Vodní paprsek
Tvarové řezání vodním paprskem od historie po současnost

Historie řezání vodním paprskem má své kořeny již v poměrně daleké minulosti. Skutečný začátek aplikace řezání vodním paprskem sahá do 19. století, kdy kalifornští zlatokopové kolem roku 1870 používali tuto metodu k odstranění nánosu písku a vrstev kamení. Jednalo se pouze o nízkotlaké systémy. Fotografie těžby zlata na potoce Bonanza Creek koncem 19. století. 

Dvacátá léta 19. století jsou označována za začátek používání vodních trysek k odstranění písku a horniny během denní stavební činnosti. Tyto trysky dosahovaly velkých rychlostí toku s tlakovou úrovní několika desítek až stovek barů. První patent na použití vodního paprsku v Rusku, byl na vrtání děr v báňském průmyslu. O rozvoj metody a její pozdější uplatnění se zasloužil Petr Tupitsyn, který pracoval v Doněcku na Ukrajině v uhelných dolech. V roce 1936 použil vodní paprsek k řezání děr uhelných slojí. Mezi lety 1950 až 1960 vznikla potřeba těžit uran, vodní paprsek eliminoval riziko záření, které je k těžbě uranu přidruženo. Tím se oživil zájem o použití vody jako řezného prostředku s tryskami o vysokém tlaku. 

I když rozvoj řezání vodním paprskem propukl v polovině 20. století, tak širokého uplatnění tato technologie dosáhla až v osmdesátých letech, kdy se do vodního paprsku začala přidávat abraziva. V padesátých letech dvacátého století experimentoval inženýr lesního hospodářství Dr. Norman Franz s formami řezání vodním paprskem. Byl první osobou, která studovala použití velmi vysokého tlaku (UHP - ultrahigh-pressure) vody jako řezného nástroje. Podmínka UHP je definována tlakem větším jak 30000 liber na čtvereční palec. Proto je Dr. Norman Franz považován za otce vodního paprsku. Začátkem šedesátých let minulého století dokázal získat krátkodobé výbuchy vysokého tlaku, které byly mnohonásobně vyšší než aktuální hodnoty tlaků. Pozdější studium věnoval kontinuálnímu proudu vody.

První komerční aplikace přišla na svět v roce 1971. Technologie řezání vodním paprskem postoupila v sedmdesátých letech, kdy Dr. Mohamed Hashish vytvořil techniku přidání abraziva k vodnímu proudu a tím bylo umožněno užití vodního paprsku i pro řezání materiálů s vyšší pevností a větší tloušťkou. V současnosti jsou stroje pro tvarové řezání vodou vybaveny naklápecím systémem řezné hlavy což umožňuje takzvaný 3D řez ( řezání pod úhlem až 60° ), ale hlavní výhodou naklápění je eliminace úkosu, který jinak vzniká při kolmém řezání. Díky tomu je dnes na strojích pro tvarové řezání vodním paprskem dosahováno téměř dokonale kolmého řezu.

Princip řezání vodním paprskem

Fyzikální podstata řezání materiálů paprskem kapaliny vychází z úvahy, že paprsek kapaliny pohybující se dvojnásobnou až čtyřnásobnou rychlostí zvuku lze považovat z hlediska jeho účinků za pevné těleso.

Proces řezání probíhá ve dvou etapách. V první etapě vzniká působením tlaku kapaliny prohlubeň, která se mění v otvor. V druhé etapě dochází k prohlubování a k vytváření řezné spáry. Při nárazu paprsku kapaliny na obrobek dochází k akumulaci vysokého tlaku na velmi malé ploše, čímž dochází v řezaném materiálu k rázovým vlnám, rychlé destrukci materiálu obrobku na hranici zrn a ke vzniku mikrotrhlin. Mikrotrhliny se v důsledku dynamického zatížení rychle šíří a tím dochází k rozrušování obráběného materiálu. K destrukci při řezání dochází také díky turbulentnímu proudění kapaliny ve spáře s účinkem kavitačních bublin. Pro řezání kovů, keramiky aj. se do paprsku kapaliny přidávají brousicí zrna, což k popsaným účinkům vodního paprsku ještě významně přispívá. Jako kapalina se používá většinou upravená voda. K vytvoření potřebné rychlosti proudění se uplatňuje tlak 2000 až 6500 Barů.

Technologie obrábění materiálu pomocí vysokoenergetického kapalinového paprsku, často označovaná též jako hydroabrazivní obrábění si vzhledem ke svým mimořádným vlastnostem nalezla velmi rychle uplatnění v leteckém i kosmickém průmyslu a v důsledku značné univerzálnosti i v celé řadě dalších průmyslových oborů. Uvedená metoda se dnes využívá nejčastěji ve dvou základních provedeních : řezání čistým vodním paprskem a řezání vodním paprskem s abrazivní příměsí.

Řezání čistým vodním paprskem

Zařízení pro obrábění čistým vodním paprskem se dnes používá zejména pro řezání nekovových materiálů, jako jsou lamináty, kevlar, azbestocement, grafitové kompozity, sklotextil a gumotextil.

Rychlost řezání se pohybuje v rozsahu 5 m/min (kevlar, lamináty) až 400 m/min (papír, lepenky apod.) Tlak kapaliny je možno plynule regulovat podle technologických potřeb a druhu obráběného materiálu. Vodní trysky jsou vyráběny ze safíru, rubínu nebo diamantu. Velikostní řada trysek zajišťuje různou kinetickou energii paprsku a určuje také počet pracovišť, které je možno současně napájet z jednoho zdroje. Životnost trysek při nadzvukové rychlosti výtoku kapaliny (asi 1000 m/s) je přímo úměrná množství minerálů obsažených ve vodě a je v rozmezí 50 - 500 hodin.

Řezání vodním paprskem s příměsí abraziva

Při této variantě se zvyšuje účinnost paprsku přimísením abrazivních zrn do proudu vody. Používají se jak syntetické, tak i přírodní abrazivní materiály jako jsou křemičitý písek používaný při výrobě skla, korundová nebo SiC zrna používaná k výrobě brusných nástrojů, granát, olivín a jiné o zrnitosti (0,2 - 0,5) mm. Výstupní abrazivní tryska musí odolávat vysokým abrazivním účinkům a je vyráběna z karbidu wolframu. Při použití běžných parametrů, tj. tlaku vody 4100 bar a křemičitého písku o zrnitosti 0,4 mm dosahuje životnost abrazivní trysky max. 100 hodin. Rychlost řezání se obvykle stanovuje optimalizační zkouškou. Vzdálenost výstupní trysky od materiálu se volí co nejmenší z důvodů minimální šířky spáry a tím i lepší dosahované přesnosti.

Výhody řezání vodním paprskem

a) Velkou výhodou při řezání vysokotlakým vodním paprskemje řezání bez tepelného ovlivnění řezaného materiálu, tzv. studený řez. Obráběný díl nevykazuje fyzikální, chemické ani mechanické změny a je následně snadno obrobitelný.

b) Minimální silové působení paprsku na řezaný materiál, nedochází ke vzniku mikrotrhlin.

c) Univerzálnost - paprsek dělí většinu materiálů při velkém rozsahu řezaných tlouštěk

d) Řezání vodním paprskem je technologií přátelskou k životnímu prostředí. Při vlastním řezání nevznikají žádné ekologicky nevhodné zplodiny. Spotřeba vody na řezání je velmi malá (závisí na tlaku a velikosti použité trysky). Z odpadní vody se při sedimentaci vyloučí nečistoty. Jako abrazivo se používají netoxické látky, které mohou být recyklovány pro opakované použití. Použité abrazivo může být bez problémů uloženo na skládku.

e) Malý prořez materiálu a z toho vyplývající vysoké využití polotovaru - mezi jednotlivými výrobky se ponechávají mezery 3 až 5 mm.

Princip fungování vysokotlakého čerpadla

Základem primárního okruhu je vysokotlaké olejové čerpadlo dodávající pracovní tlak max. do 215 bar. Olej je tlačen přes uzavírací ventil, který umožňuje mžikové řerušení průtoku střídavě před i za píst hydraulického zesilovače tlaku - multiplikátoru. Tímto tlakem působíme na plochu velkého pístu, který je spojen se dvěma pístnicemi o daleko menším průměru z nichž každá může vytvořit v tlakové komoře tlak až 20 krát větší (max. 4100 bar). Velikost zesílení tlaku závisí na poměru velikosti průměru velkého pístu k průměru obou stejných, menších pístnic. Do obou tlakových komor je přiváděna voda přes filtrační jednotku. Zde se odlučují pouze pevné částice o rozměrech nad 5 μm.

Sekundární okruh je tvořen zpětnými ventily, dále vysokotlakým akumulátorem ve formě pancéřované vysokotlaké komory, jehož úkolem je tlumit rázy vysokotlaké technologické vody, které vznikají z jedné a druhé tlakové komory. Z něj je přetlaková voda požadovaného konstantního tlaku vedena pancéřovým potrubím na CNC stůl do směšovací komory zakončené abrazivní tryskou, ze které vytéká vodní paprsek s příměsí abraziva nadzvukovou rychlostí 700 až 1200 m/s.

Řezání probíhá nejčastěji na CNC řízených stolech. Ty jsou tvořeny posuvnými mechanizmy, portálem nesoucím jednu či více řezacích hlav a vodní vanou sloužící pro položení zpracovávaného materiálu, která zároveň zachycuje zbytkovou energii vodního paprsku.

Pohyb řezací hlavy a tedy i dráha řezu je řízena počítačem na základě předem sestaveného programu. Je tedy možné provést i ten tvarově nejnáročnější řez během jedné operace. V současné době se stále více uplatňuje 3D řezání s eliminací úkosů a možností řezání pod úhlem až 60°.