Waterstraaltechnologie onderscheidt zich

Snijden zonder vervorming, structuur- en kleurveranderingen

Waterstraalsnijden – na knippen, zagen en ponsen/stansen de vierde koude snijtechniek – maakt het mogelijk om uiteenlopende materialen te snijden zonder dat daarbij sprake is van vervorming, structuur- of kleurveranderingen. De jongste jaren is veel onderzoek gedaan naar de verdere mogelijkheden van de techniek, wat heeft geleid tot een aanzienlijke prestatieverbetering en een significante toename van de snijsnelheden. We maken de balans op met Dieter Comyn (Haco), Inge Lefevre (L&D Jet Techniek), Jonas Trenson (De Tollenaere) en Nic Wouters (Wouters Cutting & Welding).

KOUDE SNIJTECHNIEK

Waterstraalsnijden maakt het mogelijk materialen te snijden zonder dat daarbij vervorming, structuur- of kleurveranderingen optreden. Het materiaal bepaalt of dit kan met of zonder snijzand (abrasief), het feitelijke ‘snijelement’. Het water laat de korreltjes gericht en met de juiste snelheid richting snijpunt bewegen. Het snijproces zelf vindt plaats met behulp van een spuitkop waarop robijn of (kunst)diamant − orifice geheten − is aangebracht. Het mengsel van water en abrasief raakt het metaal met snelheden tot wel 700 m/s oftewel 2.520 km/u (de snelheid van het geluid bedraagt 194 km/u). Daarbij wordt het principe van de 'vliegende snijkop’ gehanteerd: de gewenste werkstukcontour wordt gevolgd zonder dat de snijtafel zelf beweegt.

Waardoor is de techniek onderscheidend?

Lefevre (L&D Jet Techniek): "Er is geen warmte-inbreng, doordat een heat affected zone (HAZ) ontbreekt. Dit maakt het mogelijk onderdelen te snijden zonder dat een nabewerking nodig is. Doordat er sprake is van focussering van het water in een bundel en niet in een punt, kunnen er ingewikkelde contouren worden gesneden. Bijvoorbeeld de overgang in dikte van rond naar zeskant."

"Doordat er sprake is van focussering van het water in een bundel kunnen er ingewikkelde contouren worden gesneden"

Trenson (De Tollenaere): "Door toevoeging van een abrasief kan de waterstraal alle soorten metaal, steen, keramiek, glas en composieten snijden; zonder abrasief zijn dat onder meer kunststoffen, schuim en rubber. De ‘koude’ waterstraalsnede is bovendien de enige snijtechnologie waarmee het snijden van kunststof of composiet mogelijk is."

KNOWHOW
Waterstraalsnijden is een complexe techniek. Daarom moet de operator kennis van zaken hebben over onder meer:
- de kwaliteit en de kwetsbaarheid van de componenten; slijtage moet tijdig worden herkend;
- de kwaliteit waaraan het water moet voldoen;
- de scheiding van zand en water na het snijproces;
- het te plegen onderhoud.

Een gedegen opleiding en training is daarbij een gedeelde verantwoordelijkheid van leverancier en gebruiker.

Wat is de functie van de robijn/diamant?

Comyn (Haco): "Deze wordt gebruikt in de focuser en bundelt als het ware de hogedrukstraal (vergelijkbaar met de functie van een lens bij het lasersnijproces, n.v.d.r.). Mede door een vernauwing in de buis, loopt de druk daarbij op tot wel 3.800 bar."

Wouters (Wouters Cutting & Welding): "Bij de keuze tussen robijn of diamant wordt het verschil bepaald door de standtijd. Bij een robijn (kostprijs 40 euro) ligt die rond de 40 uren; bij een diamant (kostprijs 400 euro) is dat ongeveer 500 uren. Veel hangt ook af van de kwaliteit van het gebruikte water. Bevat dit veel onzuiverheden, dan kan dit invloed hebben op de levensduur."

SNIJSNELHEID

Ten aanzien van de snijtijd bestaat er een spanningsveld tussen snelheid en kwaliteit. Een hoge snijsnelheid betekent een lagere productieprijs, maar vaak is dan wel een nabewerking nodig. Bij toenemende snijsnelheden zal de straal gaan na-ijlen – het verschijnsel dat de straal aan de onderzijde van het materiaal achterblijft ten opzichte van de bovenkant en zal het zogeheten ‘tapereffect’ optreden: de snede blijft niet haaks.

Zijn er voor deze snelheidsgerelateerde problemen al oplossingen bedacht?

