Nel taglio ad acqua l’ugello deve essere realizzato con materiali molto resistenti, in grado di sopportare pressioni elevate senza deformarsi.
Gli stati della materia sono quattro: solido, liquido, gassoso e plasma. Solitamente, gli utensili utilizzati per le lavorazioni meccaniche rientrano nella categoria dei solidi. Ma se, invece, si utilizzasse anche lo stato liquido? Questa è la premessa del taglio ad acqua, una tecnologia che ha visto la sua nascita a metà del ventesimo secolo nell’industria mineraria e che, negli anni successivi, è stata perfezionata dal Dr. Mohamed Hashish. Inizialmente impiegato per il taglio di blocchi di granito e altre rocce, oggi il taglio ad acqua è utilizzato per lavorare una vasta gamma di materiali, dalla plastica ai metalli, dai materiali compositi ai tessuti. Ma come funziona esattamente il taglio ad acqua?
Il principio del taglio ad acqua
Il funzionamento del taglio ad acqua è semplice ma altamente efficace: si utilizza un getto di acqua ad altissima pressione, che può arrivare fino a 4000 bar, spesso mischiata a un abrasivo, per asportare materiale dal pezzo da lavorare. Il percorso dell’acqua inizia da una pompa e un intensificatore che aumentano la pressione fino ai valori desiderati. Successivamente, l’acqua viene convogliata in un sistema di tubi rigidi e flessibili, che la trasportano fino all’ugello. Una volta giunta all’ugello, il flusso d’acqua passa attraverso un foro di diametro inferiore rispetto ai condotti precedenti, accelerando il flusso fino a velocità che possono superare le centinaia di metri al secondo. Dopo l’ugello, l’acqua viene miscelata con l’abrasivo, il quale permette di tagliare il materiale in lavorazione mediante numerosi urti, che “frantumano” il materiale.
I vantaggi del taglio ad acqua
Il taglio ad acqua presenta numerosi vantaggi che lo rendono una scelta popolare:
- Versatilità di materiali: è in grado di tagliare una vasta gamma di materiali, dalla pietra al metallo, dalla ceramica alla gomma, senza che si verifichi usura sull’utensile, in quanto l’acqua (mischiata ad abrasivo) funge da utensile
- Nessuna alterazione termica: a differenza di altre lavorazioni meccaniche che generano calore (come la fresatura) o che usano il calore stesso per il processo (come nel taglio al plasma), il taglio ad acqua non provoca alterazioni termiche nel materiale, preservando le sue proprietà meccaniche
- Elevata precisione: il taglio ad acqua può raggiungere tolleranze millimetriche, una caratteristica fondamentale per lavorazioni di alta precisione
- Processo altamente automatizzabile: la possibilità di controllare il movimento della macchina tramite controllo numerico rende il taglio ad acqua un processo altamente automatizzabile, riducendo così la necessità di intervento umano e migliorando la produttività
Per le aziende che producono componenti partendo da lamiere di qualche centimetro di spessore e in grandi volumi, il taglio ad acqua è una soluzione ideale. La sua elevata precisione e l’automazione del processo contribuiscono a migliorare sensibilmente la produzione, aumentando la competitività.
Gli ugelli: il cuore del processo di taglio
L’elemento chiave del taglio ad acqua è la velocità del getto d’acqua, che possiede una notevole energia cinetica, fondamentale per l’asportazione del materiale. Questa velocità è generata da un componente particolare: l’ugello. Il principio fisico dietro l’accelerazione del fluido è simile a quello che accade quando si tappa parzialmente con il dito l’uscita di un tubo dell’acqua: l’acqua accelera. Questo fenomeno è spiegato dalla legge della conservazione della portata massica, che afferma che, se un determinato volume d’acqua entra in un tubo in un dato intervallo di tempo, lo stesso volume deve uscire. Quindi, se la sezione di uscita è più piccola di quella di ingresso (proprio come nel caso del dito tappato), la velocità del fluido aumenterà.
L’ugello, quindi, rappresenta il restringimento finale del percorso dell’acqua che trasforma la pressione generata dalla pompa in velocità. Poiché il getto è sottoposto a pressioni altissime, l’ugello deve essere realizzato con materiali molto resistenti, in grado di sopportare forze elevate senza deformarsi. I materiali principali utilizzati per la realizzazione degli ugelli sono lo zaffiro sintetico e il diamante. Lo zaffiro è meno costoso ma presenta una durata inferiore, mentre il diamante, pur essendo molto più caro, offre una resistenza all’usura nettamente superiore.
La geometria dell’ugello: l’importanza del foro
L’ugello, anche chiamato “jewel“, è un piccolo componente intercambiabile che si caratterizza per la presenza di un foro. La geometria e il diametro di questo foro sono cruciali per il comportamento del getto e quindi per l’efficacia del taglio. Diversi tipi di geometria di ingresso e di invito influenzano il comportamento del getto stesso, determinando l’andamento del flusso e la qualità del taglio. Un foro più piccolo genera un getto più coerente, ma con minore portata, mentre un foro più grande aumenta il flusso d’acqua, risultando utile quando si necessita di potenze maggiori. Inoltre, la forma del foro all’ingresso può essere più o meno smussata per ridurre le perdite fluidodinamiche e migliorare il flusso.
