Dictionnaire de la découpe au jet d’eau

Enrichissez vos connaissances en termes de découpe au jet d’eau grâce à ce dictionnaire.

A-F

L’abrasif au grenat est utilisé sur 99 % de la totalité des machines de découpe au jet d’eau pour sa capacité de coupe, sa consistance, son coût, son taux d’usure de la tête de découpe et sa non dangerosité. La taille des abrasifs au grenat généralement utilisés aujourd’hui pour la découpe au jet d’eau varie de 50 mesh à 220 mesh, la plus courante étant 80 mesh. Plus le nombre de mesh est élevé, plus les grains sont fins. Le 320 mesh est comparable à de la poussière.

L’arrêt d’urgence est une fonctionnalité permettant à un opérateur d’arrêter la machine-outil et de la mettre en état sécuritaire à tout moment. Les boutons d’arrêt d’urgence sont toujours rouges et bien en vue. Concernant la découpe au jet d’eau, l’arrêt d’urgence interrompra le processus et mouvement de découpe et, s’il est configuré pour cela, il arrêtera aussi la pompe et évacuera la pression dans les conduites haute pression.

Afin de créer un jet d’eau pure, la pression de l’eau doit entraîner la vitesse de celle-ci. C’est ce qu’il arrive lorsque l’eau passe par une minuscule buse en pierre précieuse. La taille de la buse, percée dans un saphir, un rubis ou un diamant, varie de 0,076 mm à 0,51 mm (la plus courante étant 0,356 mm). Plus la buse est grande, plus on a besoin d’eau et de puissance pour maintenir la pression.

La taille de la buse ne détermine pas la pression maximale de l’eau ; seules la puissance et la conception de la pompe le font.

Le haut de la buse présente un bord très tranchant de façon à rendre le jet d’eau uniforme. Un bord inégal ou rond créerait un jet irrégulier et agité et pourrait prendre une trajectoire angulaire qui n’est pas souhaitable.

Dans le cas d’un jet d’eau, une buse peut se briser pour deux raisons principales. Premièrement, du calcium peut s’accumuler autour de la buse et se détacher, provoquant la défaillance immédiate de la buse. Deuxièmement, le bord de la buse peut s’arrondir ou se briser sous l’impact d’une particule. En matière de jet d’eau, une buse est généralement bonne ou mauvaise ; une dégradation progressive est moins courante. Les buses percées dans le saphir et le rubis peuvent durer de 40 à 200 heures avec une eau de qualité, selon l’application et la pression. Un diamant peut être 8 à 10 fois plus cher mais durera 8 à 10 fois plus longtemps.

La précision des pièces finies dépend des erreurs de procédé (le jet d’eau), des erreurs de machine (la vitesse XY, le lissage et la précision du tracé), de la stabilité de la pièce à découper (fixation, planéité, homogénéité, stabilité de température).

Le faisceau du jet d’eau n’est pas rigide et peut se plier et bouger dans le matériau.  Les paramètres du jet d’eau et ses caractéristiques non rigides peuvent avoir un impact sur la précision, comme un retard de jet, une dépouille en V, un débit du produit abrasif, etc. Depuis de nombreuses années, le contrôle de ces caractéristiques est au centre des préoccupations des fournisseurs de jet d’eau.

Le jet d’eau Dynamic Waterjet® compense automatiquement le retard de jet et la dépouille, permettant une découpe deux à quatre fois plus rapide et des tolérances de pièce finie de 0,0254 mm à 0,0762 mm.

Les clapets anti-retour se trouvent dans les pompes à jet d’eau. Ce sont des clapets qui permettent le passage, en l’occurrence celui de l’eau, dans une seule direction.

Par exemple, de l’eau à basse pression arrive par un tuyau basse pression classique et entre dans la pompe pour la pressurisation. Une fois sous pression, l’eau ne peut ressortir par le clapet anti-retour basse pression car cela entraînerait l’explosion immédiate du tuyau basse pression. En revanche, un autre clapet anti-retour s’ouvre pour que l’eau à haute pression soit acheminée en toute sécurité dans les conduites haute pression en acier inoxydable vers la tête de découpe.

CFRP signifie « plastique renforcé en fibre de carbone ». Les composites en fibre de carbone sont utilisés pour les raquettes de tennis, les clubs de golf, les prothèses et les avions modernes. Pour cette définition, nous allons prendre l’exemple des avions commerciaux. Les voilures, longerons, haubans et parties arrières du fuselage en composites de Boeing et Airbus sont fabriqués dans un matériau supérieur à l’aluminium. La découpe des composites avec les procédés traditionnels de fraisage et de toupillage peut provoquer un délaminage, des micro-fissures, des barbes et des tractions de fibre. La découpe au jet d’eau ne présente pas ces problèmes.

Les composites avancés légers d’aujourd’hui peuvent être aussi durs et rigides que de l’acier, ou aussi souples que du caoutchouc, tout en pouvant supporter les contraintes d’un vol supersonique. Ce sont les propriétés qui rendent ces matériaux si résistants qui les rendent aussi extrêmement difficiles à couper. Les technologues en composites continuent d’introduire de nouvelles combinaisons de matériaux qui défient les capacités des méthodes traditionnelles d’usinage.

Jusqu’à récemment, des méthodes de découpe classiques, à l’aide de toupies et de fraises diamantées ou au carbure, de scies à ruban, de scies à tronçonner et de meules abrasives, étaient utilisées pour découper ces matériaux atypiques. À cause de la composition et de l’orientation des fibres de ces composites avancés, les méthodes de découpe classiques abîmaient les composites soit en les chauffant, soit en effilochant ou en délaminant les bords. De plus, ces méthodes étaient souvent lentes et la délamination ainsi que les autres problèmes fréquemment rencontrés demandaient des travaux coûteux.

Les matériaux composites peuvent se trouver sous de nombreuses formes. Les moteurs à haute température utilisent des métaux renforcés par des fibres céramiques (composite à matrice métallique). Généralement, les ingénieurs cherchent à réduire le poids tout en augmentant la solidité , la flexibilité ou encore la résistance aux températures. Ces matériaux sont un casse-tête pour les ateliers de production, mais ils peuvent être coupés rapidement et avec précision tout en respectant l’intégrité du matériau à l’aide d’un jet d’eau Flow.

Très facile à installer et à faire fonctionner, la technologie de découpe au jet d’eau est un procédé de découpe à froid qui peut produire de grandes quantités de pièces rapidement, même pour des projets difficiles. La découpe au jet d’eau est un procédé d’érosion supersonique.  Les matériaux destinés à la découpe au jet d’eau pure sont ceux pouvant être coupés à l’aide d’un couteau, tandis que le jet d’eau abrasif peut découper tout autre matériau plus dur.

Les systèmes de découpe au jet d’eau permettent de découper rapidement et efficacement des produits en papier. Les opérations utilisant les systèmes de découpe de papier au jet d’eau sont rentables et peu coûteuses. Les jets d’eau ne produisent pas de poussière dans l’air. Une découpe sans poussière améliorera vos conditions de travail, votre sécurité et donnera un produit d’une plus grande qualité. Pour les mouchoirs et les serviettes, la découpe au jet d’eau élimine le rembobinage, vous économisez ainsi sur les frais de biens d’équipement en découpant le papier en ligne.  Une découpeuse peut être installée directement sur la machine et les bords satisfont à toutes les exigences pour les opérations de conversion. 

En matière de découpe au jet d’eau, la densité de la puissance de coupe se rapporte à l’énergie pouvant être appliquée à une zone d’une certaine taille. Un jet plus fin à une haute pression implique une vitesse plus élevée et il aura une densité de puissance plus importante qu’un jet plus large à une faible pression/vitesse.  

Une aspiration se créé lors du passage d’un fluide ou d’un milieu à vitesse élevée d’un grand tube à un tube plus petit. En matière de jet d’eau abrasif, un effet Venturi est créé par le passage du jet d’eau pure dans la grande chambre de mélange puis dans le tube de mélange étroit.

L'abrasif est aspiré dans la chambre de mélange par un effet Venturi, accéléré comme des balles de fusil, ou des plombs de carabine, et projeté hors du tube de mélange créant ainsi le jet d’eau abrasif.

L’entaille correspond à la largeur de la découpe ou à une rainure ou une fente due à la découpe. En matière de découpe au jet d’eau abrasif, la largeur de l’entaille dépend directement du diamètre du tube de mélange. L’entaille est environ 10 % plus grande que le diamètre du tube de mélange.

Ainsi, pour un tube de mélange de 0,762 mm, l’entaille sera de 0,838 mm. Bien entendu, l’entaille grandit avec le tube de mélange. Le tube de mélange grandit d’environ 0,025 mm toutes les 8 heures lorsque le jet est en fonctionnement.

La finesse de la largeur de découpe d’un jet d’eau est un avantage essentiel qui permet de réaliser des détails complexes. Un jet d’eau pure varie de 0,076 mm à 0,381 mm, et un jet d’eau abrasif de 0,381 mm à 1,778 mm (généralement 1,016 mm).

G-K

HyperPressure™ décrit une pompe à jet d’eau qui fournit une pression d’au moins 5 171 bar. La pression ultra haute est généralement comprise entre 2 758 et 5 171 bar tandis que HyperPressure concerne les pressions de 5 171 bar et plus. Généralement, les systèmes de jet d’eau à pression standard fonctionnent à une pression ultra haute de 3 792 à 4 136 bar et les systèmes plus avancés utilisent des pompes capables d’émettre 6 481 bar.

Le flux du jet d’eau chargée d’abrasif (parfois appelé jet abrasif) accélère les particules abrasives et ce sont celles-ci, et non l’eau, qui érodent le matériau. Le jet d’eau abrasif est bien plus puissant qu’un jet d’eau pure et peut couper des matériaux durs, comme les métaux, le verre, la pierre et les composites, qui ne peuvent pas être découpés par un jet d’eau pure. Le jet d’eau abrasif avec des paramètres standard peut couper des matériaux d’une dureté égale et légèrement supérieure à la céramique d’oxyde d’aluminium (souvent appelé alumine, pureté 99,9).

Caractéristiques du jet d’eau abrasif

  • Procédé extrêmement polyvalent
  • Aucune zone affectée thermiquement
  • Aucune contrainte mécanique
  • Facile à programmer
  • Finesse du jet (de 0,508 à 1,27 mm de diamètre)
  • Géométrie extrêmement détaillée
  • Découpe de matériaux fins
  • Découpe de 25,4 cm d’épaisseur
  • Découpe empilée
  • Peu de pertes de matériau dues à la découpe
  • Facile à mettre en place
  • Forces de découpe faibles (moins de 454 g lors de la découpe)
  • Une configuration de jet pour pratiquement tous les travaux au jet abrasif
  • Changement facile d’un mode tête unique à un mode multi-têtes
  • Changement rapide d’un jet d’eau pure à un jet abrasif
  • Opérations secondaires réduites
  • Pas ou peu de bavures

Le jet d’eau dynamique Dynamic Waterjet® est une technologie brevetée de Flow qui améliore la vitesse de découpe de deux à quatre fois et permet également d’obtenir une bien meilleure tolérance de pièce finie.

En matière de découpe au jet d’eau, le jet commet deux erreurs lors d’une découpe à une vitesse élevée :  le retard de jet et la dépouille. Le retard de jet désigne le phénomène au cours duquel le jet ressort de la pièce à découper derrière le point d’entrée. La dépouille a une forme en V. Le retard de jet et la dépouille peuvent être réduits en ralentissant la découpe (de 15 à 20 % par rapport à la vitesse de découpe maximale) mais ne peuvent être éliminés.

Afin d’obtenir une découpe à vitesse élevée, le jet d’eau dynamique incline automatiquement la tête d’un côté de façon à ce que la dépouille aille du côté des chutes, et penche légèrement la tête vers l’avant afin de compenser les effets du retard de jet. La compensation de la dépouille et du retard de jet s’effectue automatiquement dans une opération en arrière-plan. L’opérateur ou le programmeur n’a pas besoin de programmer les angles, c’est le système de commande qui s’en charge. L’angle est modifié automatiquement selon la vitesse de découpe : ainsi, des coins et des arcs de précision peuvent être réalisés car la tête de découpe modifie sa vitesse pour les réussir.

La méthode traditionnelle de découpe au jet d’eau est à l’eau pure. Les premières applications commerciales ont eu lieu du début au milieu des années 1970 et concernaient la découpe de carton ondulé. Les utilisations les plus courantes de découpe au jet d’eau pure sont les couches jetables, les mouchoirs en papier et les intérieurs automobiles. Dans le cas des mouchoirs en papier et des couches jetables, le procédé de jet d’eau crée moins d’humidité sur le matériau que de le toucher ou de respirer au-dessus.

Le jet d’eau pure peut également être utilisé pour enlever des revêtements, comme la peinture des navires. Si vous voulez en savoir plus sur ces applications, cliquez ici.

Caractéristiques du jet d’eau pure

  • Jet très fin (le diamètre habituel va de 0,076 mm à 0,254 mm)
  • Géométrie extrêmement détaillée
  • Peu de pertes de matériau dues à la découpe
  • Découpe à froid
  • Découpe de matériaux très épais
  • Découpe de matériaux très fins
  • Découpe généralement très rapide
  • Capacité de découpe de matériaux tendres et légers (comme les isolants en fibres de verre d’une épaisseur allant jusqu’à 61 cm)
  • Forces de découpe extrêmement faibles
  • Installation simple
  • Fonctionnement 24 heures sur 24

L-P

Un logiciel de programmation est aussi appelé logiciel de FAO (fabrication assistée par ordinateur). Un logiciel de programmation se trouve généralement sur un PC bien que les machines-outils puissent également être programmées directement sur la machine. Un programmeur importe un plan CAO créé antérieurement en tant que type de fichier .dxf ou .dwg (ou un autre format), ou crée un un nouveau motif dans l’ensemble logiciel de FAO.

Le programmeur utilise le logiciel de programmation de jet d’eau pour ajouter les emplacements de départ et d’arrivée, la direction du déplacement, la compensation de découpe et les vitesses de déplacement nécessaires. Ce fichier est ensuite envoyé au système de commande pour être exécuté en découpant la pièce.

Dans un système de mouvement, les moteurs d’entraînement utilisent le courant positif ou négatif des amplificateurs d’entraînement CNC afin de produire une rotation horaire ou anti-horaire. Cette rotation déplace la machine.

Les pompes rotatives à entraînement direct sont utilisées sur plus de 20 % des systèmes de jet d’eau à travers le monde. Contrairement aux pompes à multiplicateur de pression, la pompe rotative à entraînement direct ne comporte pas de pompe hydraulique. Parfois appelée pompe triplex, elle possède un moteur électrique qui fait tourner une bielle à trois pistons pour générer de l’eau à ultra-haute pression.

La pompe linéaire à multiplicateur de pression est la technologie d’origine et la plus courante pour la découpe au jet d’eau. Les pompes à multiplicateur de pression utilisent le « principe d’intensification » pour pressuriser l’eau.

Le « principe (ou rapport) d’intensification » exploite la différence de surface du piston et des plongeurs pour intensifier (ou augmenter) la pression. L’huile hydraulique est mise sous pression et cette huile à basse pression exerce une force sur le piston dont la surface frontale est 20 fois supérieure à celle du plongeur haute pression qui exerce une force sur l’eau. Ainsi, la pression est « intensifiée » 20 fois. Par exemple, l’huile à une pression de 207 bar va produire une pression d’eau de 4 138 bar due au rapport de 20:1 de la surface du piston à celle du plongeur.

Q-U

Dans un système de mouvement, le système de commande exprime les commandes de programme de pièce, de vitesse et de départ et d’arrêt du jet dans un langage que le système électrique peut comprendre. Généralement, un système de commande CNC (commande numérique par ordinateur), un système de commande sur PC ou une forme hybride est utilisé.  

Pour prendre un exemple, un ingénieur ou un concepteur peut dessiner un carré à découper avec un jet d’eau par le biais d’un programme CAO (conception assistée par ordinateur) tel que AutoCAD®. Un programmeur (pouvant être la même personne) prend alors le dessin du carré sous un type de fichier .dxf ou .dwg et l’ouvre dans un ensemble logiciel de FAO (fabrication assistée par ordinateur).  

Là, le programmeur ajoute les emplacements de départ et d’arrivée, la direction du déplacement, la compensation de découpe et les vitesses de déplacement nécessaires du jet d’eau. Ce fichier est ensuite envoyé au système de commande où l’opérateur (encore possiblement la même personne) ouvre le fichier dans le système de commande de la machine-outil, place la tête de coupe sur l’emplacement de départ sur le matériel cible et clique sur la touche Cycle Start (lancer le cycle) pour découper la pièce.

Le système de commande transforme alors le fichier de découpe en courant électrique partant des entraînements du système de commande vers les moteurs de la machine-outil afin de lancer le processus. Le système de commande envoie aussi des sorties numériques pour démarrer et arrêter automatiquement l’eau et l'abrasif.

Dans un système de mouvement, le système de retour fournit un retour de position et éventuellement de vitesse au système de commande CNC, indiquant à ce dernier que la machine a agit conformément aux instructions.

Plus la résolution de l’entraînement, du moteur et du retour est élevée, plus le mouvement de la tête de découpe au jet d’eau sera précis. Les systèmes de retour peuvent se présenter sous la forme d’encodeurs fixés aux moteurs, d’une règle graduée en ruban ou en verre fixée au châssis de la machine dans la direction du déplacement, ou d’autres moyens.

Les valeurs des mesh ne représentent pas les dimensions exactes des particules mais une répartition des tailles des particules. Pour un abrasif de 80 mesh, certaines particules seront plus grandes et plus petites que 80 mesh. Les tailles de mesh sont généralement déterminées en faisant passer les abrasifs de haut en bas par une série de tamis d’une taille de mesh de plus en plus petite. Les tailles de mesh classiques pour l’usinage des jets d’eau abrasifs vont de 220 à 50 mesh, la plus courante étant 80 et 120 mesh. Plus grand est le numéro de mesh, plus petite sera la particule d’abrasif.

La tête de découpe d’un jet d’eau est l’endroit où la pression de l’eau entraîne la vitesse de celle-ci, lorsqu’elle passe par la buse en pierre précieuse.

Dans le cas d’une découpe au jet d’eau abrasif, la tête de découpe comporte aussi une chambre et un tube de mélange. Parfois, vous pouvez entendre parler d'une vanne « tout ou rien » sur la tête de découpe. Celle-ci se trouve juste au-dessus de la buse et possède un système de clapet et de siège afin de permettre à l’opérateur ou au contrôleur CNC de démarrer ou d’arrêter le jet d’eau.

Utilisé pour la découpe au jet d’eau abrasif, le tube de mélange est la dernière composante de la tête de découpe. La pression de l’eau entraîne la vitesse de celle-ci lorsqu’elle passe par la buse en pierre précieuse.

Le jet d’eau supersonique entre alors dans la chambre de mélange où l'abrasif est aspiré dans la tête par un effet Venturi. L’eau et l'abrasif passent ensuite par le tube de mélange et ressortent sous forme d’un mélange d’eau, d’abrasif et d’air.

Le diamètre intérieur du tube de mélange peut varier de 0,381 mm à 1,778 mm, et sa longueur de 38 mm à 152 mm. Il possède un cône d’entrée intérieur. Le tube de mélange le plus courant a un diamètre intérieur de 1,016 mm et mesure 101,6 mm de long. Ce tube utilise habituellement un abrasif au grenat de 80 mesh. Pour une découpe classique, un tube de mélange fabriqué dans un matériau de haute qualité (carbure composite nano grain pour maximiser la résistance à l’érosion) grossit d’environ 0,025 mm de diamètre toutes les 6 à 8 heures de fonctionnement et s’élargit aussi de façon concentrique.

L’industrie du jet d’eau a différentes définitions pour les différents niveaux de pression. L'ultra-haute pression se situe entre 2 758 et 5 171 bar. Pour la découpe au jet d’eau, la plupart des pompes fonctionnent entre 3 792 et 4 136 bar.

V-Z

En matière de découpe au jet d’eau, lorsque la pression monte, la vitesse du jet d’eau augmente.

Quand le jet sort de la buse, seule la vitesse compte. L’eau n’est plus sous pression après être passée par la buse.

Dans le cas de découpe au jet d’eau abrasif, plus le jet est rapide, plus l'abrasif se déplace vite, plus le diamètre du jet est fin et moins l’on a besoin d’abrasif.

Lors de la découpe avec un jet d’eau doté d’un mouvement de tête de découpe régulier et précis, un bord lisse peut être obtenu. Lorsque la vitesse de découpe dépasse environ 50 % de la vitesse maximale, des irrégularités apparaissent généralement au bas de la surface découpée. Celles-ci s’appellent des stries. La zone de transition est la profondeur à laquelle la surface lisse devient striée. À 70 % de la vitesse maximale de découpe, la zone de transition sera plus haute sur la surface de découpe qu’à 60 %.