La découpe au jet d'eau peut être une méthode de traitement plus simple, mais elle est équipée d'un poinçon puissant et nécessite que l'opérateur reste attentif à l'usure et à la précision de plusieurs pièces.
La découpe au jet d'eau la plus simple consiste à découper des matériaux à l'aide de jets d'eau à haute pression. Cette technologie est généralement complémentaire à d'autres procédés de traitement, tels que le fraisage, le laser, l'électroérosion et le plasma. Le procédé au jet d'eau ne produit ni substances nocives ni vapeur, et ne crée aucune zone affectée thermiquement ni contrainte mécanique. Les jets d'eau permettent de découper des détails ultra-fins sur la pierre, le verre et le métal ; de percer rapidement des trous dans le titane ; de découper des aliments ; et même d'éliminer les agents pathogènes présents dans les boissons et les sauces.
Toutes les machines à jet d'eau sont équipées d'une pompe qui pressurise l'eau pour l'acheminer vers la tête de découpe, où elle est convertie en un flux supersonique. Il existe deux principaux types de pompes : les pompes à entraînement direct et les pompes à surpression.
Le rôle de la pompe à entraînement direct est similaire à celui d'un nettoyeur haute pression : la pompe à trois cylindres entraîne trois pistons directement depuis le moteur électrique. La pression maximale de service continue est inférieure de 10 à 25 % à celle des pompes de surpression similaires, mais elle reste comprise entre 20 000 et 50 000 psi.
Les pompes à intensificateur constituent la majorité des pompes à ultra-haute pression (c'est-à-dire celles de plus de 30 000 psi). Elles comportent deux circuits de fluide, l'un pour l'eau, l'autre pour l'hydraulique. Le filtre d'entrée d'eau traverse d'abord un filtre à cartouche de 1 micron, puis un filtre de 0,45 micron pour aspirer l'eau du robinet. Cette eau pénètre dans la pompe de surpression. Avant d'y pénétrer, la pression de cette dernière est maintenue à environ 90 psi. Elle est ensuite portée à 60 000 psi. Avant de quitter la pompe et d'atteindre la tête de coupe par la canalisation, l'eau traverse l'amortisseur. Ce dispositif permet de supprimer les fluctuations de pression afin d'améliorer la régularité et d'éliminer les impulsions qui laissent des marques sur la pièce.
Dans le circuit hydraulique, le moteur électrique, situé entre les moteurs électriques, extrait l'huile du réservoir et la met sous pression. L'huile sous pression s'écoule vers le collecteur, dont la vanne injecte alternativement de l'huile hydraulique de part et d'autre de l'ensemble lamelle-piston pour générer la course du surpresseur. La surface du piston étant plus petite que celle de la lamelle, la pression de l'huile « augmente » la pression de l'eau.
Le surpresseur est une pompe alternative, ce qui signifie que l'ensemble piston-lamelle délivre de l'eau haute pression d'un côté du surpresseur, tandis que l'eau basse pression remplit l'autre côté. La recirculation permet également à l'huile hydraulique de refroidir lorsqu'elle retourne au réservoir. Le clapet anti-retour garantit que l'eau basse et haute pression ne s'écoule que dans un seul sens. Les cylindres haute pression et les embouts qui encapsulent les composants piston-lamelle doivent répondre à des exigences spécifiques pour résister aux forces du processus et aux cycles de pression constants. L'ensemble du système est conçu pour une défaillance progressive, et les fuites s'écouleront vers des « orifices de drainage » spéciaux, que l'opérateur peut surveiller afin de mieux planifier la maintenance régulière.
Un tuyau haute pression spécial transporte l'eau jusqu'à la tête de coupe. Ce tuyau peut également offrir une certaine liberté de mouvement à la tête de coupe, selon sa taille. L'acier inoxydable est le matériau de choix pour ces tuyaux, et il existe trois tailles courantes. Les tuyaux en acier d'un diamètre de 6,35 mm sont suffisamment flexibles pour se raccorder à des équipements sportifs, mais ne sont pas recommandés pour le transport d'eau à haute pression sur de longues distances. Comme ce tube est facile à cintrer, même en rouleau, une longueur de 3 à 6 mètres permet d'obtenir des mouvements X, Y et Z. Les tuyaux plus grands de 9,5 mm (3/8 po) transportent généralement l'eau de la pompe jusqu'au bas de l'équipement mobile. Bien qu'ils puissent être pliés, ils ne conviennent généralement pas aux équipements de déplacement de pipelines. Le tuyau le plus grand, mesurant 14,5 mm (9/16 po), est idéal pour le transport d'eau à haute pression sur de longues distances. Un diamètre plus important permet de réduire les pertes de pression. Les tuyaux de cette taille sont parfaitement compatibles avec les grandes pompes, car une grande quantité d'eau à haute pression présente également un risque accru de perte de pression. Cependant, les tuyaux de cette taille ne peuvent pas être pliés et des raccords doivent être installés dans les coins.
La machine de découpe au jet d'eau pure est la plus ancienne, et son histoire remonte au début des années 1970. Comparées au contact ou à l'inhalation des matériaux, elles produisent moins d'eau sur les matériaux, ce qui les rend adaptées à la production de produits tels que les intérieurs automobiles et les couches jetables. Le fluide est très fin (de 0,004 à 0,010 pouce de diamètre) et permet d'obtenir des géométries extrêmement détaillées avec une perte de matière minimale. La force de coupe est extrêmement faible et la fixation généralement simple. Ces machines sont idéales pour un fonctionnement 24h/24.
Lors du choix d'une tête de découpe pour une machine à jet d'eau pure, il est important de garder à l'esprit que la vitesse d'écoulement correspond aux fragments ou particules microscopiques du matériau à déchirer, et non à la pression. Pour atteindre cette vitesse élevée, l'eau sous pression s'écoule à travers un petit trou pratiqué dans une pierre précieuse (généralement un saphir, un rubis ou un diamant) fixée à l'extrémité de la buse. La découpe typique utilise un orifice de diamètre compris entre 0,004 et 0,010 pouce, tandis que des applications spéciales (comme le béton projeté) peuvent utiliser des diamètres allant jusqu'à 0,10 pouce. À 40 000 psi, le débit sortant de l'orifice se déplace à une vitesse d'environ Mach 2, et à 60 000 psi, il dépasse Mach 3.
Chaque bijouterie possède une expertise différente en matière de découpe au jet d'eau. Le saphir est le matériau polyvalent le plus courant. Sa durée de découpe est d'environ 50 à 100 heures, bien que l'application au jet d'eau abrasif divise ce temps par deux. Les rubis ne se prêtent pas à la découpe au jet d'eau pur, mais le débit d'eau qu'ils produisent est parfaitement adapté à la découpe abrasive. Dans ce procédé, la durée de découpe des rubis est d'environ 50 à 100 heures. Les diamants sont beaucoup plus chers que les saphirs et les rubis, mais leur durée de découpe est comprise entre 800 et 2 000 heures. Cela les rend particulièrement adaptés à une utilisation 24 heures sur 24. Dans certains cas, l'orifice du diamant peut également être nettoyé par ultrasons et réutilisé.
Dans les machines à jet d'eau abrasif, le mécanisme d'élimination de la matière n'est pas le flux d'eau lui-même. Au contraire, le flux accélère les particules abrasives, ce qui corrode le matériau. Ces machines sont des milliers de fois plus puissantes que les machines de découpe à jet d'eau pur et peuvent découper des matériaux durs tels que le métal, la pierre, les matériaux composites et la céramique.
Le jet abrasif est plus large que celui du jet d'eau pure, avec un diamètre compris entre 0,020 et 0,050 pouce. Ils peuvent couper des piles et des matériaux jusqu'à 10 pouces d'épaisseur sans créer de zones affectées thermiquement ni de contraintes mécaniques. Bien que leur résistance ait augmenté, la force de coupe du jet abrasif reste inférieure à 450 g. Presque toutes les opérations de jet d'abrasif utilisent un dispositif de jet et peuvent facilement passer d'une utilisation mono-tête à une utilisation multi-têtes, et même le jet d'eau abrasif peut être converti en jet d'eau pure.
L'abrasif est un sable dur, spécialement sélectionné et granulé, généralement du grenat. Différentes tailles de grilles conviennent à différents travaux. Une surface lisse peut être obtenue avec des abrasifs de 120 mesh, tandis que ceux de 80 mesh se sont avérés plus adaptés aux applications générales. La vitesse de coupe d'un abrasif de 50 mesh est plus rapide, mais la surface est légèrement plus rugueuse.
Bien que les jets d'eau soient plus faciles à utiliser que de nombreuses autres machines, le tube mélangeur requiert l'attention de l'opérateur. Son potentiel d'accélération est comparable à celui d'un canon de fusil, avec des tailles et des durées de remplacement variables. Ce tube mélangeur durable constitue une innovation révolutionnaire dans la découpe au jet d'eau abrasif, mais il reste très fragile : si la tête de coupe entre en contact avec un accessoire, un objet lourd ou le matériau cible, il peut se briser. Les tuyaux endommagés ne sont pas réparables ; pour maîtriser les coûts, il est donc essentiel de minimiser les remplacements. Les machines modernes sont généralement équipées d'une fonction de détection automatique des collisions pour éviter toute collision avec le tube mélangeur.
La distance de séparation entre le tube de mélange et le matériau cible est généralement comprise entre 0,010 et 0,200 pouce. Cependant, l'opérateur doit garder à l'esprit qu'une distance supérieure à 0,080 pouce provoquera un givrage sur le bord supérieur de la pièce. La découpe sous-marine et d'autres techniques peuvent réduire, voire éliminer, ce givrage.
Initialement, le tube de mélange était en carbure de tungstène et sa durée de vie n'était que de quatre à six heures de coupe. Aujourd'hui, les tubes composites économiques atteignent une durée de vie de 35 à 60 heures et sont recommandés pour la coupe d'ébauche ou la formation des nouveaux opérateurs. Le tube en carbure cémenté composite prolonge sa durée de vie à 80 à 90 heures de coupe. Le tube en carbure cémenté composite de haute qualité offre une durée de vie de 100 à 150 heures, convient aux travaux de précision et quotidiens et présente une usure concentrique très prévisible.
En plus de fournir du mouvement, les machines-outils à jet d'eau doivent également inclure une méthode de fixation de la pièce et un système de collecte et de récupération de l'eau et des débris provenant des opérations d'usinage.
Les machines stationnaires et unidimensionnelles sont les machines à jet d'eau les plus simples. Elles sont couramment utilisées dans l'aéronautique pour la découpe de matériaux composites. L'opérateur introduit le matériau dans le jet d'eau comme une scie à ruban, tandis que le récupérateur récupère le jet d'eau et les débris. La plupart des machines à jet d'eau stationnaires sont des machines à jet d'eau pure, mais pas toutes. La refendeuse est une variante de la machine stationnaire : des produits comme le papier sont introduits dans la machine et le jet d'eau découpe le produit à une largeur spécifique. Une machine à tronçonner est une machine qui se déplace le long d'un axe. Elle fonctionne souvent avec des machines à refendre pour créer des motifs en grille sur des produits tels que des distributeurs automatiques de brownies. La refendeuse découpe le produit à une largeur spécifique, tandis que la machine à tronçonner coupe le produit placé en dessous.
Les opérateurs ne doivent pas utiliser manuellement ce type de jet d'eau abrasif. Il est difficile de déplacer l'objet découpé à une vitesse précise et constante, et cette opération est extrêmement dangereuse. De nombreux fabricants ne proposent même pas de machines compatibles avec ces réglages.
La table XY, également appelée machine de découpe à plat, est la machine de découpe au jet d'eau bidimensionnelle la plus courante. Les jets d'eau pure découpent les joints, les plastiques, le caoutchouc et la mousse, tandis que les modèles abrasifs découpent les métaux, les composites, le verre, la pierre et la céramique. L'établi peut mesurer de 60 cm sur 120 cm à 90 cm sur 300 cm. Généralement, le contrôle de ces machines-outils est assuré par une commande numérique par ordinateur (CNC) ou un ordinateur. Des servomoteurs, généralement avec retour d'information en boucle fermée, assurent l'intégrité de la position et de la vitesse. L'unité de base comprend des guides linéaires, des paliers et des vis à billes ; l'unité de pont intègre également ces technologies, et le réservoir de récupération comprend un support de matériau.
Les établis XY sont généralement disponibles en deux modèles : l'établi à portique central comprend deux rails de guidage et un pont, tandis que l'établi cantilever utilise une base et un pont rigide. Les deux types de machines offrent un réglage de la hauteur de la tête. Ce réglage sur l'axe Z peut prendre la forme d'une manivelle manuelle, d'une vis électrique ou d'une vis servo entièrement programmable.
Le bac de récupération de l'établi XY est généralement un réservoir rempli d'eau, équipé de grilles ou de lattes pour soutenir la pièce. Le processus de coupe consomme lentement ces supports. Le bac peut être nettoyé automatiquement, les déchets étant stockés dans le conteneur, ou manuellement, et l'opérateur vidant régulièrement le bac à la pelle.
Face à l'augmentation de la proportion d'objets présentant des surfaces quasiment planes, la découpe au jet d'eau moderne nécessite des capacités cinq axes (ou plus). Heureusement, la légèreté de la tête de coupe et la faible force de recul pendant la découpe offrent aux ingénieurs concepteurs une liberté que l'usinage à forte charge ne permet pas. Initialement, la découpe au jet d'eau cinq axes utilisait un système de gabarit, mais les utilisateurs se sont rapidement tournés vers la découpe cinq axes programmable pour s'affranchir du coût de ce dernier.
