کتاب- واتر جت و اصول کار آن- در 69 صفحه-docx

واترجت

دستگاه برش با آب یا  برش واترجت  ( Abrasive WaterJet Cutting ) کار برش مواد را با فشار زیاد آب انجام می دهد. ساز و کار واترجت بدین صورت است که یک پمپ بسیار قوی آب را با فشار زیاد به داخل یک نازل با قطر خیلی کم هدایت می‌کند در نتیجه آب سرعتی در حدود 900 متر بر ثانیه پیدا می‌کند سپس مادۀ ساینده ای به نام ابرسیو (abrasive) به منظور برش مواد سخت به این آب تزریق می‌شود، این مخلوط آب و مواد ساینده که با فشار 4000 تا 6200 بار (بسته به قدرت پمپ) از نازل خارج می‌شود طرح را بر روی قطعه مورد نظر برش می‌دهد.

دستگاه برش واترجت بر مبنای اصول CNC کار می‌کند. واژه CNC مخفف Computer Numerical Control است یعنی دستگاه‌هایی که با سیستم کنترل عددی از طریق کامپیوتر کار می‌کنند. بدین ترتیب برای برش یک طرح با دستگاه واترجت ابتدا طرح به صورت خطی در یکی از نرم افزارهای بُرداری (Vector)  مانند کرل دراو، اتوکد، کَتیا و… طراحی می‌شود سپس این طرح در نرم افزاری دیگر به Gcode تبدیل می‌شود و وارد کامپیوتر دستگاه می‌شود و روی هر ماده‌ای که زیر نازل قرار گرفته باشد برش می‌خورد.

توانایی برش واترجت

واترجت هر ماده‌ای را با هر ضریب سختی برش می‌دهد، به همین دلیل می‌توان گفت تنها ابزار برش سوپرآلیاژها و تیتانیوم است، برخی مواد که دراثر حرارت دود سمی تولید می‌کنند را با این روش می‌توان برش داد، چون ماهیت این برش سرد است.

مزیت برش واترجت

- برش بدون محدودیت تمام مواد

- برش انواع فولاد (هاردوکس Hardox ، گرم کار، CK45 و…)، برش تیتانیوم، برش آهن، برش آلومینیوم، برش استیل، برش فلزات رنگین(برش مس، برش برنج، برش برنز )، برش لاستیک، برش پلاستیک، برش سنگ ( به ویژه برای معرق سنگ ) ، برش سرامیک، برش کاشی، برش شیشه، برش پی وی سی ، برش پلی کربنات، برش اکریلیک، برش پارکت، برش کامپوزیت، برش انواع فوم، برش پلکسی گلاس، برش چوب، برش ام دی اف، برش اچ دی اف و…

- توانائی برش سوپر آلیاژ

- عدم ایجاد تنش حرارتی

- کیفیت بالای برش لبه ها و عدم نیاز به مرحله پرداخت و ماشینکاری

- امکان اجرای طرح های پیچیده

- قدرت برش بالا

- برش فولاد تا 150 میلیمتر و برخی مواد دیگر تا 500 میلیمتر

دقت برش واترجت 

دقت برش این دستگاه برابر 0.1 میلیمتر است.

همچنین عرض برش (Gap) یا ریزش کار یا خوراک دستگاه واترجت حدود 1 میلیمتر است.

 و سرعت برش واترجت با 4 عامل زیر نسبت عکس دارد یعنی با افزایش اینها سرعت کاهش می‌یابد، این عوامل عبارتند از:

-    سختی ماده

-    ضخامت ماده

-    کیفیت لبه‌ها

-    پیچیدگی طرح؛ به معنی وجود خطوط منحنی و فضای بسته در طرح

کیفیت برش واترجت :

در برش واترجت به دلیل حرکت سیال آب روی ماده هرچه سرعت بالاتر برود شیارهای ظریفی روی قطر لبه‌ها ایجاد می‌شود بنابراین کیفیت لبه‌ها در برش واترجت رابطه مستقیم با سرعت برش دارد، هرچه سرعت برش کمتر شود کیفیت برش لبه‌ها بالاتر می رود و لبه‌ها صیقلی‌تر می‌شوند.

