カーボンファイバーのウォータージェット切断:利点、欠点、およびベストプラクティス

ウォータージェットとは何ですか?

ウォータージェットは、ポンプを使用して高圧 (最大 90,000 psi) の水ジェットを生成し、発泡体から 8+ インチの鋼板まであらゆるものを切断できます。金属やカーボンファイバーを切断する場合、切断プロセスを補助するためにガーネットなどの研磨材が使用されます。(ウォータージェットの仕組みの詳細については、投稿の下部にある「出典」リンクを参照してください。)

ここで、ウォータージェットがカーボンファイバーの切断に優れたツールである理由を見てみましょう。

部品の厚さ

ウォータージェットの大きな利点の 1 つは、非常に厚いカーボン パネルを比較的簡単に切断できることです。ルーターの場合、厚い部品にはより多くのパスが必要となり、時間がかかり、ビットの摩耗が増加します。また、深いスロットからの切りくずやほこりの除去にも注意する必要があります。さらに、適切に調整すれば、ルーターでは深さの関係で不可能な小さなフィーチャを簡単にカットできます。

速度

ウォータージェットでの切断速度は、特に小さな形状の場合、ルーターを使用するよりもはるかに速くなります。ルーターの場合、切込み深さと送り速度はルータービットのサイズと部品の厚さに依存します。小さなビットや厚い部品には複数のパスが必要ですが、ウォータージェットでは同じ部品を 1 回のパスで切断でき、通常はより速い送り速度で切断できます。

防塵

ウォータージェットを使用するもう 1 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を扱う際の主な懸念事項の 1 つは粉塵です。カーボンファイバーの粉塵が機械の内部構造に侵入し、部品が通常よりも早く磨耗したり摩耗したりする可能性があります。また、吸入すると刺激性があり、皮膚に付着するとかゆみを引き起こす可能性があります。ウォータージェットを使用すると、すべてのカーボンダストが水タンクに吹き飛ばされ、適切に廃棄するための取り扱いが容易になります。高価な粉塵排出システムは必要ありません。

タイトなカットパターン

ウォータージェットのジェット直径は約 0.025 インチまで調整でき、非常に小さな穴や内部フィーチャーを備えたデザインを切断することができます。この工具直径は、内部の正方形のジオメトリに近いフェアリーを切断するために使用することもできます。

欠点

カーボンファイバーの切断にウォータージェットを使用することには多くの利点がありますが、いくつかの欠点もあります。次のいくつかのセクションでは、これらの領域について説明します。

エッジ仕上げ

ウォータージェットは研磨剤を使用して強力な炭素繊維を切断するため、エッジの表面は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 (砥粒が細かいほど、仕上げが細かくなります) と送り速度で制御できます。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する必要があります。エッジの清掃に費やす時間により、ウォータージェットで部品を切断することで得られる利点の一部が相殺される可能性があります。大量のパーツを処理する場合は、切断速度とパーツの複雑さの間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を切断する際のもう 1 つの懸念点は、スラットの 1 つを通過するときに生じる吹き返しです。ウォータージェット タンクには、タンクの幅全体に広がる金属スラットが使用されており、被削材をサポートする表面を提供します。高圧ジェットがスチール スラット上を通過すると、水と研磨剤のジェットが上方にそらされ、部品の裏側が実質的にサンドブラストされます。通常、これは金属パーツでは目立ちませんが、カーボンパーツの表面の一部を損傷する可能性があります。

幸いなことに、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、Rhino ボードの上でパーツを切断します。 Rhino ボードは HDPE の「ストロー」で構成されており、ジェットがカーボンに向かって吹き返ることなく通過できます。セルサイズが小さいため、タンクに落ちる心配なく小さくて複雑な部品を切断できます。

比較的大きなサイズの大量プロジェクトの場合、ジェットが水面のみを切断するように、タンクの底から突き出る固定具を作成します。パーツは吸盤を使用して所定の位置に固定されます。これらの治具を使用して、同じ部品を 1,000 個以上切断しましたが、主要なコンポーネントを変更する必要はありませんでした。

層間剥離

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 1 つの課題は、穴を開けることです。高圧ウォーター ジェットにより、カーボンファイバー層間の樹脂が侵食され、剥離や層間剥離が発生し、パーツが弱くなる可能性があります。

多くのメーカーは、別の機械で事前に穴を開けてから、その部品をウォータージェットに持ち込み、切断します。もちろん、この方法の欠点は、ウォータージェットの切断パスと事前に開けた穴の位置がずれてしまうリスクがあることです。

Elevated Materials では、剥離を防ぐためにカーボンファイバーに穴を開ける方法を完成させるために多くの時間とリソースを投資してきました。この技術は、ジェットの圧力を約 10KSI (10,000 psi) まで下げ、高圧水の前にガーネットが確実にノズルから出てくるようにすることに関係しています。当社では、ジェットがオンになる前にノズルからガーネットを引き込む真空補助バルブを使用し、水が入る前にガーネットが部品に当たるようにします。高圧水がそのままパーツに当たると、パーツが剥離してしまいます。

厚さ 1 インチを超えるパーツに層間剥離なく穴を開けたり切断したりしました。

テーパーエッジ

ウォータージェット切断で解決しなければならないもう 1 つの問題は、テーパーエッジです。ウォータージェットはノズルを通過する高圧の流れであるため、ノズルから遠ざかるほど膨張します。部品がノズルの先端からどのくらい離れているかに応じて、切断している部品に到達したときにジェットがどの程度拡張するかが決まります。部品が遠ざかるほど、ジェットはより大きく膨張する可能性があります。ジェットを拡張すると、サンドブラストのような外観が残り、カットの品質が低下し、速度が低下します。

エッジ テーパーは、フェデレートの速度を上げたり下げたりすることで調整できます。チルトまたはダイナミックヘッド制御システムを使用して制御することもできます。下の画像は、圧力や送り速度が適切でない場合に発生する可能性のあるテーパの問題をいくつか示しています。

費用

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じになります。一方で、継続的に交換するビットや、ウォータージェットの固定具、ノズル、オリフィスなどの研磨材や消耗品のルーティングに関して、塵の除去を心配する必要があります。ルーターテーブルまたはウォータージェットの購入を検討している場合は、ウォータージェットの方が高価になります。中古品の価格は下限で25,000ドルから60,000ドル、新品の場合は最高200,000ドル以上になります。最近、新しいデスクトップ ウォータージェットが 5,000 ドル以下で発売されました。 https://www.wazer.com/。一方、ルーターははるかに古くからメーカーコミュニティに存在しており、デスクトップモデルは 1,500 ドルという低価格から購入できます。複数の軸で切削できるより剛性の高い産業用機械の場合、マシニング センターの価格は約 40,000 ドルから始まり、5 軸機械の場合は 100,000 ドルをはるかに超える場合もあります。

出典:
ウォータージェットの基本:https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
Rhino ボード:http://www.rhinoboardwj.com/
Omax テーパーエッジ:https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper