Cięcie wodą to jedna z najbardziej wszechstronnych i precyzyjnych metod obróbki materiałów. Dzięki wykorzystaniu strumienia wody pod ultrawysokim ciśnieniem, wzbogaconego o ścierniwo, technologia ta umożliwia rozdzielanie niemal wszystkich rodzajów materiałów – od delikatnych tkanin po twarde metale, ceramikę czy materiały kompozytowe.

Zasada działania technologii waterjet

Proces cięcia wodą opiera się na wykorzystaniu energii kinetycznej strumienia wody pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem. Zwykle w granicach 4000–6000 barów, a w przypadku bardziej zaawansowanych maszyn – nawet do 7000 barów. 

Do cięcia materiałów miękkich (np. kartonu czy gumy) wystarczy czysty strumień wody, który trafia bezpośrednio na obrabianą powierzchnię. Samą wodę można również wykorzystać do cięcia materiałów o średniej twardości.

Jeśli mamy jednak do czynienia z materiałami twardymi, stosuje się strumień wody z dodatkiem ścierniwa. Rolę ścierniwa pełni garnet w postaci drobnego proszku, np. z krzemionki lub granatu. W zależności od ciętego materiału stosuje się ścierniwo o różnej granulacji. 

Sam proces cięcia różni się tylko jednym elementem. Zanim strumień wody trafi do dyszy, skąd jest kierowany na powierzchnię wycinanego detalu, w komorze mieszania następuje połączenie wody z garnetem (ścierniwo stanowi ok. 0,1% powstałej mieszanki).

Proces cięcia wodą nie generuje wysokich temperatur, co jest jedną z głównych zalet tej technologii. Brak podgrzewania materiału sprawia, że cięty materiał nie ulega zniekształceniu termicznemu i nie wymaga dalszej obróbki.

Budowa maszyn do cięcia wodą

Każda maszyna do cięcia wodą składa się z kilku takich samych, podstawowych elementów. To przede wszystkim pompa wysokociśnieniowa, czyli serce wycinarki wodnej, która odpowiada za generowanie strumienia wody o ciśnieniu, które sięga kilku tysięcy barów. 

Ważnymi, choć często pomijanymi elementami maszyny do cięcia wodą, są również rurki wysokociśnieniowe i zawory. Rurki odpowiadają za doprowadzenie wody z pompy do głowicy i muszą zapewnić stabilność i bezpieczeństwo pracy maszyny, natomiast zawór umożliwia kontrolowanie przepływu wody. Zawory są często zdalnie sterowane i mogą być precyzyjnie dostosowywane w zależności od potrzeb.

Głowica tnąca formuje strumień wody i kieruje go na materiał. Średnica dyszy tnącej najczęściej wynosi od 0,5 mm do 2–3 mm. Jej wielkość powinna być dostosowana m.in. do ciśnienia wody i grubości ścierniwa.

Za precyzyjne poprowadzenie strumienia wody i kontrolę procesu cięcia odpowiada układ sterowania (w bardziej zaawansowanych maszynach mamy napędy sterowane numerycznie – CNC). Komputerowe sterowanie numeryczne umożliwia programowanie ruchów narzędzia do cięcia z bardzo wysoką precyzją. 

Ponadto sterowanie CNC zwiększa poziom automatyzacji procesu cięcia, podnosząc jego efektywność, dokładność, jakość i powtarzalność.

W waterjetach do cięcia z dodatkiem ścierniwa ważnym elementem jest także system do jego podawania i mieszania z wodą. Kolejnym elementem maszyny jest zbiornik na wodę. Obecnie, zgodnie z trendem gospodarki o obiegu zamkniętym, stosuje się w maszynach do cięcia wodą system recyrkulacji wody. Zbiera on wodę używaną w procesie cięcia, oczyszcza ją i ponownie przekazuje do użytku.

Ważnym elementem jest również wanna. W niej bowiem (na specjalnych mocowaniach) układane są elementy do wycinania. W tym kontekście istotna jest kwestia wyhamowania impetu strumienia wody, który po przejściu przez wycinany materiał wciąż ma jeszcze dość dużą prędkość.

