Waterstraalsnijden van koolstofvezel:voordelen, nadelen en beste praktijken

Wat is een waterjet?

Een waterjet maakt gebruik van een pomp om een waterstraal onder hoge druk (tot 90.000 psi) te creëren die door alles heen kan snijden, van schuim tot 8+" stalen platen. Bij het snijden door metaal of koolstofvezel wordt een schurend materiaal, zoals granaat, gebruikt om te helpen bij het snijproces. (Zie de 'Bron'-links onderaan het bericht voor meer informatie over hoe waterjets werken.)

Laten we nu eens kijken waarom een waterjet zo’n goed hulpmiddel is voor het snijden van koolstofvezel.

Onderdeeldikte

Een groot voordeel van de waterjet is dat hij relatief gemakkelijk zeer dikke koolstofpanelen kan snijden. Met een bovenfrees hebben dikke onderdelen meer passages nodig, wat tijd kost en meer slijtage aan de bit veroorzaakt. Je moet je ook zorgen maken over het verwijderen van spanen en stof uit diepe gleuven. Bovendien kunt u met de juiste afstemming gemakkelijk kleine onderdelen wegsnijden die vanwege de diepte onmogelijk zouden zijn op een router.

Snelheid

De snijsnelheid op een waterjet is, vooral bij kleine features, veel sneller dan bij gebruik van een bovenfrees. Bij een bovenfrees hangt de snedediepte en voedingssnelheid af van de grootte van uw frees en de dikte van het onderdeel. Kleinere bits en dikkere onderdelen vereisen meerdere passages, terwijl een waterstraal hetzelfde onderdeel in één passage kan snijden en meestal met een hogere voedingssnelheid.

Stofpreventie

Een ander groot voordeel van het gebruik van een waterjet is de stofbeheersing. Een van de grootste zorgen bij het werken met koolstofvezel is stof. Koolstofvezelstof kan in de interne werking van uw machines terechtkomen en ervoor zorgen dat onderdelen sneller slijpen of slijten dan normaal het geval zou zijn. Het is ook irriterend bij inademing of kan jeuk veroorzaken als het op uw huid terechtkomt. Met een waterstraal wordt al het koolstofstof in de watertank geblazen, waar het gemakkelijker te hanteren is voor een juiste afvoer. Er zijn geen dure stofafvoersystemen nodig.

Strak gesneden patronen

De straaldiameter van een waterjet kan worden afgestemd op ongeveer 0,025 inch, hierdoor kunnen ontwerpen met zeer kleine gaatjes of interne kenmerken worden gesneden. Deze gereedschapsdiameter kan ook worden gebruikt om dicht bij een interne vierkante geometrie te zagen.

Nadelen

Hoewel er veel voordelen zijn aan het gebruik van een waterjet voor het snijden van koolstofvezels, zijn er ook enkele nadelen. In de volgende paragrafen zullen deze gebieden worden behandeld.

Randafwerking

Doordat een waterjet gebruik maakt van een schuurmiddel om de sterke koolstofvezels door te snijden, kan de snede een enigszins ruw oppervlak hebben. Dit kan worden geregeld met de granaatmaaswijdte (hoe fijner het schuurmiddel, hoe fijner de afwerking) en met de voedingssnelheid. Hoewel deze afwerking voor sommige delen acceptabel is, moeten andere delen worden geschuurd om een gladdere afwerking te krijgen. De tijd die besteed wordt aan het schoonmaken van de rand kan een deel van het voordeel dat het snijden van de onderdelen met de waterstraal oplevert, tenietdoen. Er is een evenwicht tussen snijsnelheid en onderdeelcomplexiteit waarmee rekening moet worden gehouden als er een groot aantal onderdelen wordt verwerkt.

Terugslag

Een ander punt van zorg bij het snijden van koolstofvezel is de terugslag die ontstaat als je over een van de lamellen gaat. De waterjettank maakt gebruik van metalen latten die de breedte van de tank overspannen en een oppervlak bieden om uw werkmateriaal te ondersteunen. Wanneer de hogedrukstraal over de stalen lat gaat, kan de straal water en schuurmiddel naar boven worden afgebogen, waardoor in wezen de achterkant van een onderdeel wordt gezandstraald. Normaal gesproken is dit niet merkbaar op een metalen onderdeel, maar het kan een deel van het oppervlak van een koolstofonderdeel beschadigen.

Gelukkig bestaan er oplossingen om dit probleem op te lossen. Bij Elevated Materials snijden we onze onderdelen op een Rhino-bord. Het Rhino-bord bestaat uit HDPE-“rietjes” waardoor de straal erdoorheen kan zonder terug te blazen in de richting van de koolstof. Dankzij de kleine celgrootte kunnen we kleine en ingewikkelde onderdelen snijden zonder bang te hoeven zijn dat ze in de tank vallen.

Voor grote projecten van relatief grote omvang maken we armaturen die uit de bodem van de tank steken en ervoor zorgen dat de straal alleen over water heen snijdt. Onderdelen worden vervolgens op hun plaats gehouden met behulp van zuignappen. Met deze armaturen hebben we meer dan 1000 van hetzelfde onderdeel gesneden en hebben we geen belangrijke componenten hoeven vervangen.

Delaminatie

Een andere uitdaging bij het snijden van koolstofvezel met een waterstraal is het prikken van gaten. De hogedrukwaterstraal kan de hars tussen de koolstofvezellagen wegvreten en scheiding of delaminatie veroorzaken, waardoor het onderdeel verzwakt.

Veel fabrikanten boren gaten voor op een andere machine en brengen het onderdeel vervolgens naar de waterjet om te snijden. Het nadeel van deze methode is natuurlijk het risico dat uw waterstraalzaagpad verkeerd uitgelijnd wordt met de gaten die u voorboord.

Bij Elevated Materials hebben we veel van onze tijd en middelen geïnvesteerd in het perfectioneren van onze methode voor het doorboren van koolstofvezels om delaminatie te voorkomen. De techniek heeft alles te maken met het verlagen van de druk van de jet tot ongeveer 10KSI (10.000 psi) en ervoor zorgen dat granaat vóór het hogedrukwater uit het mondstuk komt. We gebruiken een vacuümhulpklep die het granaat door het mondstuk trekt voordat de straal wordt ingeschakeld, zodat het granaat het onderdeel raakt voordat er water komt. Als water onder hoge druk het onderdeel vanzelf raakt, zal uw onderdeel delamineren.

We hebben onderdelen van meer dan 2,5 cm dik doorboord en gesneden zonder enige delaminatie.

Tapervormige randen

Een ander probleem dat bij waterstraalsnijden moet worden opgelost, zijn de taps toelopende randen. Omdat een waterstraal een hogedrukstroom is die door een mondstuk stroomt, zet deze uit naarmate hij verder van het mondstuk verwijderd is. Afhankelijk van hoe ver uw onderdeel verwijderd is van de punt van het mondstuk, wordt bepaald hoe uitgebreid uw straal is wanneer deze het onderdeel bereikt dat u aan het snijden bent. Hoe verder het onderdeel verwijderd is, hoe meer je jet kan uitzetten. Een uitgezette straal zorgt voor een gezandstraald uiterlijk en een snede van lagere kwaliteit met lagere snelheid.

De randconus kan worden aangepast door uw federatie te versnellen of te vertragen. Het kan ook worden bestuurd met behulp van een kantelbaar of dynamisch hoofdbesturingssysteem. De onderstaande afbeelding toont enkele mogelijke taperproblemen waarmee u te maken kunt krijgen als u niet de juiste druk of voedingssnelheid heeft.

Kosten

Interessant genoeg blijken de kosten vergelijkbaar te zijn tussen frezen en waterstraalsnijden. Aan de ene kant heb je bits die voortdurend moeten worden vervangen en stofafzuiging waar je je zorgen over moet maken met frezen versus schurend materiaal en verbruiksartikelen zoals armaturen, mondstukken en openingen op een waterjet. Overweegt u de aanschaf van een freestafel of waterjet, dan zal de waterjet duurder uitvallen. Gebruikte exemplaren kunnen aan de lage kant $ 25.000- $ 60.000 kosten, tot $ 200.000+ voor een nieuwe. Er zijn onlangs nieuwe desktop-waterjets geïntroduceerd voor minder dan $ 5.000. https://www.wazer.com/. Routers daarentegen maken al veel langer deel uit van de makersgemeenschap en kunnen beginnen vanaf $ 1500 voor een desktopmodel. Voor een meer rigide en industriële machine die in meerdere assen kan snijden, beginnen bewerkingscentra rond de $40.000,- en kunnen ze ruim boven de $100.000,- gaan voor een machine met 5 assen.

Bronnen:
Basisprincipes van waterjet:https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
Rhino-bord:http://www.rhinoboardwj.com/
Omax taps toelopende randen: https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper