MicroAWJ è una recente tendenza di sviluppo legata al taglio Waterjet che si concentra sulla realizzazione di feature accurate e complesse su componenti di piccole dimensioni. Approfondiamo in questo articolo caratteristiche e vantaggi di questa soluzione.
L’idea di utilizzare un getto d’acqua ad alta velocità per pulire superfici o tagliare vari materiali è stata sviluppata intorno alla metà del XX secolo. Il fenomeno naturale dell’erosione causata dallo scorrimento dell’acqua è stato accelerato e concentrato artificialmente per renderlo adatto alle applicazioni industriali. Negli anni Cinquanta l’ingegnere forestale Norman Franz sperimentò il taglio del legno utilizzando una forma primitiva di getto d’acqua pura (PWJ – Pure Water Jet).
Negli anni Ottanta, Mohamed Hashish sviluppò una tecnica per aggiungere un abrasivo al getto principale d’acqua, creando così la tecnologia di taglio ad acqua abrasiva (AWJ – Abrasive Water Jet). Negli anni successivi sono state sviluppate diverse varianti di getti d’acqua, tra cui PWJ, AWJ, getti d’acqua a percussione, a cavitazione e criogenici. La tecnologia waterjet (WJ) ha incontrato un crescente successo perché è uno strumento semplice, versatile e flessibile.
In questo articolo viene fornita una descrizione generale della tecnologia WJ e si approfondisce la principale tendenza di sviluppo recente, chiamata microAWJ, che si concentra sulla realizzazione di feature accurate e complesse su componenti di piccole dimensioni.
Generazione di un getto fluido ad alta energia
Il WJ è una delle tecnologie di lavorazione meccanica più versatili rispetto ad altre tecnologie basate su getti fluidi ad alta energia. Il fenomeno fisico alla base della tecnologia WJ è la conversione dell’energia di pressione di un flusso d’acqua (400-600 MPa) in energia cinetica di un getto d’acqua ad alta velocità (500 m/s o più). Di seguito viene descritta l’apparecchiatura necessaria per generare il getto, seguendo il flusso dell’acqua dalla rete di alimentazione alla zona di lavorazione.
Pompa ad alta pressione
Attraverso il sistema di pompaggio, la pressione dell’acqua viene aumentata dalla pressione della rete di alimentazione alla pressione di lavoro.
Il sistema è composto dai seguenti componenti:
- Circuito a bassa pressione, controllato da una pompa volumetrica che pressurizza olio a un valore di circa 20 MPa.
- Circuito ad alta pressione, controllato dalla pompa dell’acqua, azionata dall’olio proveniente dal circuito di bassa pressione. Attraverso l’equilibrio di forza olio-acqua sui due lati del pistone della pompa e grazie al rapporto tra le aree del pistone che si affacciano sui due fluidi si ottiene una moltiplicazione della pressione per un fattore tipicamente pari a 20.
Esistono due tipi di intensificatori di pressione: a singolo effetto e a doppio effetto. Negli intensificatori a doppio effetto, il pistone primario ha due corse attive per pressurizzare l’acqua. Negli intensificatori a singolo effetto, ogni pistone ha una sola corsa attiva. Pertanto, tre o più pistoni sono disposti in parallelo e adeguatamente sincronizzati per mantenere la pressione dell’acqua il più costante possibile.
Quando si utilizza una pompa a doppio effetto invece, il suo movimento alternato produce fluttuazioni nella pressione dell’acqua. Pertanto, è necessario un accumulatore, avente capacità tipica di circa 2 litri. Solitamente, pompe convenzionali sono utilizzate anche per il microAWJ.
Poiché nel caso delle applicazioni “micro” sono richieste piccole portate d’acqua grazie all’uso di piccoli orifizi, la pompa è meno sollecitata.
Circuito di alta pressione
Il flusso d’acqua pressurizzata viene trasportato tramite un sistema specifico di tubazioni dalla pompa ad alta pressione all’area di lavoro. Tutte le tubazioni e i raccordi sono realizzati in acciaio inossidabile, con caratteristiche di resistenza aumentate grazie al trattamento di autofrettage effettuato prima dell’uso ad alta pressione.
Sono posizionati filtri lungo la tubazione per evitare danni alla pompa e ai componenti della testa di taglio causati dalla presenza di particelle solide. Sistemi di trattamento dell’acqua aggiuntivi sono spesso utilizzati quando la durezza dell’acqua supera i limiti imposti dal costruttore della pompa.
Nel microAWJ, l’uso di orifizi di piccole dimensioni richiede l’uso di tali dispositivi per evitare l’otturazione e la rottura prematura dell’orifizio. Una valvola di on/off è posizionata immediatamente a monte della testa di taglio per consentire l’arresto e l’avvio rapido del getto d’acqua.
Sistema di movimentazione e fissaggio del pezzo
Il movimento relativo tra il getto d’acqua e il pezzo è assicurato da un sistema di movimentazione sviluppato per il taglio di forme 2D e 3D su pezzi di dimensioni solitamente grandi. Nel caso di microAWJ, l’area di lavoro può essere invece ridotta a 500×500 mm2 o meno.
Il sistema di movimentazione è composto da:
- una tavola portapezzi, che può essere costituita da una griglia montata sulla vasca di raccolta (Figura 2).
- un sistema di movimentazione robotizzato multiasse che supporta la testa di taglio e la sposta in modo continuo e accurato nel piano XY o nello spazio XYZ. La sua precisione di posizionamento deve essere elevata, nell’ordine delle frazioni di millimetro, per garantire il taglio accurato del pezzo. Macchine di dimensioni elevate adatte al taglio di carpenteria metallica offrono accuratezze nell’ordine dei decimi di millimetro, mentre le macchine per il taglio di precisione e microAWJ arrivano rispettivamente all’ordine dei centesimi o dei micron.
Testa di taglio
Insieme alla pompa è l’elemento chiave di un sistema di taglio AWJ. Contiene gli ugelli per la generazione del getto e il sistema di alimentazione e regolazione dell’abrasivo (Figura 3).
La testa di taglio deve essere progettata in modo da garantire un flusso di acqua continuo e ben focalizzato, senza fluttuazioni causate dalla turbolenza. Il sistema di alimentazione dell’abrasivo deve essere accurato per garantire un flusso costante e ripetibile, che è essenziale per il controllo del processo di taglio e la qualità finale.
Orifizio
L’orifizio (o ugello primario) (Figura 4) è il componente più critico della testa di taglio. La sua forma, dimensione e accuratezza influenzano la forma del getto d’acqua e quindi le prestazioni di taglio. Le dimensioni dell’orifizio per AWJ variano generalmente da 0,200 mm a 0,330 mm. Per il microAWJ, le dimensioni dell’orifizio possono arrivare a 0,050 mm, con tolleranze nell’ordine dei micron che devono essere mantenute per avere la ripetibilità della portata d’acqua e del comportamento generale del getto in termini di coerenza e stabilità temporale.
Ugello focalizzatore
Il getto d’acqua, una volta formato grazie all’orifizio, passa attraverso la camera di miscelazione, un volume vuoto in cui il getto riesce a creare una depressione capace di generare il flusso d’aria che trasporta l’abrasivo dalla tramoggia a bordo della testa di taglio verso la camera di miscelazione stessa.
Qui l’abrasivo incontra l’acqua che lo trascina all’interno dell’ugello focalizzatore, un componente in carburo di tungsteno e di boro che guida il flusso trifase di acqua, aria e abrasivo e permette lo scambio di quantità di moto tra l’acqua ad alta velocità (anche 500 m/s) e l’abrasivo, inizialmente pressoché fermo (pochi metri al secondo). Grazie al focalizzatore si ottiene un getto AWJ ben miscelato e capace di tagliare quasi ogni materiale (usando il diamante come abrasivo, si potrebbe dire ogni materiale).
Le dimensioni tipiche del diametro interno e della lunghezza del focalizzatore sono rispettivamente 1,02 e 76,2 mm, mentre nel caso del microAWJ si arriva a 0,20 e 20 mm. A valle del focalizzatore, il getto è pronto per tagliare.
MicroAWJ
Il microAWJ è un trend di sviluppo recente della tecnologia AWJ.
La sua prerogativa principale è la lavorazione da lastra di profili complessi su componenti di dimensioni ridotte e tolleranza centesimale, in qualche caso anche micrometrica. Le applicazioni del microAWJ si trovano in settori come l’elettronica, l’aerospaziale, l’automotive, il motorsport e il biomedicale, dove l’accuratezza e la miniaturizzazione sono fondamentali, insieme alla flessibilità in termini di materiali lavorabili che, come nel caso macro, determina il successo del getto d’acqua.
Nel microAWJ, la precisione, intesa come variabilità dimensionale attorno al risultato di taglio ottenuto, è un requisito fondamentale e dipende da diversi fattori, come la precisione di posizionamento del sistema di movimentazione (che nel caso del microAWJ arriva a 2-3 micron), la precisione dell’orifizio, la coassialità tra gli ugelli della testa di taglio (orifizio e focalizzatore), la stabilità e accuratezza della portata di abrasivo e la stabilità dimensionale e temporale del getto d’acqua.
CASI APPLICATIVI
Questa sezione mostra alcuni componenti tagliati presso il WJ_Lab del Politecnico di Milano e presso la WatAJet s.r.l. [3], azienda spin-off dello stesso Ateneo.
Taglio di precisione mediante compensazione dei difetti
I difetti caratteristici dell’AWJ come l’inclinazione del bordo di taglio affliggono severamente la precisione dei componenti realizzati ad elevate velocità di avanzamento, anche nel caso di microAWJ (Figura 6a). È possibile compensare i principali difetti inclinando la testa di taglio come avviene nel caso macro quando si utilizzano macchine a 5 assi adatte allo scopo.
Nel caso specifico della Figura 6, la differenza fra il diametro superiore e quello inferiore è di 0,40 mm nel primo cilindro (Figura 6a) ed è ridotta a 0,02 mm nel secondo (Figura 6b), compensato lavorando alla medesima velocità di avanzamento e inclinando il getto.
Foratura di lamine sottili
La foratura di materiali fragili è frequentemente una sfida, specialmente su pezzi molto sottili, perché è molto facile produrre un bordo irregolare o romperli completamente. I pezzi mostrati in Figura 7 sono realizzati su lastrine di quarzo spesse 0,7 mm, attraverso le quali sono stati realizzati quattro fori. Prima di essere lavorato, il pezzo iniziale viene ricoperto con uno strato di polimero adesivo per preservare la superficie da graffi accidentali e smorzare le vibrazioni indesiderate.
Questa protezione smorza anche l’impatto del getto sul pezzo a inizio foratura.
Leghe per applicazioni biomedicali
Le leghe speciali per applicazioni avanzate nel campo biomedicale richiedono elevate prestazioni al processo di taglio. All’affidabilità e ripetibilità dimensionale del getto deve unirsi la precisione del sistema di movimentazione.
Ad esempio, il sistema di taglio WJ utilizzato presso WatAJet s.r.l. consente di rispettare le tolleranze richieste dal componente illustrato in Figura 8, eseguendo tutte le feature del pezzo con il medesimo getto in tempi fino a 20 volte inferiori rispetto a quelli richiesti dall’elettroerosione a filo, diretta concorrente in questa applicazione.
Cremagliere in acciaio
Lo spessore ridotto del componente in Figura 9 lo rende adatto alla produzione per tranciatura fine. Tuttavia, prima di effettuare il consistente investimento per la creazione di matrice e punzone si rende necessaria una fase di prototipazione a bassissimi lotti per la quale la tecnologia micro-AWJ può realizzare i campioni con le medesime caratteristiche attese dalla tranciatura fine.
Fori profondi con tolleranze micrometriche
Un’applicazione che porta al limite le potenzialità del microAWJ è la realizzazione di microfori su materiali sinterizzati e la successiva lavorazione del profilo esterno del componente cilindrico mostrato in Figura 10 (micromagnete per motori passo-passo).
Una strategia di taglio ad hoc permette di completare il perimetro senza che il componente cada nella vasca di raccolta o che rimanga traccia della microgiunzione.
Riferimenti bibliografici
[1] Viganò F., Micro abrasive water jet system for ultrafine cutting, Tesi di Dottorato, Politecnico di Milano, 2018.
[2] Annoni M., Arleo F., Viganò F. (2017) Micro-waterjet Technology. In: Fassi I., Shipley D. (eds) Micro-Manufacturing Technologies and Their Applications. Springer Tracts in Mechanical Engineering, pp. 129-148.
[3] https://www.watajet.com