Comyn (Haco): "Die oplossing is er in de vorm van Jet Performance Control (JPC). Daarbij is er sprake van een oneindige rotatie van de C-as. Dit systeem zal de snijkop automatisch doen kantelen om het na-ijlen te compenseren en zo het tapereffect te voorkomen."

Trenson (De Tollenaere): "Met een 3D-snijkop TAC of speciale compensatiekoppen voor taps toelopende hoeken kan in combinatie met krachtige besturingssoftware voor fouten als conische hoekfout, vertraging en variabele groottefout worden gecorrigeerd."

Is er een 'omslagpunt' te benoemen waarop de nadelen van een hoge snijsnelheid groter worden dan de voordelen?

Wouters (Wouters Cutting & Welding): "Voor elke dikte is er een maximale snijsnelheid, afhankelijk van de gebruikte orifice/nozzle-combinatie. Hoe groter de diameter van orifice en snijnozzle, hoe hoger de snelheid. Voor elke dikte geldt dat bij een te hoge snelheid een ruw snijoppervlak ontstaat en nabewerking vereist is."

"Voor elke dikte is er een maximale snijsnelheid"

Comyn (Haco): "Dit hangt af van de voorkeur van de klant. De snijsnelheden zijn instelbaar, zodat men in principe voor elke toepassing de meest geschikte snijsnelheden en nauwkeurigheid kan kiezen."

Innovaties

Gaandeweg heeft het waterstraalsnijden zich steeds verder weten te ontwikkelen. Een voorbeeld daarvan is het microwaterstraalsnijden, waarbij de snijsnelheden tot wel vier à vijf keer hoger liggen dan bij andere CNC-technieken. Afhankelijk van de benodigde contour, materiaalsoort en -dikte neemt de bewerking doorgaans slechts een tot twee minuten in beslag.

VOOR- EN NADELEN WATERSTRAALSNIJDEN
- Geen thermische beïnvloeding van het materiaal;
- Een hoge, constante snedekwaliteit;
- De geringe waterstraaldiameter (0,8 mm) maakt complexe(re) snijvormen mogelijk;
- Geen contact tussen werkstuk en snijkop, dus geen risico op beschadigingen;
- Een niet-chemisch proces, vrij van giftige dampen.

- Sommige materialen gaan een reactie aan met het snijmedium, bijvoorbeeld papier en hout;
- Dunne materialen kunnen door de druk gaan bewegen;
- Het abrasief maakt het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen noodzakelijk.

Welke voorbeelden zijn er nog meer?

Lefevre (L&D Jet Techniek): “Meerkops- en 5-assig snijden van complexe vormen, en – alleen bij ons − de zogeheten hybridetechniek, waarbij 5-assig waterstraalsnijden en 5-assig frezen in één opspanning mogelijk is. Hierdoor wordt het nadeel dat snijden tot een bepaalde diepte niet mogelijk is direct gecompenseerd door de freestechnologie, zonder dat opnieuw instellen nodig is."

Tenson (De Tollenaere): "In plaats van te snijden met een waterdruk van 3.500 tot 4.000 bar, is waterstraalsnijden van 6.000 bar tegenwoordig een optie, met grotere voedingssnelheden en een hogere productiviteit tot gevolg."

 

Snijkop

Het spuitstuk is een cruciaal onderdeel in het hogedruksysteem en om die reden is naar de constructie daarvan al veel onderzoek gedaan. De aard van de straal wordt bepaald door de maatvoering en vorm van de spuitopening en de straalbuis, en door de mate waarin beide op één lijn liggen. Van belang daarbij zijn onder meer de diameter van de spuitopening, de plaats waar het abrasief intreedt, de hoek tussen waterstraal en intrederichting van het abrasief en de lengte van de straalbuis.

Tot welke belangrijke verbeteringen van de spuitkop heeft dit zoal geleid?

Lefevre (L&D Jet Techniek): "De snijkoppen werden beter gedimensioneerd om nóg fijnere contouren met nóg fijner abrasief aan te kunnen en om de flow van het abrasief zo optimaal mogelijk te laten zijn, voor een kwalitatief nóg betere en gladdere snede."

Trenson (De Tollenaere): "Tegenwoordig zijn spuitkoppen verkrijgbaar met synthetische diamanten die zich prijstechnisch bevinden in het middensegment. Ook is de behandeling van het inlaatwater verbeterd. Er zijn inmiddels aparte behandelingen voorhanden voor onder meer hardheid, gehalte aan silicaat, chloride en fijne deeltjes."

