Hoe werkt waterstraalsnijden?

Een inleiding tot CNC-waterstraalsnijden

CNC-waterstraalsnijmachines (Computer Numerical Control / numerieke computerbesturing) zijn bijzonder populair geworden voor het 2D-snijden van vlakke platen, zelfs zware platen, bij staalservicebedrijven, apparatuurfabrikanten en producenten. Enkele van de belangrijkste voordelen van waterstraalsnijden zijn de rechtheid van de snede en het ontbreken van een door warmte beïnvloede zone. Om deze voordelen te begrijpen, moeten we eerst kijken naar hoe waterstraalsnijden werkt.

Waterstraalsnijden is een niet-thermisch proces

In tegenstelling tot een thermisch snijproces, zoals plasma-, autogeen of lasersnijden, is waterstraalsnijden een mechanisch zaagproces. Dit is vergelijkbaar met een band- of lintzaag, dat wil zeggen een dunne strook metaal met scherpe tanden die door het te snijden materiaal wordt getrokken. Op soortgelijke wijze wordt bij waterstraalsnijden gebruik gemaakt van een dunne stroom water met scherpe stukjes steen die door het materiaal worden geduwd.

De stukjes steen, of schuurmiddel, zijn meestal gemaakt van gemalen granaat. Voor sommige toepassingen worden andere materialen gebruikt, maar granaat wordt verreweg het meest gebruikt voor het snijden van metalen platen. Granaat wordt ook vaak aangebracht op schuurpapier en is een relatief harde steen. Elke schuurkorrel die er doorheen gaat, slijt een klein beetje van het materiaal weg.

Nu nog de snelheid

Een metalen plaat wordt niet gesneden door er alleen schurende waterstralen op te gieten. Daarvoor moet het schuurmiddel de plaat met een bepaalde snelheid raken. Het momentum van een object is gelijk aan zijn massa vermenigvuldigd met zijn snelheid. Een schuurkorrel heeft weinig massa, dus om enig effect te hebben op een stalen plaat, moet het een hoge snelheid hebben zodat het schuurmiddel voldoende wordt versneld om door harde materialen te snijden. Daarvoor wordt water met 'ultrahoge druk' gebruikt, dat vervolgens door een kleine opening wordt geperst. Wie wel eens met een tuinslang heeft gespeeld, weet dat als de mondstukopening kleiner wordt, er weliswaar minder water uit komt, maar wel met een hogere snelheid. Dat is precies wat er gebeurt in de waterstraalsnijkop.

De typische waterstraalsnijdruk ligt tussen 3.500 en 4.200 bar. Veel nieuwere systemen gebruiken een druk tot 6.200 bar. Het water komt met deze druk uit een kleine opening die machinaal uitgesneden is uit een diamant of saffier, meestal met een diameter van 1,2 tot 3,6 mm. De resulterende waterstroom is supersonisch, dat wil zeggen sneller dan de snelheid van het geluid. Gelukkig heeft het een laag volume, slechts ongeveer 1,9 liter per minuut.

Schuurmiddel toevoegen

Zowel de vorming van de waterstroom door de juweelopening als het mengen van het schuurmiddel in de stroom vindt plaats in een waterstraalsnijkop, zoals de KMT Autoline™ II. Om het schuurmiddel met het water te mengen, stroomt het water door een trechtervormige kamer, waar het schuurmiddel door de waterstroom wordt opgenomen en versneld. De waterstroom, die nu schuurdeeltjes bevat, gaat dan door een focusseerbuis, of mondstuk, waar al het schuurmiddel volledig in de waterstroom wordt opgenomen en in dezelfde richting beweegt.

In de focusseerbuis ontstaat zo een supersonische stroom van water en schuurmiddel die snel door elk materiaal zal snijden, inclusief aluminium, staal, roestvrij staal, pantserplaat, graniet, tegels, laminaten en zelfs glas (hoewel gehard glas is te bros).

Metaal snijden zonder door warmte beïnvloede zone

Omdat elk schuurdeeltje slechts een kleine hoeveelheid materiaal verwijdert door erosie, wordt er weinig warmte gegenereerd. Ook wordt eventuele warmte die wordt geproduceerd, snel afgekoeld door de waterstroom voordat deze het omringende materiaal kan verwarmen. Daarom is er bij metaal snijden geen door warmte beïnvloede zone. Daarom is waterstraalsnijden een koud snijproces.

Extreem rechte, nauwkeurige snede

Deze snel bewegende schuurdeeltjes snijden niet alleen zonder een door warmte beïnvloede zone, maar het momentum van de waterstroom zorgt ervoor dat ze lang nadat ze de focusseerbuis hebben verlaten in een rechte lijn voortbewegen, wat leidt tot een extreem rechte, nauwkeurige snede bij verschillende materialen.