カーボンファイバーのウォータージェット切断：メリット・デメリット・ベストプラクティス

ウォータージェットとは？

ウォータージェットは、ポンプを用いて高圧（最大90,000 psi）の水流を作り、フォームから8インチ以上の鋼板まであらゆるものを切断します。金属やカーボンファイバーを切断する際は、ガーネットなどの研磨材を用いて切断を補助します（「出典」リンクを参照）。

では、なぜウォータージェットがカーボンファイバー切断に優れたツールなのかを見ていきましょう。

部品厚

ウォータージェットの大きな利点の一つは、非常に厚いカーボンパネルを比較的容易に切断できることです。ルーターでは、厚い部品には複数パスが必要で時間がかかり、ビットの摩耗も増えます。深いスロットからのチップと粉塵の排出も懸念されます。適切な調整により、ルーターでは不可能な深さの小さな形状も容易に切断できます。

速度

ウォータージェットの切断速度、特に小さな形状では、ルーターよりはるかに高速です。ルーターでは切込み深さと送り速度がルータービットのサイズと部品厚に依存します。小さなビットと厚い部品では複数パスが必要ですが、ウォータージェットなら同じ部品を1パスで、通常より高速な送り速度で切断できます。

粉塵防止

ウォータージェットのもう一つの大きな利点は、粉塵の封じ込めです。カーボンファイバー作業での主な懸念の一つは粉塵です。カーボンファイバー粉塵は機械の内部に入り込み、部品を通常より速く摩耗・損傷させます。吸入すれば刺激物となり、皮膚に付着すればかゆみの原因になります。ウォータージェットでは、すべてのカーボン粉塵が水槽に吹き込まれ、適切な廃棄処理が容易になります。高価な粉塵排出システムは不要です。

タイトな切断パターン

ウォータージェットのジェット径は約0.025インチ（約0.635mm）に調整可能で、非常に小さな穴や内部形状を持つ設計を切断できます。この工具径は、内部のスクエア形状に非常に近接して切断することにも使用できます。

デメリット

カーボンファイバー切断にウォータージェットを使用するメリットは多いですが、いくつかの欠点もあります。以下のセクションでこれらに対処します。

エッジ仕上げ

ウォータージェットは研磨材で強力なカーボンファイバーを切断するため、エッジ面がわずかに粗くなることがあります。これはガーネットのメッシュサイズ（研磨材が細かいほど仕上げは細かくなる）と送り速度で制御可能です。一部の部品ではこの仕上げで問題ありませんが、他の部品ではより滑らかな仕上げを得るために研磨が必要です。エッジ仕上げにかかる時間は、ウォータージェットで切断することで得られるメリットの一部を相殺する可能性があります。大量生産では、切断速度と部品複雑さのバランスを考慮する必要があります。

ブローバック

カーボンファイバー切断時のもう一つの懸念は、スラットを通過する際のブローバックです。ウォータージェット水槽は、水槽の幅を渡る金属スラットを使用し、ワーク材を支持する面を提供します。高圧ジェットが鋼スラットを通過すると、水と研磨材のジェットが跳ね返り、部品の裏面を実質的にサンドブラストします。通常、金属部品では気になりませんが、カーボン部品の表面を台無しにする可能性があります。

幸い、この問題を解決するソリューションが存在します。Elevated Materialsでは、部品をライノボードの上で切断しています。ライノボードはHDPE「ストロー」で構成され、ジェットを通過させながらカーボン側へのブローバックを防ぎます。小さなセルサイズにより、小さく複雑な部品を、水槽に落ちる心配なく切断できます。

比較的大型の部品の大量生産プロジェクトでは、水槽底から突き出る治具を作成し、ジェットが水の上でのみ切断するようにしています。部品は吸引カップで固定します。これらの治具で1000個以上の同一部品を切断しましたが、主要コンポーネントの交換は不要でした。

剥離

ウォータージェットでカーボンファイバーを切断する際のもう一つの課題は、穴あけ時の剥離です。高圧水ジェットがカーボンファイバー層間の樹脂を削り取り、分離や剥離を引き起こし、部品を弱める可能性があります。

多くのメーカーは、別の機械で予め穴を開け、その後ウォータージェットで切断します。もちろんこの方法の欠点は、予め開けた穴とウォータージェットの切断パスがミスアラインするリスクです。

Elevated Materialsでは、剥離を防ぐためのカーボンファイバー穴あけ技術の完璧化に多くの時間とリソースを投資してきました。この技術の要点は、ジェット圧力を約10 KSI（10,000 psi）まで下げ、高圧水より先にガーネットがノズルから出ることを確実にすることです。バキュームアシストバルブを使用し、ジェットがオンになる前にガーネットをノズルを通して引き、ガーネットが最初に部品に当たるようにしています。高圧水だけが部品に当たると、剥離が発生します。

1インチ以上の厚みの部品を、剥離なしで穴あけ・切断しています。

テーパーエッジ

ウォータージェット切断で対処しなければならないもう一つの懸念は、テーパーエッジです。ウォータージェットはノズルから出る高圧ストリームであり、ノズルから遠ざかるにつれて拡がります。ワークがノズルチップからどれだけ離れているかにより、ワークに到達したときのジェットの拡がり具合が決まります。部品が遠いほど、ジェットはより拡がります。拡がったジェットはサンドブラストのような外観と、品質の低い、遅い切断をもたらします。

エッジテーパーは、送り速度を速めたり遅めたりして調整可能です。チルティングヘッドやダイナミックヘッドコントロールシステムでも制御できます。下図は、正しい圧力や送り速度でない場合に直面しうるテーパー問題を示しています。

コスト

興味深いことに、ルーティングとウォータージェット切断のコストはほぼ同等です。一方でルーティングではビットの継続的な交換と粉塵排出が必要ですが、ウォータージェットでは研磨材とフィクスチャ、ノズル、オリフィスなどの消耗品が必要です。ルーターテーブルとウォータージェットの購入を検討する場合、ウォータージェットの方が高価です。中古は低価格帯で25,000〜60,000ドル、新品は200,000ドル以上。最近、5,000ドル以下のデスクトップウォータージェットも登場しています（https://www.wazer.com/）。一方、ルーターはメイカーコミュニティで長い歴史があり、デスクトップモデルで1,500ドルから購入可能です。より剛性が高く、多軸切断が可能な産業用マシニングセンターは40,000ドル前後から、5軸機で100,000ドル以上です。

出典：
ウォータージェット基礎: https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
ライノボード: https://www.rhinoboardwj.com/
OMAXテーパーエッジ: https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper