เทคโนโลยีวอเตอร์เจ็ทมีจุดเด่นหลายอย่างที่ทำให้เป็นที่ยอมรับอย่างรวดเร็ว เช่น เป็นการตัดแบบเย็นที่สามารถตัดวัสดุได้แทบทุกชนิดโดยไม่ก่อให้เกิดความร้อนหรือแรงเค้นและเป็นวิธีการตัดเฉือนที่สามารถเตรียมการและใช้งานได้ง่ายเป็นพิเศษ ข้อดีเหล่านี้ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถผลิตชิ้นงานตั้งแต่จำนวนน้อยไปจนถึงจำนวนมากได้อย่างรวดเร็ว แม้จะเป็นงานที่ยากและมีความซับซ้อนสูงก็ตาม

เปรียบเทียบระหว่าง HyperPressure และแรงดันปกติ

ในช่วงแรกที่มีการนำระบบวอเตอร์เจ็ทแรงดันระดับอัลตราไฮ (Ultra High Pressure หรือ UHP) มาใช้นั้น ค่าแรงดันมักจะอยู่ในช่วง 36,000 พีเอสไอ แต่ค่าแรงดันนี้เพิ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ ในทุกทศวรรษ จนเป็น 55,000 พีเอสไอในช่วงปลายทศวรรษ 1980 จนกระทั่งเพิ่มขึ้นเป็น 60,000 พีเอสไอในช่วงกลางทศวรรษ 1990 ซึ่งเป็นค่ามาตรฐานที่ใช้มาจนถึงปัจจุบัน ต่อมาในปี 2004 บริษัท Flow International ได้เปิดตัวปั๊ม HyperJet ที่ให้แรงดันพิกัดอยู่ที่ 94,000 พีเอสไอ สำหรับใช้กับสภาพแวดล้อมการผลิตมาตรฐาน ความก้าวหน้าดังกล่าวถือเป็นการเริ่มยุคใหม่ของระบบตัดเฉือนวอเตอร์เจ็ทแบบ HyperPressure

แรงดันระดับ HyperPressure หมายถึง แรงดันตั้งแต่ 75,000 พีเอสไอขึ้นไป ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว การตัดวอเตอร์เจ็ทด้วยน้ำผสมสารขัดนั้น สารขัดที่ผสมอยู่ภายในกระแสน้ำจะทำหน้าที่กัดกร่อนวัสดุและทำให้เกิดการตัดขึ้น โดยน้ำจะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งการทำงานของสารขัดเท่านั้น การใช้แรงดันสูงขึ้นจะทำให้พลังงานจลน์ของสารขัดที่ผสมอยู่ในน้ำเพิ่มขึ้น เมื่อน้ำและสารขัดเคลื่อนที่เร็วขึ้น เส้นผ่านศูนย์กลางของกระแสน้ำจะเล็กลง ส่งผลให้ความหนาแน่นของกำลังและประสิทธิภาพของกระแสน้ำเพิ่มสูงขึ้น

ผู้ผลิตส่วนใหญ่ค้นพบแทบจะในทันทีว่า การใช้ปั๊ม HyperPressure นั้นทำให้ได้ประสิทธิภาพการทำงานสูงขึ้นกว่ามากเมื่อเทียบกับการใช้ปั๊มทั่วไปที่ให้แรงดันประมาณ 60,000 พีเอสไอ ถ้าหากการเพิ่มกำลังวัตต์ให้กับเลเซอร์ CO₂ นั้นทำให้ประสิทธิภาพการตัดสูงขึ้น การเพิ่มแรงดันก็สามารถที่จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้กับระบบวอเตอร์เจ็ทได้อย่างมากเช่นเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม นอกจากการเพิ่มแรงดันแล้ว ยังมีการทดลองวิธีต่างๆ อีกหลายวิธีเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้กับการตัด ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มแรงม้า การใช้หัวเจ็ทหลายหัว การใช้สารขัดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนแรงขึ้น และการปรับปรุงทางเดินเครื่องมือ เป็นต้น ซึ่งจากวิธีการทั้งหมดข้างต้น วิธีเดียวที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการตัดได้อย่างชัดเจนที่สุดคือ การปรับปรุงทางเดินเครื่องมือ โดยในปัจจุบัน เครื่องตัดระบบวอเตอร์เจ็ทสมัยใหม่จะใช้ทางเดินเครื่องมือที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุด โดยการเร่งความเร็วในช่วงการตัดตรงและลดความเร็วลงในช่วงที่มีการตัดโค้งแคบ เพื่อป้องกันข้อผิดพลาดของชิ้นงานที่เกิดจากการหน่วงของกระแสน้ำ รวมทั้งเพื่อลดระยะเวลาในการผลิตชิ้นงาน นอกจากนี้ ยังมีระบบที่ใช้เทคโนโลยีสูงขึ้นไปอีกขั้น โดยมีการชดเชยความเอียงของารตัดด้วยการเอียงหัวเจ็ทเล็กน้อย เพื่อชดเชยปัญหารอยตัดเอียงเป็นลักษณะคล้ายตัว V ซึ่งเกิดขึ้นตามธรรมชาติจากการตัดแบบวอเตอร์เจ็ท วิธีการอื่นๆ นอกเหนือไปจากการปรับปรุงทางเดินเครื่องมือนั้น ไม่ได้ช่วยให้ประสิทธิภาพการทำงานเพิ่มขึ้นเนื่องจากสาเหตุต่างๆ เช่น การเพิ่มแรงม้านั้นทำให้ตัดได้เร็วขึ้น แต่จำเป็นต้องใช้สารขัดปริมาณมากขึ้นเช่นกัน ทำให้ต้นทุนสูงขึ้น หรือการเพิ่มหัวเจ็ทซึ่งทำให้ต้องแบ่งกำลังระหว่างหัวเจ็ทหลายหัว จึงแทบจะไม่ช่วยเพิ่มกำลังการผลิต อีกทั้งยังทำให้ผู้ควบคุมเครื่องต้องคอยตรวจสอบว่าหัวเจ็ทแต่ละหัวมีการตัดที่ระดับเท่ากัน หรือการใช้สารขัดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนแรงขึ้น ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้นเนื่องจากราคาของสารขัด และยังส่งผลให้หัวผสมเกิดการสึกหรอเร็วขึ้นอีกด้วย (เร็วกว่าเดิม 5 ถึง 10 เท่า)

