De rol van het abrasief in waterstraalsnijden

Kostenefficiëntie is balans snelheid en abrasiefverbruik

Dat waterstraalsnijtechnologie een onmiskenbaar voordeel biedt in veel werkplaatsen om stukken te snijden, staat buiten kijf. De ontwikkelde waterstraal kan met succes bijna elk materiaal op zijn weg eroderen. Een sleutelelement daarin – niet altijd, want het kan ook zonder, maar zelden bij metalen – is het gebruikte abrasief. Door daar slim naar te kijken, liggen er veel mogelijkheden om het volledige snijproces te optimaliseren. Vandaar dat we het abrasief in dit artikel de hoofdrol hebben toegedicht.

Wanneer abrasief?

De meeste mensen in de metaalbewerkingsindustrie hebben best wel een goed idee van hoe waterstraalsnijden werkt. Een hogedrukpomp genereert een waterstraal die onder ultrahoge druk door een CNC-gestuurde snijkop stuwt.

Om te weten of abrasief een goede toevoeging aan het waterstraalsnijproces is, vertrekt men vanuit het materiaal. Voor zachtere materialen, zoals hout, schuim, rubber of piepschuim, volstaat de kracht van de waterstraal vaak om erdoor te klieven. Dat kan ook bij metalen, maar door de toevoeging van snijabrasief kan je wel sneller door hardere materialen geraken en de gewenste oppervlaktekwaliteit bereiken.

Een algemene stelregel luidt dat als je het materiaal kan doorknippen, je het ook zonder abrasief kan snijden.

Het juiste abrasief maakt het verschil tussen een zuivere snede en kostelijke stilstand – hardheid, vorm en zuiverheid bepalen samen de snijkwaliteit én de betrouwbaarheid van het proces.

Hoe een abrasief selecteren?

Sinds de introductie van de technologie staat één abrasief met stip op één: het mineraal granaat. Dat heeft het te danken aan de goeie mix van eigenschappen. Er zijn daarbinnen nog twee opties mogelijk. Alluviaal granaat heeft een eerder afgeronde korrel. Hard granaat snijdt dan weer makkelijker door dikke en harde materialen.

We zetten op een rijtje welke eigenschappen de meeste impact hebben op het snijproces.

1. Hardheid

Waterstraalsnijders moeten een balans vinden tussen snijsnelheid en slijtage van onderdelen.

Het gebruik van een zacht abrasief verlengt de levensduur van de straalpijp, maar vertraagt het snijden. Het gebruik van een zeer hard abrasief zorgt voor snel snijden, maar erodeert de straalpijp te snel. Dit vermindert de nauwkeurigheid in het snijproces en resulteert in terugkerende stilstand en de extra kosten van het regelmatig vervangen van de nozzles.

Granaat valt tussen 7 en 8 op de schaal van Mohs⁽¹⁾, wat een effectieve balans biedt tussen snel snijden en een redelijke levensduur van het snijgereedschap.

2. Dichtheid

De belangrijkste, snijkracht van een waterstraal, is een functie van massa vermenigvuldigd met snelheid (versnelling).

Het ideale abrasief is daarom het zwaarste deeltje dat de waterstraal kan versnellen tot maximale snelheid. Dit genereert de maximale snijkracht. Een te licht abrasief zal niet veel uithalen en een te zwaar abrasief zal niet voldoende versnellen, waardoor de waterstraal zijn kracht verliest.

Net als bij hardheid is het belangrijk om een slijpmiddel te vinden dat de juiste snaar raakt. Granaat heeft een soortelijke massa (massadichtheid) van 4 en valt precies in het ideale bereik voor zowel punch als acceleratie.

3. Taaiheid

Taaiheid speelt een directe rol in hoe goed een waterstraalslijpmiddel presteert. Materiaal dat te brokkelig is, breekt af in de mengkaper en eindigt te fijn om effectief te snijden. Abrasief dat te taai is rondt af tijdens het mengproces en is te bot om goed te snijden.

Het ideale slijpmiddel heeft een afgemeten afbraaksnelheid en produceert scherpe, hoekige snijranden. Ook hier voldoet granaat met zijn halfkrijtbare aard en conchoïdale breuk aan de behoefte.

4. Vorm partikels

Slijpmiddelen zijn beschikbaar in elke denkbare deeltjesvorm, van perfecte bolletjes, zoals staalkorrels, tot vlijmscherpe, naaldachtige kristallen die gevonden worden in siliciumcarbide.

Omdat een bol de ideale drager is van massa die wordt geprojecteerd in een krachtige waterstraal, zou een fabrikant kunnen veronderstellen dat de waterstraalfabrikanten op zoek zouden gaan naar bolvormige deeltjes. Ze moeten echter rekening houden met het constante evenwicht tussen versnelling, slijtage en snijden.

De meest geschikte deeltjesvorm hangt af van het te snijden materiaal en de vereisten voor randafwerking. Scherpe, hoekige korrels snijden sneller en bieden een superieure randafwerking. Subronde korrels worden gebruikt in meer standaardsnijtoepassingen.

5. Zuiverheid

Hoogzuivere materialen hebben meestal extra verwerkingsfasen nodig. Ze vereisen meer aandacht voor details tijdens het raffinageproces in vergelijking met de verwerking van laagzuivere producten. Als gevolg daarvan kosten hoogzuivere materialen meer, maar ze leveren ook superieure snijresultaten. Je krijgt waar voor je geld.

Wie bespaart op de kwaliteit van zijn abrasief loopt het risico op inferieure snedekwaliteit en het onderbreken van het snijproces, doordat de nozzle verstopt geraakt.

6. Partikelverdeling

Een consistente controle van de partikelverdeling is uiterst belangrijk om de prestaties van een waterstraal te maximaliseren.

Grove of te grote deeltjes vormen een reëel risico op verstopping van de spuitmond, waardoor het bewerkingsproces stil kan komen te liggen en het werkstuk beschadigd kan raken. Omgekeerd kunnen te kleine deeltjes zorgen voor onvoldoende snijcapactiteit en – ironisch genoeg – zich ophopen in de toevoerleiding of in de snijkop, wat kan leiden tot onregelmatige toevoer of sputteren in de snijstroom en verstopping.

Inconsistente verdeling kan een nachtmerrie zijn voor operatoren omdat ze de voedingssnelheid moeten aanpassen om de snijsnelheden te behouden.

7. Reinheid

Reinheid verwijst naar de hoeveelheid superfijne deeltjes in het slijpmiddel. Deze fijne deeltjes zijn zo klein dat ze zich vaak hechten aan grotere deeltjes.

Vanuit een technisch perspectief gebruiken de producenten van kwaliteitsslijpmiddelen met granaat een meting om te kwantificeren hoe schoon het product is. Het gebruik van een product dat niet goed verwerkt is, genereert hinderlijk stof tijdens het laden van de hopper, wat na verloop van tijd slechte voeding of snijden kan veroorzaken.

8. Korreltype

Zowel hard mineraal als alluviaal zijn verkrijgbaar in verschillende kwaliteiten, van grof (50 mesh) tot zeer fijn (230 mesh). De meeste waterjets gebruiken kwaliteiten tussen 50 en 120 mesh.

Hoe fijner de korrel, hoe mooier de snede is afgewerkt. Hoe minder fijn de korrel, hoe sneller kan worden gesneden. 50 mesh is het grofste type en ideaal om dikke, broze en harde materialen zoals staal en titanium te snijden. 80 mesh is het meest veelzijdig en is een goede balans tussen snelheid en precisie. 120 mesh is de fijnste korrelgrootte en het meest geschikt voor onderdelen die een zeer hoge nauwkeurigheidsgraad van afwerking vereisen.

Hoe werkt het

Het abrasief wordt in een hopper bewaard. Hieronder zit een cilinder die onder druk gezet wordt. Via de mengbuis wordt het abrasief vervolgens naar de snijkop gebracht. Daar wordt het abrasief gedoseerd en gemengd met water. Die mengeling van zand – want dat is een abrasief eigenlijk – en water gaat nadien door de straalbuis.

Belangrijk is dat er voldoende zand in de hopper aanwezig is. Zo niet, valt de machine automatisch uit via een lichtsensor die dit controleert. Als er te grof abrasief wordt gebruikt dat niet geschikt is voor de straalbuis, komt het abrasief vast te zitten. Het is ook zeer belangrijk dat er erg zuiver abrasief wordt gebruikt zonder vervuiling. Om dat in optimale conditie in de machine te krijgen, dient het abrasief droog en uit de buurt van vochtige omgevingen bewaard te worden.

Het gebruikte abrasief komt na het snijden onderaan de waterbak terecht. Deze kan handmatig geledigd worden, maar er bestaan ook systemen om dit proces te automatiseren. Perslucht wordt in de waterbak geblazen, waardoor het abrasief vermengd wordt met het water in de bak. Die combinatie wordt dan via een vuilwaterpomp in een big bag gepompt, die het zand opvangt en het water terug in de waterbak brengt. Het automatische systeem zorgt voor een veel groter gebruiksgemak voor de klant.

Procesparameters optimaliseren

Parameters zoals de snijsnelheid en het abrasiefdebiet zijn gebaseerd op gebruikssituaties. Er is geen universele ideale waarde. Probeer verschillende instellingen uit op je toepassingsgerichte testcases om te bepalen welke waarde voor jou het beste resultaat geeft. Er zijn wel enkele algemene stelregels om in het achterhoofd te houden.

Je kan sneller snijden met hetzelfde eindresultaat, door meer abrasief toe te voegen. De kanttekening hierbij is het kostenplaatje. De kosten van het abrasief zijn de belangrijkste bedrijfskosten bij het waterstraalsnijden. Dit betekent echter niet dat je de kosten kunt verlagen door gewoonweg het debiet te verlagen. Het verlagen van het debiet zal andere kosten aanzienlijk verhogen vanwege een langere snijtijd. Gebruik daarom het beste debiet om sneller en zeer efficiënt te snijden.

Wel bereikt de snelheid–abrasiefratio op een bepaald moment zijn limiet. Zo heeft té veel abrasief toevoegen nog weinig nut. Het gaat erom een goede balans te vinden tussen snelheid en hoeveelheid zand.

ABRASIEFRECYCLAGE

Granaat van hoge kwaliteit is de beste kandidaat voor afvang en recyclage vanwege de uniformiteit in partikelgrootte en de scherpere randen die ontstaan tijdens de productie. Ongeacht de beginkwaliteit ondervinden snijkorrels slijtage aan de randen en breken ze af. Beginnen met een harder, scherper, uniform product resulteert dus in beter teruggewonnen abrasief.

Recyclage omvat de volgende processtappen:
• Effectief scheiden en classificeren (grootte) van de abrasiefdeeltjes;
• Reinig het teruggewonnen abrasief op de juiste manier om verontreinigingen uit het snijproces te verwijderen;
• Zorg dat de recyclageapparatuur schoon blijft;
• De efficiëntie van de apparatuur in de gaten houden
• Gerecycleerd abrasief bijvullen bij het nieuwe abrasief. Er komen hier veel variabelen bij kijken. Na verloop van tijd zal experimenteren met de verhouding het ideale mengsel opleveren voor elk type materiaal. Een verhouding van 90/10 (gerecycleerd/nieuw) kan perfect zijn voor zachte materialen, terwijl je misschien een verhouding van 10/90 nodig hebt voor harde en broze materialen.

⁽¹⁾ De hardheidsschaal van Mohs is een schaal van 1 (talk) tot 10 (diamant), die de relatieve hardheid van een mineraal aangeeft.