Żeby nie narobił on żadnych szkód (np. nie uszkodził dna wanny), stosuje się odpowiednie wypełnienie dna wanny, które odpowiada za odebranie energii tego strumienia.

Zalety technologii cięcia wodą

Technologia waterjet oferuje liczne korzyści, które wyróżniają ją na tle innych metod obróbki i sprawiają, że wciąż cieszy się dużą popularnością.

Ryszard Cieślak, regional sales manager Poland we Flow Europe, przekonuje, że cięcie strumieniem wody wyróżnia się przede wszystkim zdolnością do precyzyjnego cięcia różnorodnych materiałów bez zmiany ich właściwości. Czyni to cięcie wodą preferowanym wyborem w wielu zastosowaniach, które wymagają precyzji i wysokiej wartości. Na przewagę cięcia strumieniem wody składa się jednak dużo więcej, m.in.:

• precyzja i dokładność – takie cięcie zapewnia wy soką precyzję, umożliwiając wykonywanie skomplikowanych projektów i drobnych detali przy minimalnej ilości odpadów,
• brak stref wpływu ciepła – jako proces cięcia na zimno eliminuje ryzyko odkształceń cieplnych i zachowuje wewnętrzne właściwości materiału,
• wszechstronność – można tak ciąć szeroką gamę materiałów, od metali i kamieni po tworzywa sztuczne i szkło, co sprawia, że jest to bardzo wszechstronna metoda cięcia,
• przyjazność dla środowiska – proces jest czysty, co ogranicza niebezpieczne odpady; zarówno woda, jak i materiały ścierne mogą być często poddawane recyklingowi,
• wydajność materiałowa – wąska szerokość szcze liny minimalizuje ilość odpadów materiałowych, co czyni tę technologię ekonomicznym rozwiązaniem w przypadku wielu potrzeb produkcyjnych.

Do powyższej listy można jeszcze dodać wysoką prędkość cięcia bez negatywnego wpływu na jakość krawędzi, brak odprysków czy zadziorów podczas cięcia kruchych materiałów – co eliminuje konieczność przeprowadzenia dodatkowej obróbki wykańczającej.

Do ważnych zalet należy również wysoki poziom bezpieczeństwa. Cięcie wodą nie generuje bowiem iskrzenia, co sprawia, że jest bezpieczniejsze w porównaniu  z innymi technologiami cięcia (takimi jak cięcie plazmowe czy laserowe), które mogą nawet prowadzić do wybuchów lub pożarów w wyniku kontaktu z materiałami łatwopalnymi. Przy cięciu wodą nie są również wytwarzane żadne opary z ciętego materiału, które mogłyby stanowić zagrożenie nie tylko dla operatora, ale także dla środowiska naturalnego.

Wady technologii cięcia wodą

Mimo licznych zalet technologia cięcia wodą ma także pewne ograniczenia i wady, które mogą wpływać na decyzje odnośnie do wyboru konkretnej technologii cięcia. Przede wszystkim waterjety charakteryzują się mniejszą prędkością cięcia w porównaniu z innymi technologiami. 

W przypadku produkcji masowej, gdy liczy się jak największą liczba wyprodukowanych detali w danej jednostce czasu, cięcie plazmowe czy laserowe może być dużo bardziej wydajne. Zwłaszcza podczas cięcia np. bardzo dużych i cienkich arkuszy blachy cięcie wodą będzie metodą mniej efektywną. 

Ponadto technologia waterjet ma również pewne ograniczenia, jeśli chodzi o wycinanie bardziej skomplikowanych elementów, a także w przypadku cięcia materiałów o różnej grubości.

Chociaż w procesie cięcia wodą stosuje się system recyrkulacji, woda używana w obróbce musi być regularnie oczyszczana, co przynosi dodatkowe koszty związane z jej obiegiem. Wycinarki wodne nie należą też do maszyn specjalnie energooszczędnych – pompa wysokociśnieniowa wymaga np. znacznej ilości energii elektrycznej. 

Występują też pewne ograniczenia w cięciu bardzo twardych lub grubych materiałów, takich jak stal nierdzewna o dużej grubości. Cięcie wodą będzie wówczas znacznie mniej efektywne niż metody oparte na wysokotemperaturowym cięciu. Z punktu widzenia operatora wadą jest też dość duży poziom hałasu podczas pracy maszyny. Może on dochodzić nawet do 120 dB, co wymaga stosowania odpowiednich środków ochrony słuchu.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Firmy

Flow oznacza cięcie strumieniem wody

Od wynalazku, przez rozwój, aż po produkt końcowy. Jako producent kompletnych systemów zapewniamy, że wszystkie komponenty twojego systemu Flow są ze sobą doskonale zestrojone w celu zoptymalizowania operacji cięcia.

Typowe zastosowania technologii waterjet

Wszechstronność technologii cięcia wodą wyraża się przede wszystkim w możliwości obróbki wielu różnorodnych rodzajów materiałów. Już przy użyciu czystego strumienia wody można ciąć m.in. karton, skórę, tworzywa sztuczne, gumę czy drewno. W przypadku mieszanki wody ze ścierniwem możliwe jest również cięcie znacznie twardszych materiałów.

Jak podkreśla Ryszard Cieślak, to właśnie za swoją wszechstronność i precyzję cięcie strumieniem wody jest tak cenione w wielu gałęziach przemysłu. 

– Firma Flow, jako twórca technologii cięcia strumieniem wodno-ściernym, ma olbrzymie doświadczenie w praktycznie każdej branży przemysłowej. Nasze rozwiązania znajdują zastosowanie w cięciu różnorodnych materiałów – wyjaśnia i wymienia te najważniejsze: 

– Cięcie strumieniem wody jest idealne m.in. do cięcia metali, takich jak aluminium, stal, tytan i miedź, bez powodowania stref wpływu ciepła, które mogą zmieniać właściwości materiału. Jest to też technologia szeroko stosowana do cięcia granitu, marmuru, ceramiki i innych kamieni, która zapewnia czyste i precyzyjne cięcia  w celach architektonicznych czy dekoracyjnych. Ponadto cięcie strumieniem wody idealnie nadaje się również  do delikatnych materiałów (takich jak szkło), umożliwiając tworzenie skomplikowanych wzorów i nie powodując pękania lub uszkadzania materiału.

Cięcie wodą powszechnie wykorzystuje się też w obróbce materiałów kompozytowych, takich jak włókno węglowe, włókno szklane czy materiały wzmocnione tworzywami sztucznymi. Dzięki precyzyjnemu cięciu nie ma ryzyka, że woda będzie destrukcyjnie wpływać na właściwości wycinanego kompozytu.

Wspomniana wyżej duża wszechstronność technologii waterjet sprawia, że chętnie sięgają po nią firmy z bardzo różnorodnych branż. Praktycznie w każdym przedsiębiorstwie, w którym realizowane są procesy cięcia, można zastosować wodne wycinarki.

Ryszard Cieślak zwraca jednak uwagę na kilka branż, w których technologia cięcia wodą jest dość popularna:

– Ta technologia jest wykorzystywana do cięcia złożonych kształtów i komponentów z zaawansowanych materiałów, takich jak kompozyty i tytan, które są powszechne w zastosowaniach lotniczych – wyjaśnia przedstawiciel firmy Flow Europe. – Cięcie strumieniem wody jest również powszechnie wykorzystywane do cięcia różnych materiałów niemetalowych, takich jak guma, tworzywa sztuczne i kompozyty do wnętrz samochodów oraz innych komponentów. Wysoka precyzja cięcia strumieniem wody sprawia natomiast, że metoda ta nadaje się do produkcji instrumentów chirurgicznych i komponentów do urządzeń medycznych.

Naturalnie maszyny do cięcia wodą są bardzo popularne również w wielu przedsiębiorstwach z branży metalowej. Także firmy, które zajmują się obróbką kamienia, chętnie sięgają po waterjety.