برش واترجت و برش سه بعدی:

برخی دستگاه‌های واترجتِ فوق‌العاده پیشرفته توانایی برش سه بعدی هم دارند اما در حال حاضر نمونه‌ای از این دست واترجت‌ها در ایران موجود نیست. برش سه‌ بعدی نیازمند دقت بسیار زیادی است به همین دلیل تنها برای کارهای خاص استفاده می‌شود. به هر حال اگرچه واترجت در برش طرح‌های 2 بعدی توانمندی فوق العاده‌ای دارد اما در مورد اشکال 3 بعدی محدودیت‌هایی دارد.

کاربرد برش واترجت :

هنر و معماری:

توانایی برش طرح‌های پیچیده و تزیینی روی انواع مواد را دارد، شاید کاربرد واترجت در هنر و معماری بیشتر برای برش معرق و مشبک روی سنگ و سرامیک شناخته شده باشد اما با توجه به قابلیت‌های واترجت این تنها یک کاربرد آن است.

صنعت :

توانایی تولید قطعات دقیق از هر ماده اولیه با سرعت نسبتا بالا حتی با تیراژ محدود

مدل‌سازی :

توانایی برش و تولید قطعه‌هایی تک با دقت بالا در کمترین زمان

مهندسی پزشکی و تجهیزات آزمایشگاهی و پژوهشی

توانایی برش و تولید قطعه‌هایی از جنس فولادهای آلیاژی خاص و استن‌لس استیل برای تولید اعضا مصنوعی، صندلی‌های چرخ‌دار، پروتزهای حرکت و کنترل اعضای آسیب‌دیده، ساخت قطعه‌های روبات از آلومینیوم، مواد کامپوزیت و…

مقایسه برش واترجت با دیگر برش ها:

واترجت و لیزر :

-    قدرت برش واترجت بسیار بیشتر از لیزر است بنابراین دستگاه واترجت توانایی برش مواد با سختی و ضخامت‌ بالا را دارد در حالیکه لیزر این توانایی را ندارد، به عنوان مثال پرتوان‌ترین لیزرها توانایی برش تنگستن کارباید یا تیتانیوم را ندارند  همچنین سفارش برش فولاد با ضخامت بالاتر از 15 میلیمتر به ندرت پذیرفته می شود.

-    واترجت هر ماده‌ای را برش می‌دهد اما لیزر دست‌کم در موارد زیر محدودیت دارد:

الف)دستگاه‌های لیزر از دید موادی که برش می دهند به 2 دسته فلزات و غیر فلزات تقسیم می شوند.

هیچ دستگاه لیزری توانایی برش هر 2 گروه مواد را ندارد.

ب) دستگاه‌های برش لیزر توانایی برش سنگ، سرامیک، شیشه و موادی از این دست را ندارد.

ج) موادی که ویژگی بازتابش دارند مانند آلومینیوم، برنج، مس و…

تنها لیزرهایی که مجهز به آنتی‌رفلکتور هستند آلومینیوم را برش می‌دهند، بیشتر دستگاه‌های لیزر توانایی برش برنج و مس را ندارند، دستگاه‌هایی که این توانایی را دارند تنها قادر به برش مس و برنج با ضخامت‌های پایین هستند.

د) موادی که در اثر برش با لیزر دودهای سمی و خطرناک تولید می‌کنند.

موادی مانند پی‌وی‌سی، پلی‌کربنات، کامپوزیت‌های الیافی، آزبست و… در اثر حرارت ناشی از برش لیزر دود سمی تولید می‌کنند.

اگرچه دود ناشی از برش چوب سمی نیست اما تنها لیزرهای پیشرفته‌ی مجهز به لنزهای ضدخش، ضدغبار و پمپ دمنده‌ی هوا توانایی برش چوب را دارند.

-    دقت برش واترجت در ضخامت‌های بالا بیشتر از لیزر است.

-    هزینه برش واترجت به نسبت لیزر  در بیشتر مواقع کمتر است.

-    ماهیت برش واترجت سرداست، بنابراین مشکلات ناشی از حرارت یعنی تغییر شکل فیزیکی، خواص میکانیکی، ذوب شدن لبه برش در هنگام توقف زیاد نازل در یک محل، تولید دود سمی توسط برخی مواد وجود ندارد.

واتر جت و وایرکات :

-    کاهش بسیار چشمگیر هزینه

-    سرعت بسیار بالاتر برش واترجت

-    عدم نیاز به ایجاد سوراخ اولیه برای شروع برش

-    دستگاه وایرکات تنها مواد رسانای الکتریکی را می‌تواند برش دهد و حتی درمورد آلومینیوم که رسانا هم هست به علت اینکه براده‌های آلومینیوم عمر فیلتر دستگاه را کاهش می‌دهند، هزینه برش آلومینیوم بالاتر است، اما واترجت محدودیت ماده برای برش ندارد.

-    مشکلات ناشی از برش گرم یعنی تنش حرارتی در وایرکات هست اما در واترجت نیست.

واتر جت و فرز(CNC) :

-    سرعت بسیار بالاتر برش

-    کم‌تر بودن عرض برش یا خوراک دستگاه (Gap )

-    فرز توانایی برش هر ماده با هر ضریب سختی را ندارد.

-    فرز توانایی برش مواد با ضخامت‌های بالا را ندارد.

-     در برش با فرز برای هر ضخامت ماده باید مته مناسب به دستگاه بسته شود و در ضخامت‌های بالاتر عرض برش (خوراک دستگاه) بیشتر می‌شود.

-    در برش با فرز احتمال شکستن مته به دلایل مختلف هست و با گذشت زمان مته در اثر استفاده کُند می‌شود.

-    در برش با فرز امکان اجرای طرح‌های پیچیده، شکل‌های ظریف و طرح‌های منحنی نیست.

-    کیفیت لبه‌ها در برش واترجت بالاتر است.

واتر جت و پلاسما و هواگاز :

-    کیفیت لبه‌ها بسیار بالاتر است

-    مشکلات ناشی از برش گرم یعنی تنش حرارتی در پلاسما و هوابرش هست اما در واترجت نیست.

-    عرض برش (خوراک دستگاه) در واترجت بسیار کمتر و نیز برای هر ضخامتی ثابت است.

-    هوابرش و پلاسما امکان برش طرح‌های ظریف و پیچیده را ندارند.

 واتر جت موتورهای آبی هستند که برای بریدن مواد سخت مثل فلزات، سنگ‌ها و پلاستیک‌ها و نیز چوب، چرم، اسفنج، کامپوزیت‌ها و برداشتن روکش سیم‌ها و پلیسه‌گیری استفاده می‌شود.

همگام با پیشرفت صنعت و تکنولوژی، نیاز به دستگاه‌ها و تجهیزات متنوع و تک منظوره روزبروز افزایش می‌یابد. علاوه بر این تنوع، سلیقه‌های گوناگون استفاده‌کنندگان و روند به سوی تکامل صنعت، موجب شده‌اند که دیگر سیستم‌های تولیدی قدیمی مانند ماشین‌های تراش معمولی، جوابگوی تغییرات مداوم در تقاضاهای بازار نباشند. در نتیجه، با تنگ‌تر شدن عرصه رقابت، تولیدکنندگان در سال‌های اخیر به ابداع سیستم‌های تولیدی پیشرفته روی آورده‌اند تا بتوانند هم قادر به ارضای نیازهای مشتری باشند و هم بقای خود را تضمین نمایند. در طی این تغییر و تحول سیستم‌های تولیدی، رایانه‌ها نقش بسیار مهمی را در هدایت، کنترل و پیگیری عملیات مختلف دستی یا ماشینی به عهده گرفته‌اند. از طرفی، به منظور کاهش خطاهای انسانی و ارتقای سطح تکرارپذیری و دقت عمل، ربات‌های گوناگونی طراحی و ساخته شده‌اند تا محصولات تولیدی از کیفیت و قابلیت اطمینان بالایی برخوردار شوند.

یکی از این دستگاه‌های پیشرفته و کارآمد دستگاه برش بوسیله واتر جت (water jet cutting) یا همان جت آب می‌باشد.

واترجت چیست؟

از این موتورهای آبی، در زمینه تکنولوژی به مدت بیش از یک صد سال به عنوان مثال در زمینه استخراج معدن و ساخت تونل برای سنگ‌شویی کردن سنگ و زمین استفاده می‌شده است. اولین تلاش‌ها برای بریدن مواد نرم با استفاده از واتر جت از سال 1960 آغاز شده است. از اواسط دهه هشتاد واتر جت در ترکیب با مواد ساینده برای بریدن مواد سخت مثل فلزات و سنگ‌ها و پلاستیک‌ها نیز مورد استفاده قرار گرفت.

آشنایی با انتخاب سنگ‌های تزیینی با تکنولوژی واترجت

طبق گزارش‌ها، واتر جت به نحو چشمگیری رشد و گسترش قابل ملاحظه‌ای پیدا کرده است. 

هم واترجت و هم لیزر قادرند فلزات و دیگر مواد را برش دهند اما دستگاه‌های واترجت ارزان‌تر از دستگاه‌های لیزر می‌باشند.

این فرآیند برای برشکاری و شیارزنی غیر فلزات متخلخل مانند: چوب، چرم، اسفنج و... مناسب است. از آن همچنین برای برشکاری کامپوزیت‌ها، برداشتن روکش سیم‌ها و پلیسه گیری استفاده می‌شود. این فرایند با بهره گیری از اصل تاثیرات فرسایشی یک جت آب با قطر کم و سرعت بالا کار می کند. کیفیت لبه‌های ماشین کاری شده در این فرآیند به طور معمول بهتر از دیگر فرآیند های برشی رایج است. 

جت آب یک ابزار برشی است که هرگز کند نمی‌شود و یا نمی‌شکند. این فرآیند گرد و غبار تولید نمی‌کند، پس از این رو خطرات موجود در ماشینکاری کامپوزیت‌های الیافی و آزبست‌ها به حداقل می‌رسند.

مواد مصرفی:

در واتر جت آب ماشینکاری می‌کند. ابزار برش، آب خالص یا آب به همراه مواد ساینده است. فرآیند برش با آب خالص معمولا برای مواد کم استحکام مانند کاغذ، شیشه، فایبر گلاس و مقوا و فرآیند برش به همراه مواد ساینده، برای مواد مستحکم مانند فلزات و آلیاژها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برش بوسیله جت آب دارای قابلیت انعطاف بالا و توانایی تغییر درصنایع تولیدی را دارا می‌باشد و اجازه انجام بیش‌تر برش‌ها را به کاربران آن می‌دهد.

یکی از صاحبان و مالکان کارخانه ساخت این دستگاه‌ها می‌گوید: "این تکنولوژی با قابلیت انعطاف‌پذیری بالا در انجام برش‌ها و ارائه بهترین تکنولوژی در اقتصاد و تجارت و صنعت، نتایج دلخواه و مورد نظر ما را با قابلیت اطمینان بسیار حیرت‌انگیز ارائه می‌نماید."

عمده فعالیت‌های انجام شده در چهار دهه گذشته مربوط به ایجاد تکنولوژی فشار بسیار زیاد مورد نیاز این قبیل دستگاه‌های پیشرفته بوده است زیرا که برای برش فلزات باید آب مصرفی با فشار بسیار زیاد تنظیم شود و تحت فشار قرار گیرد تا بتواند یک جریان برش بسیار قوی را برای برش ایجاد نماید. این پروسه‌ها فقط برای دو مورد زیر قابل اجرا می‌باشد:

- آب مصرفی 
- جت مواد ساینده 

سازوکار واتر جت از یک باریکه آب، با سرعت بالا که یک ماده ساینده به منظور برش مواد سخت به آن تزریق شده، تشکیل شده است. مخلوط آب و مواد ساینده یک بریدگی باریک را روی قطعه کار ایجاد می‌کند.

عنصر کلیدی در این فرآیند آب است که با سرعت 900 متر بر ثانیه حرکت می‌کند و به هنگام برخورد این جریان به سطح قطعه کار، ماده بر اثر نیروی آب به سرعت برداشته می‌شود.

ساینده‌ها:

جنس ساینده ها معمولا سیلیکون کارباید، سیلیس و یا لعل است که بسته به جنسی که باید ماشینکاری شود انتخاب می‌شود. مواد ساینده پس از مصرف قابل بازیافت نیستند. اندازه ذرات ساینده معمولا بین 150 تا 1000 است. نسبت حجمی آب و ذرات ساینده یک نقطه بحرانی دارد که اگر مقدار نسبت حجمی کمتر یا مساوی آن باشد بیش‌ترین راندمان را داریم ولی با بیشتر شدن نسبت ذرات ساینده در آب راندمان پایین می‌آید.

فواید واترجت:

- یکی از برترین فواید و مزایای واتر جت این است که ذاتاً دارای خاصیت برشکاری سرد می‌باشد و ایجاد حرارت نمی‌کند که همین خاصیت به مواد اجازه برش می‌دهد. در صورتی که در سایر روش‌های برشکاری مواد یا می‌سوزند یا ذوب شده و یا این که ترک بر می‌دارند.

درضمن بعضی از فرآیندهای حرارتی سبب تاب برداشتن و سخت شدن سطح قطعه گشته و یا این که موجب ساتع شدن گازهای خطرناک از جسم می‌شود.