Corte por chorro de agua de fibra de carbono: Beneficios, inconvenientes y mejores prácticas

¿Qué es un chorro de agua (Waterjet)?

Un chorro de agua usa una bomba para crear un chorro de agua a alta presión (hasta 90,000 psi) que puede cortar desde espuma hasta placas de acero de 8+ pulgadas. Al cortar metal o fibra de carbono, se usa un material abrasivo, como granate, para ayudar en el proceso de corte. (Vea enlaces "Source" al final para más información sobre cómo funcionan los Waterjets.)

Ahora veamos por qué un chorro de agua es una herramienta tan buena para cortar fibra de carbono.

Espesor de pieza

Una enorme ventaja del chorro de agua es que puede cortar paneles de carbono muy gruesos con relativa facilidad. Con un router, piezas gruesas requieren más pasadas lo que toma tiempo y causa más desgaste en la broca. También tiene que preocuparse por evacuar virutas y polvo de ranuras profundas. Además, con la puesta a punto adecuada puede cortar fácilmente características pequeñas que serían imposibles en un router debido a la profundidad.

Velocidad

La velocidad de corte en un chorro de agua, especialmente para características pequeñas, es mucho más rápida que usando un router. Con un router, la profundidad de corte y avance depende del tamaño de su broca y espesor de pieza. Brocas más pequeñas y piezas más gruesas requieren múltiples pasadas, mientras que un chorro de agua puede cortar la misma pieza en una pasada y usualmente con una velocidad de avance más rápida.

Prevención de polvo

Otra gran ventaja de usar un chorro de agua es la contención de polvo. Una de las principales preocupaciones al trabajar con fibra de carbono es el polvo. El polvo de fibra de carbono puede colarse en el funcionamiento interno de sus máquinas y causar que las piezas se desgasten más rápido de lo normal. También es un irritante si se inhala o puede causar picazón si entra en contacto con la piel. Con un chorro de agua, todo el polvo de carbono es lanzado al tanque de agua donde es más fácil manejar para su eliminación adecuada. No se requieren costosos sistemas de evacuación de polvo.

Patrones de corte ajustados

El diámetro del chorro de un waterjet puede ajustarse a aproximadamente .025 pulgadas, esto permitirá diseños con agujeros muy pequeños o características internas que ser cortadas. Este diámetro de herramienta también puede usarse para cortar bastante cerca de una geometría cuadrada interna.

Desventajas

Aunque hay muchas ventajas al usar un chorro de agua para cortar fibra de carbono, también hay algunos inconvenientes. Las próximas secciones abordarán estas áreas.

Acabado de borde

Como un chorro de agua usa un abrasivo para cortar las fuertes fibras de carbono, el borde puede tener una superficie ligeramente rugosa. Esto puede controlarse con el tamaño de malla del granate (cuanto más fino el abrasivo, más fino el acabado) y con la velocidad de avance. Mientras para algunas piezas este acabado es aceptable, otras piezas necesitarán ser lijadas para obtener un acabado más suave. El tiempo dedicado a limpiar el borde puede compensar parte de la ventaja ganada al cortar las piezas en el chorro de agua. Hay un equilibrio entre velocidad de corte y complejidad de pieza a considerar si se ejecuta un gran volumen de piezas.

Rebote (Blowback)

Otra área de preocupación al cortar fibra de carbono es el rebote que viene de pasar sobre una de las lamas. El tanque del chorro de agua usa lamas de metal que cruzan el ancho del tanque y proporcionan una superficie para soportar su material de trabajo. Cuando el chorro de alta presión pasa sobre la lama de acero, el chorro de agua y abrasivo puede ser desviado hacia arriba lo que esencialmente chorrea arena la parte trasera de una pieza. Típicamente, esto no sería notable en una pieza de metal, pero podría arruinar la superficie de una pieza de carbono.

Afortunadamente, existen soluciones para resolver este problema. En Elevated Materials cortamos nuestras piezas sobre una tabla Rhino. La tabla Rhino está compuesta por "pajitas" de HDPE que permiten que el chorro pase sin rebotar hacia el carbono. Su tamaño de celda pequeño nos permite cortar piezas pequeñas e intrincadas sin preocuparnos de que caigan en el tanque.

Para proyectos de alto volumen de tamaño relativamente grande, creamos fijaciones que sobresalen del fondo del tanque que aseguran que el chorro solo corte sobre agua. Las piezas se mantienen en su lugar usando ventosas. Con estas fijaciones hemos cortado más de 1000 de la misma pieza y no hemos tenido que cambiar ningún componente mayor.

Deslaminado (Delamination)

Otro desafío de cortar fibra de carbono con chorro de agua es perforar agujeros. El chorro de agua a alta presión puede comer la resina entre las capas de fibra de carbono y causar separación o deslaminado, lo que debilita la pieza.

Muchos fabricantes pre-perforan agujeros en otra máquina y luego llevan la pieza al chorro de agua para cortar. La desventaja de este método es el riesgo de desalinear su trayectoria de corte del chorro de agua con los agujeros pre-perforados.

En Elevated Materials hemos invertido mucho tiempo y recursos en perfeccionar nuestro método de perforación de fibra de carbono para prevenir deslaminado. La técnica tiene que ver con bajar la presión del chorro a alrededor de 10KSI (10,000 psi) y asegurar que el granate salga de la boquilla antes que el agua a alta presión. Usamos una válvula de asistencia de vacío que succiona el granate a través de la boquilla antes de que el chorro se encienda, asegurando que el granate golpee la pieza antes que cualquier agua. Si el agua a alta presión golpea la pieza por sí sola, su pieza se deslaminará.

Hemos perforado y cortado piezas de más de una pulgada de espesor sin ningún deslaminado.

Bordes cónicos (Tapered Edges)

Otra preocupación que debe trabajarse con el corte por chorro de agua son los bordes cónicos. Como un chorro de agua es un chorro a alta presión pasando por una boquilla, se expande cuanto más viaja desde la boquilla. Dependiendo de qué tan lejos esté su pieza de la punta de la boquilla determina qué tan expandido está su chorro cuando alcanza la pieza que está cortando. Cuanto más lejos está la pieza, más puede expandirse su chorro. Un chorro expandido deja un aspecto chorreadito y un corte de menor calidad, velocidad más lenta.

El cono de borde puede ajustarse acelerando o desacelerando su velocidad de avance. También puede controlarse usando un sistema de control de cabezal inclinado o dinámico. La imagen de abajo muestra algunos posibles problemas de cono que puede enfrentar si no tiene la presión o velocidad de avance correcta.

Coste

Curiosamente el coste resulta similar entre fresado y corte por chorro de agua. Por un lado tiene brocas para reemplazar continuamente y extracción de polvo con fresado vs material abrasivo y consumibles como fijaciones, boquillas y orificios en un chorro de agua. Si está considerando la compra de una mesa de router o chorro de agua, el chorro de agua será más caro. Los usados pueden ir de $25,000-$60,000 en el extremo bajo, hasta $200,000+ para uno nuevo. Los waterjets de escritorio nuevos han sido introducidos recientemente por bajo $5,000. https://www.wazer.com/. Los routers por otro lado han estado en la comunidad maker por mucho más tiempo y pueden empezar tan bajo $1500 para un modelo de escritorio. Para una máquina más rígida e industrial capaz de cortar en múltiples ejes, los centros de mecanizado empiezan alrededor de $40,000 y pueden ir bien sobre $100,000 para una máquina de 5 ejes.

Fuentes:
Waterjet Basics: https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
Rhino Board: https://www.rhinoboardwj.com/
Omax tapered edges: https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper