwerkingen van uw machines terechtkomen en ervoor zorgen dat onderdelen sneller slijten of versleten dan normaal. Het is ook een irritant bij inademing of kan jeuk veroorzaken op de huid. Met een waterjet wordt al het koolstofstof in de watertank geblast, waar het makkelijker te hanteren is voor correcte afvoer. Geen dure stofafzuigsystemen vereist.

Dichte Snijpatronen

De straaldiameter van een waterjet kan afgesteld worden op ongeveer 0,025 inch, wat ontwerpen met zeer kleine gaten of interne features toelaat te snijden. Deze tooldiameter kan ook gebruikt worden om vrij dicht bij een interne vierkante geometrie te snijden.

Nadelen

Terwijl er veel voordelen zijn aan het gebruik van een waterjet voor het snijden van koolstofvezel, zijn er ook enkele nadelen. De volgende secties zullen deze gebieden aanpakken.

Randafwerking

Omdat een waterjet een abrasief gebruikt om door de sterke koolstofvezels te snijden, kan de rand een iets ruw oppervlak hebben. Dit kan gecontroleerd worden met de granaat mesh-grootte (hoe fijner het abrasief, hoe fijner de finish) en met de voedsnelheid. Hoewel voor sommige onderdelen deze finish acceptabel is, zullen andere onderdelen geschuurd moeten worden om een gladde finish te krijgen. De tijd besteed aan het opruimen van de rand kan een deel van het voordeel opheffen dat verkregen werd door de onderdelen op de waterjet te snijden. Er is een balans tussen snijsnelheid en deelcomplexiteit om te overwegen als u grote volumes aan onderdelen produceert.

Blowback

Een ander zorgpunt bij het snijden van koolstofvezel is de blowback die ontstaat bij het passeren over een van de latten. De waterjet-tank gebruikt metalen latten die de breedte van de tank overspannen en een oppervlak bieden om uw werk-materiaal te ondersteunen. Wanneer de hoge-druk straal over de staallat passeert, kan het water- en abrasiefstraal omhoog afgebogen worden, wat essentieel het achterzijde van een onderdeel zandstraalt. Typisch zou dit op een metaalonderdeel niet opvallen, maar het kan het oppervlak van een koolstofonderdeel ruïneren.

Gelukkig bestaan er oplossingen voor dit probleem. Bij Elevated Materials snijden we onze onderdelen op een Rhino board. Het Rhino board bestaat uit HDPE "stroken" die de straal laten doorlopen zonder blowback naar het koolstof. De kleine celgrootte stelt ons in staat om kleine en ingewikkelde onderdelen te snijden zonder zorgen dat ze in de tank vallen.

Voor high-volume projecten van relatief grote afmetingen, creëren we fixtures die uit de bodem van de tank steken die garanderen dat de straal alleen over water snijdt. Onderdelen worden dan op hun plaats gehouden met zuignappen. Met deze fixtures hebben we meer dan 1000 van hetzelfde onderdeel gesneden zonder enige grote componenten te hoeven vervangen.

Delaminatie

Een andere uitdaging van het snijden van koolstofvezel met een waterjet is het boren van gaten. De hoge-druk waterstraal kan de hars tussen de koolstofvezellaag wegeten en scheiding of delaminatie veroorzaken, wat het onderdeel verzwakt.

Veel fabrikanten boren gaten vooraf op een andere machine en brengen het onderdeel dan naar de waterjet voor snijden. Het nadeel van deze methode is natuurlijk het risico van misalignement van uw waterjet-snijpad met de gaten die u vooraf boort.

Bij Elevated Materials hebben we veel van onze tijd en middelen geïnvesteerd in het perfectioneren van onze methode om koolstofvezel te boren om delaminatie te voorkomen. De techniek heeft alles te maken met het verlagen van de straaldruk naar ongeveer 10 KSI (10.000 psi) en het garanderen dat granaat uit de monding komt vóór het hoge-druk water. We gebruiken een vacuum-assist klep die de granaat door de monding trekt voordat de straal aangesloten wordt, zodat de granaat het onderdeel raakt voordat enig water dit doet. Als hoge-druk water het onderdeel op zich neemt, zal uw onderdeel delamineren.

We hebben gaten geboord en onderdelen van meer dan een inch dik gesneden zonder enige delaminatie.

Getapte Randen

Een ander punt dat moet worden aangepakt bij waterjet-snijden is getapte randen. Omdat een waterjet een hoge-druk straal is die door een monding passeert, expandeert het hoe verder het van de monding af reist. Afhankelijk van hoe ver uw onderdeel van de punt van de monding af is, bepaalt hoe geëxpandeerd uw straal is wanneer het het onderdeel bereikt dat u snijdt. Hoe verder het onderdeel weg is, hoe meer uw straal kan expanderen. Een geëxpandeerde straal laat een gezandstraalt uiterlijk en een lagere kwaliteit, langzamere snij-snelheid achter.

Rand-taper kan aangepast worden door uw voedsnelheid te versnellen of te vertragen. Het kan ook gecontroleerd worden met een kantelende of een dynamische hoofd-controlesysteem. De afbeelding hieronder toont enkele mogelijke taper-problemen die u kunt tegenkomen als u niet de juiste druk of voedsnelheid heeft.

Kosten

Interessant genoeg werken de kosten uit op ongeveer hetzelfde niveau tussen routeren en waterjet-snijden. Aan de ene kant heeft u bits die continu vervangen moeten worden en stofextractie bij routeren, versus abrasief materiaal en verbruiksmaterialen zoals fixtures, mondingen en orificies bij een waterjet. Als u overweegt de aankoop van een routertafel of waterjet, is de waterjet duurder. Gebrauchte kunnen gaan voor $25.000-$60.000 op de low end, tot $200.000+ voor een nieuwe. Nieuwe desktop waterjets zijn recent geïntroduceerd voor onder $5.000. https://www.wazer.com/. Routers aan de andere kant zijn al langer in de maker-community en kunnen beginnen vanaf $1.500 voor een desktop-model. Voor een meer rigide en industriële machine capabel van snijden in meerdere assen, beginnen machining centers rond $40.000 en kunnen wel boven $100.000 gaan voor een 5-as machine.

Bronnen:
Waterjet Basics: https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
Rhino Board: https://www.rhinoboardwj.com/
Omax getapte randen: https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper