Su Jet

Su jeti su ile bir karışım kullanarak çeşitli malzemeleri kesme yeteneğine sahip endüstriyel bir araçtır. Aşındırıcı jet terimi, özellikle metal, taş veya cam gibi sert malzemeleri kesmek için su ve aşındırıcı karışım kullanımına özgüdür, saf su jeti ve sadece su kesimi terimleri ise eklenmiş aşındırıcı kullanmadan su jeti kesimini ifade eder ve genellikle ahşap veya lastik gibi daha yumuşak malzemeler için kullanılır.^[1]

Su jeti kesme, genellikle makine parçalarının imalatı sırasında kullanılır. Kesilmekte olan malzemelerin diğer yöntemler tarafından üretilen yüksek sıcaklıklara duyarlı olduğu durumlarda tercih edilen bir yöntemdir; plastik ve alüminyum gibi malzemeler örnek olarak verilebilir. Su jeti kesme, madencilik ve havacılık gibi çeşitli endüstrilerde kesme, şekillendirme ve genişleme işlemleri için kullanılır.^[2]

Su Jeti

Yüksek basınçlı suyun erozyon için kullanılması, hidrolik madencilikle 1800'lerin ortalarına kadar dayanır, ancak dar su jetlerinin endüstriyel bir kesme cihazı olarak ortaya çıkması 1930'lara kadar sürmemiştir. 1933 yılında, Wisconsin'deki Paper Patents Şirketi, sürekli bir kağıt tabakasını kesmek için diyagonal olarak hareket eden bir su jeti nozülü kullanan bir kağıt ölçüm, kesme ve sarıcı makine geliştirdi.^[3] Bu erken uygulamalar düşük basınçta ve kağıt gibi yumuşak malzemelere sınırlıydı.

Su jeti teknolojisi, araştırmacıların etkili kesme sistemlerinin yeni yöntemlerini aradığı savaş sonrası dönemde gelişti. 1956 yılında, Lüksemburg'daki Durox International'dan Carl Johnson, ince bir yüksek basınçlı su jeti kullanarak plastik şekiller kesme yöntemi geliştirdi, ancak bu malzemeler, kağıt gibi yumuşak malzemelerdi.^[4] 1958'de, Kuzey Amerika Havacılık'tan Billie Schwacha, sert malzemeleri kesmek için ultra yüksek basınçlı sıvı kullanan bir sistem geliştirdi.^[5] Bu sistem, yüksek mukavemetli alaşımları kesebilen bir hipersonik sıvı jeti sağlamak için 100.000 psi (690 MPa) basınçlı bir pompa kullandı. Mach 3 Kuzey Amerika XB-70 Valkyrie için petek levha kesiminde kullanılan bu kesme yöntemi, yüksek hızda delaminasyona neden oldu ve üretim sürecinde değişiklikler gerektirdi.^[6]

XB-70 projesi için etkili olmasa da, konsept geçerliydi ve su jeti kesimini evrimleştirmek için daha fazla araştırma devam etti. 1962'de Union Carbide'den Philip Rice, metalleri, taşı ve diğer malzemeleri kesmek için 50.000 psi'ye (340 MPa) kadar darbe veren bir su jeti kullanma yöntemini keşfetmeye çalıştı.^[7] Orta 1960'ların ortasında S.J. Leach ve G.L. Walker tarafından yapılan araştırmalar, taşın yüksek basınçlı su jeti kesimi için ideal nozül şeklini belirlemek için geleneksel kömür su jeti kesimini genişletti^[8] ve Norman Franz, yumuşak malzemelerin su jeti kesimine odaklandı ve jet akışının bütünlüğünü artırmak için suya uzun zincirli polimerlerin çözünmesini geliştirdi. Erken 1970'lerde su jeti nozülünün dayanıklılığını artırmak isteği, Bendix Corporation'dan Ray Chadwick, Michael Kurko ve Joseph Corriveau'un su jeti ağızlığı oluşturmak için korundum kristali kullanma fikrini ortaya çıkarmasına yol açtı, ayrıca Norman Franz, 70.000 psi'ye (480 MPa) kadar basınçlarda çalışabilen 0.002 inç (0.051 mm) kadar küçük bir su jeti ağızlığı oluşturdu. Flow Research (sonradan Flow Industries) adlı şirkette John Olsen, George Hurlburt ve Louis Kapcsandy, suyu önceden işlemenin ağızlığın işletme ömrünü artırabileceğini göstererek su jetinin ticari potansiyelini daha da artırdı.

Yüksek Basınç

Yüksek basınçlı kaplar ve pompalar, buhar gücünün gelişiyle daha ekonomik ve güvenilir hale geldi. 1800'lerin ortalarına gelindiğinde, buharlı lokomotifler yaygınlaşmış ve ilk verimli buharla çalışan itfaiye aracı hizmete girmişti. Yüzyılın sonuna gelindiğinde, yüksek basınçlı sistemlerin güvenilirliği arttı, lokomotif araştırmaları kazan basıncını altı kat artırarak bazılarının 1.600 psi (11 MPa) seviyelerine ulaşmasına yol açtı. Ancak bu dönemdeki çoğu yüksek basınçlı pompalar, genellikle 500-800 psi (3.4-5.5 MPa) civarında çalışıyordu.

Yüksek basınç sistemleri, havacılık, otomotiv ve petrol endüstrileri tarafından daha da şekillendirildi. Boeing gibi uçak üreticileri, 1940'larda hidrolik olarak desteklenen kontrol sistemleri için contalar geliştirdi, otomobil tasarımcıları ise hidrolik süspansiyon sistemleri için benzer araştırmaları takip ettiler. Petrol endüstrisindeki hidrolik sistemlerdeki yüksek basınçlar, sızıntıları önlemek için gelişmiş contaların ve ambalaj malzemelerinin geliştirilmesine yol açtı.

Bu contaların teknolojideki ilerlemeler ve savaş sonrası yıllarda plastiklerin yükselmesi, ilk güvenilir yüksek basınçlı pompanın geliştirilmesine yol açtı. Phillips Petroleum Şirketi'nden Robert Banks ve John Paul Hogan'ın Marlex'in icadı, polietilen içine bir katalizör enjekte edilmesini gerektiriyordu. Kansas'ın Baxter Springs şehrindeki McCartney Manufacturing Şirketi, 1960 yılında polietilen endüstrisi için bu yüksek basınçlı pompaların üretimine başladı. Washington'daki Kent şehrindeki Flow Industries, 1973 yılında John Olsen'ın yüksek basınçlı sıvı yoğuşturucu tasarımıyla su jetlerinin ticari olarak uygulanabilirliğinin temelini atmış, bu tasarım daha sonra 1976 yılında daha da geliştirilmiştir. Flow Industries, yüksek basınçlı pompa araştırmasını su jeti nozulu araştırmalarıyla birleştirerek su jeti kesmeyi üretim dünyasına getirmiştir.

Aşındırıcı Su Jeti

Su ile kesim yumuşak malzemeler için mümkün olsa da, bir aşındırıcı eklemek, su jetini tüm malzemeler için modern bir işleme aracına dönüştürdü. Bu, Elmo Smith tarafından likit aşındırıcı temizlik için su akısına bir aşındırıcı eklemenin fikri 1935 yılında geliştirildiğinde başladı. Smith'in tasarımı, Hydroblast Corporation'ın Leslie Tirrell tarafından 1937 yılında daha da geliştirildi ve ıslak temizlik amacıyla yüksek basınçlı su ve aşındırıcı karışımı yaratan bir nozul tasarımına yol açtı.