Cependant, même avec un logiciel dédié, la découpe 3D est plus complexe que la découpe 2D. La queue composite du Boeing 777 en est un exemple extrême. L'opérateur télécharge d'abord le programme et programme la tige flexible « pogostick ». Le pont roulant transporte le matériau des pièces, puis la barre à ressort est dévissée à la hauteur appropriée et les pièces sont fixées. L'axe Z spécial, non coupant, utilise une sonde de contact pour positionner précisément la pièce dans l'espace et des points d'échantillonnage pour obtenir l'élévation et la direction correctes. Ensuite, le programme est redirigé vers la position réelle de la pièce ; la sonde se rétracte pour laisser la place à l'axe Z de la tête de découpe ; le programme s'exécute pour contrôler les cinq axes afin de maintenir la tête de découpe perpendiculaire à la surface à découper et de fonctionner à la vitesse requise.
Des abrasifs sont nécessaires pour découper des matériaux composites ou tout métal de plus de 0,05 pouce. Il est donc essentiel d'empêcher l'éjecteur de couper la barre à ressort et le bâti de l'outil après la découpe. La capture ponctuelle spéciale est la meilleure solution pour la découpe au jet d'eau cinq axes. Des tests ont montré que cette technologie peut arrêter un avion à réaction de 50 chevaux de moins de 6 pouces. Le cadre en C relie le récupérateur au poignet de l'axe Z pour capturer correctement la bille lorsque la tête affleure toute la circonférence de la pièce. Le récupérateur ponctuel arrête également l'abrasion et consomme des billes d'acier à un rythme d'environ 0,5 à 1 livre par heure. Dans ce système, le jet est arrêté par la dispersion de l'énergie cinétique : après son entrée dans le piège, il rencontre la bille d'acier contenue, et cette dernière tourne pour absorber l'énergie du jet. Même à l'horizontale et (dans certains cas) à l'envers, le récupérateur ponctuel fonctionne.
Toutes les pièces cinq axes ne sont pas aussi complexes. Plus la taille de la pièce augmente, plus le réglage du programme, la vérification de sa position et la précision de la découpe deviennent complexes. De nombreux ateliers utilisent quotidiennement des machines 3D pour la découpe 2D simple et la découpe 3D complexe.
Les opérateurs doivent être conscients de la grande différence entre la précision d'une pièce et celle du mouvement de la machine. Même une machine offrant une précision quasi parfaite, un mouvement dynamique, un contrôle de la vitesse et une excellente répétabilité peut ne pas être en mesure de produire des pièces « parfaites ». La précision de la pièce finie est une combinaison d'erreurs de procédé, d'erreurs machine (performances XY) et de stabilité de la pièce (fixation, planéité et stabilité thermique).
Pour la découpe de matériaux d'une épaisseur inférieure à 2,5 cm, la précision du jet d'eau est généralement comprise entre 0,07 et 0,4 mm (±0,003 et 0,015 pouce). Pour les matériaux de plus de 2,5 cm d'épaisseur, la précision est comprise entre 0,12 et 2,5 mm (±0,005 et 0,100 pouce). La table XY haute performance est conçue pour une précision de positionnement linéaire de 0,005 pouce ou plus.
Les erreurs potentielles affectant la précision incluent les erreurs de compensation d'outil, les erreurs de programmation et les mouvements de la machine. La compensation d'outil est la valeur entrée dans le système de contrôle pour prendre en compte la largeur de coupe du jet, c'est-à-dire la distance de coupe à élargir pour que la pièce finale atteigne la taille souhaitée. Pour éviter les erreurs potentielles lors d'un travail de haute précision, les opérateurs doivent effectuer des coupes d'essai et comprendre que la compensation d'outil doit être ajustée en fonction de la fréquence d'usure du tube de mélange.
Les erreurs de programmation surviennent le plus souvent lorsque certaines commandes XY n'affichent pas les dimensions du programme pièce, ce qui rend difficile la détection d'un manque de correspondance dimensionnelle entre le programme pièce et le dessin CAO. Les aspects importants du mouvement de la machine susceptibles d'introduire des erreurs sont l'écartement et la répétabilité de l'unité mécanique. Le réglage du servomoteur est également important, car un réglage incorrect peut entraîner des erreurs d'écartement, de répétabilité, de verticalité et de broutage. Les petites pièces de moins de 30 cm de longueur et de largeur ne nécessitent pas autant de tables XY que les grandes pièces, ce qui réduit le risque d'erreurs de mouvement de la machine.
Les abrasifs représentent les deux tiers des coûts d'exploitation des systèmes de jet d'eau. Les autres coûts incluent l'énergie, l'eau, l'air, les joints, les clapets anti-retour, les orifices, les tuyaux de mélange, les filtres d'entrée d'eau et les pièces détachées pour les pompes hydrauliques et les vérins haute pression.
Le fonctionnement à pleine puissance semblait plus coûteux au départ, mais l'augmentation de la productivité a dépassé le coût. À mesure que le débit d'abrasif augmente, la vitesse de coupe augmente et le coût par pouce diminue jusqu'à atteindre le point optimal. Pour une productivité maximale, l'opérateur doit utiliser la tête de coupe à la vitesse de coupe la plus rapide et à la puissance maximale. Si un système de 100 chevaux ne peut alimenter qu'une tête de 50 chevaux, l'utilisation de deux têtes sur le système permet d'atteindre cette efficacité.
L'optimisation de la découpe au jet d'eau abrasif nécessite une attention particulière à la situation spécifique à laquelle elle est confrontée, mais peut fournir d'excellentes augmentations de productivité.
Il est déconseillé de découper un espace d'air supérieur à 0,020 pouce, car le jet s'ouvre dans cet espace et découpe grossièrement les couches inférieures. Empiler les feuilles de matériau les unes contre les autres peut éviter ce problème.
Mesurez la productivité en termes de coût par pouce (c'est-à-dire le nombre de pièces fabriquées par le système), et non de coût horaire. En effet, une production rapide est nécessaire pour amortir les coûts indirects.
Les jets d'eau qui percent fréquemment les matériaux composites, le verre et la pierre doivent être équipés d'un contrôleur permettant de réduire et d'augmenter la pression de l'eau. L'assistance par aspiration et d'autres technologies augmentent les chances de réussir à percer les matériaux fragiles ou stratifiés sans endommager le matériau cible.
L'automatisation de la manutention n'est pertinente que lorsque celle-ci représente une part importante du coût de production des pièces. Les machines à jet d'eau abrasif utilisent généralement un déchargement manuel, tandis que la découpe de plaques est principalement automatisée.
La plupart des systèmes de jet d'eau utilisent de l'eau du robinet ordinaire, et 90 % des opérateurs de jet d'eau n'effectuent aucune préparation autre que l'adoucissement de l'eau avant de l'envoyer au filtre d'entrée. L'utilisation de l'osmose inverse et des déioniseurs pour purifier l'eau peut être tentante, mais l'élimination des ions facilite l'absorption des ions métalliques dans les pompes et les conduites haute pression. Cela peut prolonger la durée de vie de l'orifice, mais le coût de remplacement du cylindre haute pression, du clapet anti-retour et du couvercle est beaucoup plus élevé.
La découpe sous-marine réduit le givrage de surface (également appelé « buée ») sur le bord supérieur de la découpe au jet d'eau abrasif, tout en réduisant considérablement le bruit du jet et le désordre sur le lieu de travail. Cependant, cela réduit la visibilité du jet ; il est donc recommandé d'utiliser un système de surveillance électronique des performances pour détecter les écarts par rapport aux conditions optimales et arrêter le système avant tout dommage aux composants.
Pour les systèmes utilisant des tamis abrasifs de différentes tailles pour différents travaux, veuillez prévoir un espace de stockage et de dosage supplémentaire pour les tailles courantes. Le transport en vrac, de petite taille (45 kg) ou de grande taille (227 à 900 kg), et les vannes de dosage associées permettent de changer rapidement de tamis, réduisant ainsi les temps d'arrêt et les contraintes, tout en augmentant la productivité.
Le séparateur peut couper efficacement les matériaux d'une épaisseur inférieure à 0,3 pouce. Bien que ces taquets permettent généralement un second meulage du taraud, ils permettent une manutention plus rapide des matériaux. Les matériaux plus durs auront des étiquettes plus petites.
Usinage par jet d'eau abrasif et contrôle de la profondeur de coupe. Pour les pièces souhaitées, ce procédé naissant peut constituer une alternative intéressante.
Sunlight-Tech Inc. a utilisé les centres de micro-usinage et de micro-fraisage laser Microlution de GF Machining Solutions pour produire des pièces avec des tolérances inférieures à 1 micron.
La découpe au jet d'eau occupe une place importante dans le domaine de la fabrication de matériaux. Cet article explique comment utiliser le jet d'eau dans votre magasin et comment procéder.
Date de publication : 4 septembre 2021