Design and Development of a Micro Abrasive Water Jet System for Industrial Applications

Waterjet technology is enjoying considerable success in industrial processing applications. This is due to its extreme flexibility in machining various materials and geometries and due to the limited side effects that it leaves on the final part. In fact, the parts machined by waterjet neither present thermal or chemical alterations, nor significant residual mechanical stresses or deformations. These distinctive features are kept even reducing the diameter of the jet of a conventional equipment to the typical dimensions that are suitable for a micromachining system. The prospect of obtaining parts normally pertaining to micromachining with this technology has stimulated research and industry to create a micro abrasive waterjet system. This dissertation illustrates the solutions that we adopt to solve the issues that have arisen during this work and the previous experiences. The new design involves all the micro abrasive waterjet equipment, aiming at developing a micro abrasive waterjet cutting head prototype suitable for industrial purposes. In particular, the redesigned mixing chamber is shown in detail. This core component is made of stainless steel in order to increase its wear resistance to the levels required by an actual industrial application. The other components of the abrasive waterjet cutting head are renewed, in order to solve the issues highlighted by the previous prototypes and also to introduce a greater ease of assembly and of maintenance. Even the Air Assistance apparatus, the nozzle alignment device and the abrasive feeding system are redesigned in order to overcome the new issues. The entire system has been tested by means of specific tasks, which have been designed in order to verify its potential and its reliability. These tests will be presented along with some cases of study, which are reported to show real industrial application examples.

La tecnologia waterjet sta godendo di un notevole successo in applicazioni di lavorazione industriali. Ciò è dovuto alla sua estrema flessibilità rispetto a vari materiali e geometrie di lavorazione ed agli scarsi effetti che lascia sul componente finito. Infatti, i pezzi lavorati mediante tecnologia waterjet non presentano alterazioni termiche o chimiche, né significative sollecitazioni o deformazioni meccaniche residue. Queste caratteristiche distintive sono mantenute anche riducendo il diametro del getto di un sistema convenzionale fino alle dimensioni tipiche di un sistema di microlavorazione. La prospettiva di ottenere componenti normalmente di pertinenza delle microlavorazioni con questa tecnologia ha stimolato la ricerca e l'industria a creare un sistema microAWJ. Questa tesi illustra le soluzioni adottate per risolvere i problemi che sono sorti nel corso dell'attività di ricerca e di esperienze precedenti. Il nuovo design coinvolge tutte le parti del sistema di taglio, mirando a sviluppare un prototipo di sistema microAWJ che sia pronto per applicazioni industriali. In particolare, la camera di miscelazione riprogettata è illustrata in dettaglio. Questo componente principale è realizzato in acciaio inossidabile per aumentarne la resistenza all'usura fino ai livelli richiesti da un'applicazione industriale reale. Gli altri componenti della testa di taglio sono stati rinnovati, al fine di risolvere i problemi evidenziati dai prototipi precedenti e di introdurre una maggiore facilità di montaggio e di manutenzione. Anche l'apparato di Air Assistance, il dispositivo di allineamento del focalizzatore e il sistema di alimentazione dell'abrasivo sono stati riprogettati per superare le nuove criticità. L'intero sistema è stato testato con prove specifiche, che sono state progettate per verificarne il potenziale e l'affidabilità. Questi test sono presentati insieme ad alcuni casi di studio, che sono riportati per mostrare esempi reali di applicazione industriale.