Modern aşındırıcı su jeti (AWJ) kesimi hakkındaki ilk yayınlar, 1982 BHR toplantısında Mohamed Hashish tarafından yayımlandı ve bu yayınlar, nispeten küçük miktarlarda aşındırıcı içeren su jetlerinin çelik ve beton gibi sert malzemeleri kesme yeteneğini ilk kez gösterdi. Mekanik Mühendislik dergisinin Mart 1984 sayısı, AWJ ile kesilen titanyum, alüminyum, cam ve taş gibi daha fazla detay ve malzemeyi gösterdi. Mohamed Hashish, 1987 yılında AWJ oluşturma konusunda bir patent aldı. Hashish, yeni terim olan aşındırıcı su jetini icat eden ve ekibi, AWJ teknolojisini ve donanımını birçok uygulama için geliştirmeye ve iyileştirmeye devam etti. Kritik bir gelişme, yüksek basınçlı AWJ'nin gücüne dayanabilen dayanıklı bir karışım tüpü oluşturmak oldu ve Boride Products (şu anda Kennametal) tarafından geliştirilen seramik tungsten karbür kompozit tüplerin ROCTEC serisi, AWJ nozulünün işletim ömrünü önemli ölçüde artırdı.Mevcut çalışmalar, 0.015 inç (0.38 mm) çapında jetlerle kesim yapılmasını ticarileştirebilmek için AWJ nozullarına mikro aşındırıcı su jetleri üzerine odaklanmıştır.

Ingersoll-Rand Waterjet Systems ile çalışan Michael Dixon, bugün yaygın olarak kullanılanlara çok benzeyen bir aşındırıcı su jeti sistemi olan ilk üretim pratik kesim yöntemini uyguladı. Ocak 1989'a gelindiğinde, bu sistem, Newark, Ohio'daki Rockwell'in Kuzey Amerika Havacılık tesisi büyük ölçüde B-1B için titanyum parçalar üretmek üzere günün 24 saati çalıştırılıyordu.

Aşındırıcı Su Süspansiyon Jeti (AWSJ) kesimi

Aşındırıcı Su Süspansiyon Jeti (AWSJ), sıkça "Çamur Jeti" veya "Su Aşındırıcı Süspansiyon (WAS) jeti" olarak adlandırılan, su kesimi için kullanılan özel bir aşındırıcı su jeti türüdür. Aşındırıcı su enjektör jeti (AWIJ) ile karşılaştırıldığında, aşındırıcı su süspansiyon jeti (AWSJ), aşındırıcı ve suyun nozuldan önce karıştırıldığı bir özellik taşır. Bu, AWIJ'ye karşın jetin yalnızca iki bileşen olan su ve aşındırıcıdan oluştuğu anlamına gelir.

AWSJ'de yalnızca 2 bileşen (su ve aşındırıcı) olduğu için aşındırıcı taneciklerin su tarafından hızlandırılması, sistemin aynı hidrolik gücüne sahip WAIS ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde artan bir verimlilikle gerçekleşir. Aşındırıcı tanecikler, aynı hidrolik güçle WAIS'ten daha hızlı hale gelir. Bu nedenle AWSJ ile karşılaştırmalı olarak daha derin veya daha hızlı kesimler yapılabilir.

Aşağıda açıklanan AWIJ kesim işlemine karşı AWSJ kesimi, talep edilen malzemeleri işlemenin yanı sıra mobil kesim uygulamaları ve su altında kesim için de kullanılabilir. Örnekler, bomba imhası, açık deniz tesislerinin sökülmesi veya nükleer santralde reaktör basınç kabuğu montajlarının sökülmesi gibi konuları içerir.

Aşındırıcı Su Enjektör Jeti (AWIJ) kesimi

AWIJ, su püskürtülen bir düzenden (bir boşluk) çıktıktan sonra karıştırma odasından geçen bir su jeti tarafından oluşturulur ve karışma odasının çıkışında bir odaklama tüpüne girer. Su jetinin karışma odasındaki havayla etkileşimi negatif basınç yaratır, su jeti hava partiküllerini sürükler. Bu negatif basınç, aşındırıcının odasına (aşındırıcı bir hortum aracılığıyla karıştırma odasının yan açıklığına (deliğe) yönlendirilir) pnömatik taşıma için kullanılır.

Su jeti ile karıştırma odasındaki aşındırıcı malzeme temas ettikten sonra, bireysel aşındırıcı tanecikleri hızlandırılır ve odaklama tüpünün yönüne sürüklenir. Aşındırıcıyı karışma odasına taşımak için taşıyıcı ortam olarak kullanılan hava, AWIJ'in bir parçası haline gelir ve bu artık üç bileşenli bir yapıya sahiptir (su - aşındırıcı - hava). Bu işlem için optimize edilmiş olan odaklama tüpünde aşındırıcı daha da hızlandırılır (su ile aşındırıcı taneciği arasındaki enerji transferi) ve AWIJ, mümkün olan en yüksek aşındırıcı tanecik hızında odaklama tüpünden ideal olarak çıkar.

Su Jeti Kontrolü

Su jeti kesim, geleneksel imalat atölyelerine girdikçe, kesiciyi güvenilir ve hassas bir şekilde kontrol etmek esastı. Erken su jeti kesim sistemleri, John Parsons'ın 1952 NC freze makinesine dayalı mekanik pantograf ve G-kodu gibi geleneksel sistemleri adapte ettiler. Su jeti teknolojisinin doğasından kaynaklanan zorluklar, geleneksel G-kodu'nun yetersizliklerini ortaya koydu. Hassasiyet, nozülün köşelere ve detaylara yaklaştıkça hızını değiştirmeye bağlıdır. Bu değişkenleri içeren hareket kontrol sistemleri oluşturmak, öncü su jeti üreticileri için 1990'ların başlarında önemli bir inovasyon haline geldi. OMAX Corporation'dan John Olsen, su jeti nozülünü hassas bir şekilde konumlandırmak ve yol boyunca her noktada hızı doğru bir şekilde belirtmek için sistemler geliştirdi ve aynı zamanda ortak PC'leri bir denetleyici olarak kullanmayı sağladı. En büyük su jeti üreticisi olan Flow International (Flow Industries'ın yan kuruluşu), bu sistemin faydalarını tanıdı ve OMAX yazılımını lisansladı, bu nedenle dünya genelindeki su jeti kesim makinelerinin büyük çoğunluğu kullanımı kolay, hızlı ve hassas hale geldi.

Tüm su jetleri, yüksek basınçlı suyun bir nozül tarafından odaklanarak bir ışın haline getirilme prensibini takip eder. Çoğu makine, suyu önce yüksek basınçlı bir pompadan geçirerek bunu başarır. Bu yüksek basıncı oluşturmak için kullanılan iki tür pompa vardır: yoğuşturucu pompa ve doğrudan tahrikli veya krank mil pompa. Doğrudan tahrikli bir pompa, bir araba motoru gibi çalışır ve suyu bir krank miline bağlı pistonlar kullanarak yüksek basınçlı borular aracılığıyla zorlar. Yoğuşturucu bir pompa, suyu bir minik delikten zorlayan bir pistonu hareket ettirmek için hidrolik yağ kullanarak basınç oluşturur. Su daha sonra yüksek basınçlı borular boyunca su jetinin nozülüne ilerler. Nozülde, su bir mücevher girişi ile ince bir ışına odaklanır. Bu su ışını, yaklaşık Mach 3 düzeyinde bir hızla, yaklaşık 760 m/s (2,500 ft/s) olan bir jet ile malzemeyi keserek nozülden atılır. İşlem, su nozüle ulaşana kadar aşındırıcı su jetleri için de aynıdır. Burada granat ve alüminyum oksit gibi aşındırıcılar, bir aşındırıcı girişi aracılığıyla nozüle beslenir. Aşındırıcı daha sonra karıştırma tüpünde suyla karışır ve yüksek basınçta tüpten çıkarılır.

Su jetinin önemli bir faydası, ısıl etkilenme bölgesi (HEB) olmadan malzemeyi kesme yeteneğidir. Isının etkilerini en aza indirgemek, metallerin bükmeksizin, sertliklerini etkilemeden veya içsel özelliklerini değiştirmeden kesilmesine olanak tanır. Keskin köşeler, yüzeyler, delikler ve iç yarıçapları minimum olan şekillerin hepsi mümkündür.

Su jeti kesiciler ayrıca malzemede karmaşık kesimler yapabilme yeteneğine sahiptir. Uzman yazılım ve 3D işleme başlıkları ile karmaşık şekiller üretilebilir.

Kesimin genişliği veya kerfi, düşeydeki parçaları değiştirerek ve aşındırıcının türünü ve boyutunu değiştirerek ayarlanabilir. Tipik aşındırıcı kesimlerin kerfi, 0.04 ila 0.05 inç (1.0-1.3 mm) aralığındadır, ancak 0.02 inç (0.51 mm) kadar dar olabilir. Aşındırıcı olmayan kesimler genellikle 0.007 ila 0.013 inç (0.18-0.33 mm) arasındadır, ancak 0.003 inç (0.076 mm) kadar küçük olabilir, bu yaklaşık olarak bir insan saçının genişliğine eşdeğerdir. Bu küçük jetler, geniş bir uygulama yelpazesinde küçük detaylara izin verebilir.

Su jetleri, hassasiyeti 0.005 inç (0.13 mm) ve tekrarlanabilirliği 0.001 inç (0.025 mm) kadar düşük olabilen doğruluk seviyelerine ulaşabilme yeteneğine sahiptir.

Nispeten dar kerf sayesinde su jeti kesimi, geleneksel kesim yöntemlerinden daha yakın yerleştirilmiş olmayan parçaların atık malzeme miktarını azaltabilir. Su jetleri, kesim başının orifis boyutuna bağlı olarak dakikada yaklaşık 0.5 ila 1 ABD galonu (1.9-3.8 L) kullanır ve suyu kapalı bir döngü sistemi kullanarak geri dönüştürmek mümkündür. Atık su genellikle filtrelenip bir drenaja boşaltılmak için yeterince temizdir. Granat aşındırıcı, tekrarlanan kullanım için çoğunlukla geri dönüştürülebilen toksik olmayan bir malzemedir; aksi takdirde genellikle bir çöplüğe atılabilir. Su jetleri ayrıca daha az uçucu toz partikülü, duman, duman ve kontaminan üretir, işçinin tehlikeli maddelere maruz kalma riskini azaltır.

Su jeti teknolojisi kullanarak et kesimi, temas ortamı atıldığı için çapraz kontaminasyon riskini ortadan kaldırır.

Kesme akışının doğası kolayca değiştirilebildiğinden, su jeti neredeyse her endüstride kullanılabilir; su jeti ile kesilebilecek birçok farklı malzeme bulunmaktadır. Bunların bazıları, kesilirken özel dikkat gerektiren benzersiz özelliklere sahiptir.

Su jeti ile yaygın olarak kesilen malzemeler arasında tekstil, kauçuk, köpük, plastik, deri, kompozitler, taş, seramik, cam, metal, gıda, kağıt ve çok daha fazlası bulunur. "Seramiklerin çoğu, kullanılan aşındırıcıdan daha yumuşak olduğu sürece (Mohs ölçeğine göre 7.5 ila 8.5 arasında), aşındırıcı bir su jeti ile kesilebilir." Su jeti ile kesilemeyen malzemelere örnek olarak temperli cam ve elmas gösterilebilir.Su jetleri, metallerin 6 inç (150 mm) ve çoğu malzemenin 18 inç (460 mm) kesilmesine olanak tanırken, özellikle kömür madenciliği uygulamalarında, 1 inç (25 mm) nozulu kullanarak 30 m (100 fit) kesme kapasitesine sahiptir.

Özellikle tasarlanmış su jeti kesiciler, bağlayıcı akıntısının konusu haline gelen yol yüzeylerinden fazla asfaltı çıkarmak için yaygın olarak kullanılır. Asfaltın akıntısı sırasında sıcak hava nedeniyle oluşan bir doğal olay olan "binder flushing" (bağlayıcı akıntısı), agreganın ıslak hava koşullarında tehlikeli derecede düz bir yol yüzeyi oluşturduğu bir durumdur.

Ticari su jeti kesme sistemleri, dünya genelinde birçok üreticiden temin edilebilir ve farklı boyutlarda, çeşitli basınçlara dayanabilen su pompaları ile sunulur. Tipik su jeti kesme makineleri, çalışma alanına sahip olarak birkaç metrekareden başlayarak yüzlerce metrekareye kadar değişebilir. Ultra yüksek basınçlı su pompaları, 40.000 psi (280 MPa) ila 100.000 psi (690 MPa) gibi düşük basınçtan yüksek basınca kadar mevcuttur.