Porównanie z innymi technologiami cięcia

Technologia waterjet bardzo często jest porównywana z technologią cięcia plazmą i wycinarkami laserowymi. Niemożliwe jest wskazanie, która z tych technologii zawsze będzie najlepsza. Bardzo dużo bowiem zależy od rodzaju ciętego materiału i od oczekiwań co do szybkości procesu cięcia lub jakości otrzymanego detalu.

Technologia waterjet wyróżnia się przede wszystkim dużą uniwersalnością i brakiem wpływu termicznego na materiał. Dzięki temu po wycinarki wodne chętnie sięgają firmy, które na co dzień pracują z różnymi rodzajami materiałów. Generalnie jednak można przyjąć, że do cięcia cienkich arkuszy blachy (poniżej 2 mm) najbardziej nadają się wycinarki laserowe, a do najgrubszych (powyżej 0,5 cm) – wycinarki wodne. 

Lasery są również najszybszymi wycinarkami, dlatego najbardziej nadają się do produkcji masowej (oczywiście, biorąc również pod uwagę grubość ciętego materiału). Z kolei prędkość cięcia wodą jest niewielka, dlatego też tej technologii nie poleca się w przypadku konieczności cięcia dużych serii. 

Wycinarki laserowe, podobnie jak maszyny waterjet, również świetnie sprawdzają się w cięciu różnych materiałów – z pominięciem tych, które charakteryzują się dużym współczynnikiem odbicia światła.

Jaka przyszłość cięcia wodą?

Ryszard Cieślak wskazuje na kilka kluczowych kierunków rozwoju technologii cięcia strumieniem wody, które dynamicznie ewoluują. Firma Flow, jako lider w tej dziedzinie, nieustannie pracuje nad rozwojem i udoskonalaniem tej technologii. 

Jednym z głównych trendów jest coraz większa automatyzacja procesów, która znacząco zwiększa wydajność i precyzję procesów cięcia. Zautomatyzowane systemy – w tym integracja z robotami – usprawniają produkcję, zapewniając spójność i dokładność cięć, co jest kluczowe w przemyśle, w którym wymagana jest duża powtarzalność.

Zwraca też uwagę na rozwój cięcia wodno-ściernego, w którym coraz wyższe ciśnienie wody w połączeniu z cząsteczkami ściernymi pozwalają na precyzyjne cięcie twardych materiałów – jak metale, ceramika czy kompozyty. Ta technologia otwiera nowe możliwości obróbki materiałów, które wcześniej były trudne do cięcia przy użyciu tradycyjnych metod.

Zwiększona dostosowalność systemów cięcia wodą to kolejny trend, który czyni tę technologię jeszcze wszechstronniejszą. Producenci maszyn oferują coraz bardziej elastyczne rozwiązania, które odpowiadają na różnorodne potrzeby przemysłowe. 

Przedstawiciel firmy Flow Europe podkreśla również rosnącą rolę ekologii. Cięcie strumieniem wody staje się coraz przyjaźniejsze dla środowiska, przy minimalnym wpływie na nie oraz dzięki możliwości recyklingu wody i materiałów ściernych.

Integracja z Przemysłem 4.0 – w tym zastosowanie narzędzi IoT i zaawansowanego oprogramowania – to kolejny krok w rozwoju tej technologii cięcia. Dzięki tym rozwiązaniom możliwe jest monitorowanie i optymalizowanie procesów cięcia, co zwiększa niezawodność i przewidywalność systemów. 

Ponadto Ryszard Cieślak zaznacza, że branża przechodzi także od modelu naprawy usterek do modelu konserwacji zapobiegawczej. Zapewnia to większą przewidywalność i czas sprawności systemów cięcia, a tym samym poprawę efektywności całego procesu produkcyjnego.

– Zmiany te sprawiają, że cięcie strumieniem wody jest bardziej wydajne, precyzyjne i dostosowane do różnych potrzeb przemysłowych – podsumowuje przedstawiciel firmy Flow Europe.