L'utilizzo di un getto d'acqua espulso ad alta velocità da un ugello è una soluzione tecnologica nota da tempo per il taglio di materiale a elevata durezza: già negli anni '30 del secolo scorso, ingegneri americani e sovietici realizzarono i primi tentativi di utilizzo di questa soluzione per separare il carbone dal materiale inerte. Verso la fine degli anni '60, con il progredire dell'industria aeronautica ed aerospaziale americana, si presentò in modo impellente la necessità di risolvere il problema del taglio di pannelli rinforzati con fibre, con strutture a nido d'ape e a sandwich senza danneggiare la struttura stessa del 'pannello. Infatti questi pannelli sono costituiti da materiali particolarmente j sensibili alle alte temperature e alla sollecitazione delle lavorazioni tradizionali, che distruggono la loro struttura durante il processo di taglio.
L'acqua pressurizzata a un valore ultra alto e spinta ad alta velocità attraverso un ugello era in grado di soddisfare le esigenze di taglio del settore aerospaziale: Ingersoll-Rand introdusse il primo waterjet nel 1971.
L'energia necessaria per il taglio è ottenuta focalizzando un getto dopo avere pressurizzato l'acqua a una pressione elevatissima (4000 bar). L'acqua fuoriesce da un ugello di diametro compreso tra 0,1-0,35 mm in diamante o zaffiro (Figura 8.1).
Il cuore del sistema è l'intensificatore, il dispositivo che porta la pressione dell'acqua fino a 4 000 bar. Questa pressione consente di ottenere in uscita una velocità del getto superiore di 2,5-3 volte quella del suono. Ovviamente la fase di filtraggio dell'acqua utilizzata nel taglio è fondamentale per garantire la funzionalità del processo senza danneggiamenti delle strutture. La coerenza del getto, cioè la concentrazione del getto stesso nella superficie minima possibile per una distanza quanto più grande possibile dall'ugello, viene favorita dall'aggiunta di polimero in basse quantità (0,25-1%) prima dell'introduzione nell'intensificatore (Figura 8.2).
L'aggiunta di polimero:
- diminuisce la divergenza del getto;
- diminuisce l'entità e il numero delle striature sulla superficie tagliata;
- diminuisce la quantità di materiale rimosso;
- aumenta la vita dell'orifizio;
- aumenta la distanza utile di lavoro;
- aumenta il tempo di vita dei componenti dell'intensificatore;
- riduce il rumore.
Il taglio di materiali duri viene favorito mediante l'aggiunta di particelle abrasive (olivina, corindone...) con dimensioni comprese tra 50 e 120 mesh. L'orifizio di uscita dell'ugello è realizzato in diamante o in zaffiro e l'ugello di taglio può essere stazionario o integrato con il sistema di movimentazione della macchina e comandato mediante controllo numerico. Effettuato il taglio, l'energia residua del getto deve essere dissipata nel dispositivo sottostante la zona di taglio e che deve consentire anche la raccolta del materiale asportato e dell'abrasivo spento.
Il processo di taglio avviene a livello microscopico per cui la natura e la fini-tura superficiale del materiale da lavorare non costituiscono fattori critici. Nonostante l'alta energia cinetica non ci sono deformazioni, i bordi tagliati sono netti e le bave assenti.
La lavorazione di taglio a getto d'acqua presenta le seguenti caratteristiche:
- estrema flessibilità, applicabile da produzioni in serie a produzioni altamente specializzate;
- assenza di deformazione termica o meccanica sulla superficie lavorata;
- ottimizzazione dell'uso del materiale;
- non produce inquinanti ambientali;
- bassi costi di produzione;
- richiede minimi sistemi di fissaggio del pezzo;
- presenta angoli di sformo per l'inevitabile divergenza del getto;
- è molto rumorosa.
I valori indicativi per gli spessori tagliati sono:
- gomma 0-130 mm;
- multistrato metallo polimero 0-10 mm;
- materiale espanso 0-200 mm;
- polimeri 0-50 mm;
- cuoio 0-60 mm;
- legno, pannelli 0-15 mm;
- cibo (torte, pesce, pollo...).
Per esempio, a seconda delle caratteristiche della macchina utilizzata, nel taglio di acciaio inossidabile dello spessore di 25 mm, la velocità di taglio può variare tra 13 e 76 mm/min. In figura 8.3 è riportato lo schema di funzionamento di un taglio a getto d'acqua.