Su jeti kesmenin altı temel işlem özelliği bulunmaktadır:

• Muhtemel aşındırıcı taneciklerin su akışında askıya alındığı yüksek basınçlı bir pompa ile üretilen, 30.000 ila 90.000 psi (210 ila 620 MPa) ultra yüksek basınçlı bir suyun yüksek hızlı akışını kullanır.
• Isıl duyarlı, hassas veya çok sert malzemeler dahil birçok malzemeyi işlemek için kullanılır.
• İş parçası yüzeyine veya kenarlarına ısı hasarı vermez.
• Nozullar genellikle sinterlenmiş borür veya bileşik tungsten karbürden yapılır.
• Çoğu kesimde 1°'den az olan bir eğim üretir; bu, kesme işlemini yavaşlatarak veya jeti eğerek tamamen azaltılabilir veya ortadan kaldırılabilir.
• Nozulun iş parçasından uzaklığı, kerfin boyutunu ve malzemenin çıkartma hızını etkiler. Tipik uzaklık 3.2 mm (0.125 inç) kadardır.
• Sıcaklık pek bir faktör değildir çünkü kullanılan su aynı zamanda bir soğutucu görevi görür.

Su jeti ile kesilen parçaların kenar kalitesi, Q1'den Q5'e kadar olan kalite numaralarıyla tanımlanır. Düşük numaralar daha pürüzlü bir kenar sonucu gösterirken, yüksek numaralar daha düzgün bir sonuç verir. İnce malzemeler için Q1 için kesim hızındaki fark, Q5 için kesim hızına göre 3 kat daha hızlı olabilir. Kalın malzemeler için ise Q1, Q5'e göre 6 kat daha hızlı olabilir. Örneğin, 4 inç (100 mm) kalınlığında alüminyum için Q5, dakikada 0.72 inç (18 mm) ve Q1, dakikada 4.2 inç (110 mm), 5.8 kat daha hızlı olacaktır.

1987 yılında Ingersoll-Rand Waterjet Systems, Robotic Waterjet Sistemi adı verilen 5 eksenli saf su su jeti kesim sistemi sundu. Bu sistem, HS-1000'e genel boyut olarak benzer bir üst geçiş tasarımına sahipti.

Kontrol ve hareket teknolojisindeki son gelişmelerle, 5 eksenli su jeti kesim (abrazif ve saf) bir gerçeklik haline geldi. Normal su jeti eksenleri Y (ileri/geri), X (sağ/sol) ve Z (yukarı/aşağı) olarak adlandırılırken, 5 eksenli bir sistem genellikle bir A ekseni (dikeyden açı) ve bir C ekseni (Z ekseni etrafında dönme) ekler. A ekseni için maksimum kesim açısı, dikeyden 55, 60 veya bazı durumlarda 90 dereceye kadar değişebilir. Bu nedenle, 5 eksenli kesim, su jeti kesim makinesi üzerinde işlenebilecek geniş bir uygulama yelpazesi sunar.

5 eksenli bir kesim kafası, alt yüzey geometrileri belirli bir miktar kaydırılarak uygun açıyı oluşturmak için kullanılabilir ve Z ekseni sabit kalır. Bu, daha sonra kaynak yapılacak bir parçanın her iki tarafına da bir eğim açısı kesilmesi gereken kaynak hazırlığı gibi uygulamalar için veya kerf açısının atık malzemeye aktarıldığı eğim telafi amaçları için kullanışlı olabilir - bu nedenle su jeti kesimli parçalarda yaygın olarak bulunan eğimi ortadan kaldırır. 5 eksenli bir başlık, Z ekseninin tüm diğer eksilerle birlikte hareket ettiği parçaları kesmek için kullanılabilir. Bu tam 5 eksenli kesim, şekillendirilmiş parçaların farklı yüzeylerinde konturları kesmek için kullanılabilir.

Kesilebilecek açılar nedeniyle, parça programlarının levhadan parçayı serbest bırakmak için ek kesimlere ihtiyacı olabilir. Bir levhadan bir plakadan kesilmiş karmaşık bir parçayı uygun bir rahatlama kesimi olmadan kesmeye çalışmak zor olabilir.