En op welke punten is er verder nog winst te behalen?

Wouters (Wouters Cutting & Welding): "Bij de pompen wordt bij ons in toenemende mate gekeken naar de service, dit om snel en optimaal te kunnen werken. Zo is het concept van onze pakkingen zodanig verbeterd dat deze op eenvoudige wijze kunnen worden gewisseld, met behulp van een met de smartphone te downloaden instructiefilmpje."

Lefevre (L&D Jet Techniek): "De druk waarmee er wordt gesneden, wordt om twee redenen steeds belangrijker: om nog dikker te kunnen snijden met ook onderaan een mooie, niet-gekartelde snede, of om sneller dan wel met minder abrasief te kunnen snijden. Die ontwikkeling stelt uiteraard de nodige eisen aan de techniek."

 

Milieu-impact

Een watersnijmachine verbruikt relatief veel energie, maar dit gebeurt efficiënt omdat nagenoeg alle energie wordt omgezet in druk. De hoge druk zorgt ervoor dat onderdelen relatief snel slijten. Milieutechnisch gezien een minpunt is de benodigde hoeveelheid abrasief waarvan een aanzienlijk deel, al dan niet met metaalresten, in de lucht terechtkomt.

Welke stappen voorwaarts zijn er mogelijk op het gebied van duurzaamheid?

Lefevre (L&D Jet Techniek): "Volgens mij is het niet zo slecht gesteld met de duurzaamheid van de techniek. Deze is weliswaar energie-intensief, maar de hoge druk wordt opgewekt in de pompen zelf en de slijtageonderdelen zijn hoofdzakelijk van inox en dus recyclebaar, hetgeen overigens ook geldt voor het abrasief. Er is geen sprake van damp- of gasvorming en het gebruikte water kan gewoon worden geloosd."

Trenson (De Tollenaere): "Duurzaamheid is gaandeweg belangrijker geworden. Zo is de hogedrukpomptechnologie nu aanzienlijk efficiënter, dankzij directe aandrijfsystemen en intelligente druk- en energiebeheersystemen, maar ook is er winst bereikt in de vorm van slimme reinigings- en filtersystemen en efficiëntere onderdelen met een langere levensduur. Efficiëntie is tevens een aandachtspunt en dat betreft het complete systeem met alle inbegrepen componenten."

Comyn (Haco): "In ons huidige ontwerp zitten verschillende componenten die de impact op het milieu drastisch verminderen, waaronder gesloten watercircuits door het filteren en hergebruiken van water en een drukversterker die het verbruik van elektriciteit beperkt."

Zijn er ook aanpassingen denkbaar in reeds opererende machines die de snijkwaliteit en het rendement niet nadelig beïnvloeden?

Comyn (Haco): “Die vraag is moeilijk in zijn algemeenheid te beantwoorden. Elke retrofit moet van geval tot geval door ons serviceteam worden bekeken om zo tot een zo efficiënte en kwalitatieve oplossing te komen."

Trenson (De Tollenaere): "Het retrofitten met up-to-date hogedrukpompen is geen probleem. Deze technologie is niet alleen energiezuinig, maar levert ook een constante snijdruk, wat cruciaal is voor een constant hoge snijoppervlaktekwaliteit en constante voedingssnelheden."

Toepassingen

Autogeen-, plasma- en lasersnijden waren lang dé technieken om in de metaalbewerking tot complexe(re) producten te komen. Het waterstraalsnijden is echter nadrukkelijk bezig om zich van een nichetechnologie tot een waardevolle snijtechniek te ontwikkelen.

In welke markten wordt waterstraalsnijden nu al gebruikt en welke markten zullen daar in de toekomst nog bijkomen?

Lefevre (L&D Jet Techniek): "Dankzij haar unieke eigenschappen is de technologie breed inzetbaar: in de petrochemie, de vliegtuigindustrie, de machinebouw voor voedingsindustrie en de kunststofproductie, maar ook in de designwereld, de reclame- en de verlichtingsindustrie."

Trenson (De Tollenaere): "Het is de enige techniek waarmee kunststof of composiet gesneden kan worden en dat biedt mogelijkheden ten aanzien van snelgroeiende toepassingsgebieden als prototyping, schuimsnijden en de fabricage van keramische tegels."

Comyn (Haco): "Vooral in de luchtvaart, technische artikelen en automotive industrie verwachten we nog heel wat groei. Daar worden dagelijks nieuwe materialen ontwikkeld en is er een grote vraag naar een technologie als waterstraalsnijden."