Micro abrasive water jet system for ultrafine cutting

Abrasive Water Jet (AWJ) technology is a flexible cutting solution based on the material removal performed by a high velocity jet made of water and abrasive particles. The modern trend of miniaturization and precision manufacturing pushes researchers and companies towards the creation of micro Abrasive Water Jet (MicroAWJ) solutions for cutting fine features on several materials or multilayer plates in a near-net-shape or also net-shape approach. The present study designs a novel MicroAWJ cutting system that exploits a mixed jet which is finer than what available in literature and on the market. A complete cutting head equipped with a 0.13 mm focusing tube diameter is carried out to this purpose. Specifically designed diamond primary orifices and stainless steel mixing chambers are developed. The cutting head components are coupled by matching tight assembly tolerances, with the focusing tube retained to the cutting head by shrink-fitting to assure the best alignment condition. The usual abrasives for AWJ and MicroAWJ are inspected, highlighting the particle shape influence on the actual drag coefficient CD that is always higher than the sphere one (0.47), thus allowing a new design of the focusing tube. A novel and finer abrasive size, Barton W0, currently not applied to MicroAWJ because of the feeding issues of such small particles (26 micrometers) is used to achieve the final result by designing a dedicated Gel Based Slurry feeding system. This device allows feeding low abrasive mass flow rates (ma = 2 - 10 g/min) with complete control until the release, that is close to the jet axis in the mixing chamber thanks to a dedicated injector. The entrained air flow, coaxial to the abrasive one in the injector, is monitored and controlled to set the mixing chamber pressure pmc = 0.78 - 0.80 bar (absolute pressure). The pmc signal is a valuable tool for assuring the jet steadiness and the consequent high cutting quality. The entire system is tested at various feed rates vf on 0.5 mm and 2.0 mm thick stainless steel plates, locating the optimum vf value at 6 mm/min on the thicker plate. The cutting tests are completed by piercing tests and long-lasting cutting operations on benchmark pieces, scaled at the 75 % of the minimum dimension allowed by the state of the art MicroAWJ technology available at WatAJet S.r.l., the Politecnico di Milano spin-off company that is partner of the project. A comparison between the state of the art jet and the novel one is performed on a 2.0 mm thick stainless steel plate, imposing the minimum kerf taper defect (less than 10 micrometers), for using 3 axis machining centers and for preserving both the cut sides quality. As a result, the average kerf width is reduced to about 0.16 mm, which is the 65 % of the state of the art. A significant quality enhancement is highlighted by the valuable roughness reduction, with Ra and Rz values both about 42 % of the state of the art. The vf needed for achieving these results is reduced to 6 mm/min, about the 17.5 % of the state of the art, which is a small drawback of an outstanding MicroAWJ cutting quality, easily balanced by using multiple parallel cutting heads.

La tecnologia Abrasive Water Jet (AWJ) é una tecnica di taglio basata sulla rimozione di materiale operata da un getto ad alta velocitá, costituito da acqua e particelle abrasive. La moderna tendenza alla miniaturizzazione e alla manifattura di precisione spinge i ricercatori e le aziende verso la creazione di soluzioni micro Abrasive Water Jet (MicroAWJ) per il taglio di particolari geometrici di ridotte dimensioni oppure laminati multistrato in una forma semi-definitiva o addirittura definitiva. Questo studio ha come obiettivo la progettazione e realizzazione di un sistema MicroAWJ innovativo, ottenendo un getto miscelato piú fine di quelli presenti in letteratura o disponibili sul mercato, creando una testa di taglio completa dotata di focalizzatore di diametro 0.13 mm. L’ugello primario in diamante e la camera di miscelazione in acciaio inossidabile sono progettati e realizzati per lo specifico caso. I componenti della testa di taglio sono accoppiati secondo strette tolleranze di assieme, con il focalizzatore posizionato tramite calettamento a caldo per assicurare la miglior condizione di allineamento. I piú diffusi abrasivi per AWJ e MicroAWJ sono analizzati, evidenziando l’influenza della forma delle particelle sul coefficiente di drag CD reale, che risulta essere in tutti i casi maggiore rispetto a quello caratteristico della forma sferica (0.47), consentendo cosí una nuova progettazione del focalizzatore. Un nuovo e piú fine abrasivo (Barton W0, attualmente non utilizzato in applicazioni MicroAWJ per via delle difficoltá nell’erogare particelle di dimensione pari a 26 micrometers) é scelto per ottenere il risultato finale tramite la progettazione di un sistema di alimentazione basato su una pasta gel. Questo strumento consente di erogare ridotte portate di abrasivo (ma = 2 - 10 g/min) con il completo controllo fino al rilascio, in prossimitá dell’asse del getto nella camera di miscelazione, grazie ad un iniettore dedicato. Il flusso di aria in entrata, coassiale al flusso dell’abrasivo nell’iniettore, é monitorato e controllato per definire la pressione nella camera di miscelazione (pmc = 0.78 - 0.80 bar assoluti). Il segnale di pmc si rivela un valido strumento per assicurare la stabilitá del getto e la conseguente elevata qualitá del taglio. Il sistema completo é provato a diverse velocitá di avanzamento vf su lamiere di acciaio inossidabile di spessore 0.5 mm e 2.0 mm, individuando il valore ottimo di 6 mm/min per la lamiera piú spessa. Le prove di taglio sono completate con prove di foratura e operazioni di lunga durata su componenti rappresentativi, scalati al 75% della minima dimensione consentita dal MicroAWJ allo stato dell’arte, disponibile pressoWatAJet S.r.l., spin-off del Politecnico di Milano e partner del progetto. Un confronto tra il getto allo stato dell’arte e il nuovo getto é effettuato su una lamiera di spessore 2.0 mm, imponendo la minimizzazione del difetto di taper (meno di 10 micrometers), per poter utilizzare macchinari a 3 assi e preservare la qualitá di entrambi i lati del taglio. Come risultato, la larghezza del solco di taglio é ridotta a circa 0.16 mm, che corrisponde al 65% dello stato dell’arte. Un miglioramento significativo della qualitá é evidenziato dalla considerevole riduzione della rugositá, con i valori di Ra e Rz che si attestano al 42 % rispetto allo stato dell’arte. La velocitá trasversale richiesta per ottenere questi risultati é ridotta a 6 mm/min, corrispondente al 17.5 % dello stato dell’arte, il che costituisce un marginale svantaggio per un taglio MicroAWJ di elevata qualitá, facilmente rimediabile mediante l’utilizzo di teste di taglio multiple in parallelo.