Ugelli in zaffiro e diamante: caratteristiche e applicazioni
Gli ugelli in zaffiro o rubino sintetico sono generalmente caratterizzati da una vita più breve, che va dalle 60 alle 100 ore di lavoro. Questi materiali, pur essendo duri (9 sulla scala di Mohs), sono più suscettibili all’usura rispetto agli ugelli in diamante e tendono a produrre un getto meno coerente. Per questo motivo, vengono utilizzati principalmente in processi dove le tolleranze dimensionali e la qualità superficiale non sono i fattori determinanti. Le dimensioni contenute dell’ugello lo rendono difficile da maneggiare, con il rischio di perderlo durante le operazioni di setup. Tuttavia, se la produzione prevede frequenti cambi di combinazione degli ugelli, il costo inferiore del rubino e dello zaffiro può rappresentare un vantaggio economico, poiché la perdita di uno di essi non comporta grandi ripercussioni.
Gli ugelli in diamante sono i più utilizzati nel taglio ad acqua grazie alla loro durezza (10 sulla scala di Mohs), che garantisce una durata molto più lunga, compresa tra le 500 e le 1000 ore di lavoro. Nonostante il loro elevato costo, gli ugelli in diamante sono la scelta migliore quando è necessaria una qualità elevata e un basso tasso di difetti di produzione. La maggiore durata e il miglioramento della coesione del getto riducono drasticamente i tempi di setup e i difetti di taglio, mentre la rugosità diminuisce e si raggiungono tolleranze più precise. Per queste ragioni, sono ideali per produzioni in serie, dove la riduzione dei pezzi difettosi è un obiettivo fondamentale.
Accoppiamento ugello-pompa: un aspetto cruciale
Quando si acquista una macchina per il taglio ad acqua, è importante verificare la curva della pompa, che deve essere inclusa nei manuali e nelle garanzie. Questa curva fornisce informazioni vitali per la scelta dell’ugello più adatto. La curva della pompa è un grafico che mostra la relazione tra la portata (in litri per minuto) e la pressione (in bar). Essa viene determinata sperimentalmente, misurando la portata a diverse pressioni con una pompa accoppiata a vari ugelli di differenti geometrie e diametri. Partendo dalle caratteristiche richieste dalla lavorazione, è possibile scegliere l’ugello che meglio si adatta alle specifiche necessità, ottimizzando le prestazioni della macchina.
La nuova frontiera
La tecnologia del taglio ad acqua continua a evolversi. Il micro waterjet cutting è una delle ultime innovazioni in questo campo. Si tratta di una versione più avanzata del taglio ad acqua, che richiede ugelli con fori sempre più piccoli, nell’ordine di 30-150 μm, per generare getti altrettanto sottili. Inoltre, è stato sviluppato un diamante sintetico a singolo cristallo (SSCD, Synthetic Single Crystal Diamond), che migliora ulteriormente le prestazioni dell’ugello, rendendolo privo di inclusioni e ottimizzando l’orientamento ottico del cristallo. Questo tipo di diamante distribuisce meglio le tensioni interne, evitando punti di stress maggiore e aumentando la durata dell’ugello.
Il futuro degli ugelli nel taglio ad acqua è promettente, con sviluppi continui nelle geometrie per ridurre ulteriormente l’usura e migliorare la coesione del getto. Questi miglioramenti permetteranno di ottenere tagli ancora più precisi e di alta qualità, con ricadute positive per le produzioni industriali in serie.
La scala di Mohs
La resistenza all’usura di un materiale dipende dalla sua durezza: maggiore è la durezza, minore sarà la propensione al danneggiamento. Ma come si misura questa proprietà? Nel campo della scienza dei materiali e della metallurgia, esistono metodi di misurazione basati su parametri assoluti, come le scale Rockwell, Brinell e Vickers. Questi sistemi classificano la durezza attraverso test sperimentali che prevedono l’impiego di un penetratore, la cui geometria e materiale variano a seconda della scala utilizzata. Il penetratore viene applicato alla superficie del campione con una determinata forza, lasciando un’impronta la cui profondità o diametro consente di attribuire un valore univoco di durezza.
Un approccio differente è stato sviluppato nel XIX secolo dal mineralogista tedesco Friedrich Mohs, che ha ideato un metodo empirico per la classificazione della durezza basato sulla resistenza alla scalfittura. La scala di Mohs si fonda su un criterio comparativo: Mohs testò dieci minerali di riferimento, valutando quale fosse in grado di scalfire un altro e stilando una graduatoria in cui il talco (il più tenero) occupa la posizione 1 e il diamante (il più duro) la posizione 10. Nonostante la sua natura qualitativa, la scala di Mohs è ancora ampiamente utilizzata per la sua praticità, soprattutto in applicazioni sul campo. La possibilità di confrontare rapidamente due materiali senza ricorrere a strumentazione complessa la rende uno strumento prezioso per una prima valutazione della durezza di un materiale.