แรงดันยิ่งสูง ประสิทธิภาพยิ่งสูง

การเพิ่มแรงดันให้สูงขึ้นหมายถึงประสิทธิภาพที่สูงขึ้น เนื่องจากการเพิ่มแรงดันนั้นช่วยให้การตัดเร็วขึ้นและลดต้นทุนการผลิตต่อระยะการตัด สำหรับการใช้แรงดันที่ 60,000 พีเอสไอ ต้นทุนของผงโกเมน (Garnet Abrasive) จะคิดเป็นสัดส่วนมากกว่าครึ่งหนึ่งของต้นทุนการดำเนินงานของเครื่องจักร แต่ถ้าหากเป็นการใช้งานต่อเนื่องที่ 87,000 พีเอสไอ ต้นทุนสารขัดจะลดลงเหลือไม่ถึงครึ่งหนึ่ง นอกจากนี้ ยังสามารถลดระยะเวลาการเจาะ (ซึ่งหมายถึงระยะเวลาที่ใช้ในการเจาะรูนำ) ลงได้อย่างมากเช่นกัน

รอบระยะเวลาการผลิตที่สั้นลงยังหมายถึงการผลิตชิ้นงานได้จำนวนมากขึ้นในระยะเวลาเท่ากัน และได้ปริมาณงานต่อวันเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ ยังสามารถคืนต้นทุนคงที่ เช่น ค่าเช่าอาคาร ค่าโสหุ้ย และค่าเสื่อมสภาพของอุปกรณ์ ได้เร็วขึ้น ส่งผลให้ธุรกิจได้รับผลกำไรมากขึ้น

การใช้แรงดันสูงขึ้นยังช่วยให้ได้รอยตัดที่ละเอียดมากขึ้น เนื่องจากกระแสน้ำมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลง นอกจากนี้ การบำรุงรักษาก็ง่ายกว่าเนื่องจากเป็นการใช้ปั๊มที่ผ่านการออกแบบใหม่

กระแสน้ำมีพลังงานมากขึ้น รวมทั้งมีการถ่ายพลังงานนี้ไปยังพื้นที่ที่มีขนาดเล็กลง ส่งผลให้สารขัดทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งหมายถึง สารขัดสามารถกัดกร่อนวัสดุได้มากขึ้น ความหนาแน่นของกำลังจะเพิ่มขึ้นโดยสัมพันธ์กับแรงดันใช้งานยกกำลัง 1.5 ตามสูตรคำนวณดังต่อไปนี้

Eda = KP1.5 โดย Eda คือ ความหนาแน่นของกำลัง P คือ แรงดัน K คือ ค่าคงที่

เทคโนโลยีวอเตอร์เจ็ท HyperPressure เหมาะเป็นพิเศษสำหรับการผลิตเป็นจำนวนมากที่ต้องการระยะเวลาการผลิตรวดเร็ว รวมทั้งยังเหมาะสำหรับงานที่ต้องการความเที่ยงตรงสูงด้วยเช่นกัน เนื่องจากกระแสน้ำมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลง 25% ทำให้สามารถตัดบริเวณมุมด้านในได้ละเอียดมากขึ้น ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว จะสามารถตัดรัศมีโค้งได้ต่ำสุดถึง 0.015 นิ้ว

ความเร็วเป็นปัจจัยสำคัญ

แรงดันมีผลทำให้ประสิทธิภาพการทำงานเพิ่มขึ้น นั่นก็เพราะความเร็วของกระแสน้ำ แต่ทำไมถึงเป็นเช่นนั้น? ยิ่งแรงดันสูงขึ้น ความเร็วของกระแสน้ำก็จะยิ่งเพิ่มขึ้น เมื่อกระแสน้ำถูกจ่ายออกจากหัวฉีดแล้ว ปัจจัยที่สำคัญที่สุดก็คือ ความเร็ว หลังจากที่น้ำถูกฉีดออกจากหัวตัด กระแสน้ำนี้จะไม่อยู่ภายใต้แรงดันอีกต่อไป แรงดันของน้ำจะถูกเปลี่ยนรูปเป็นความเร็วของน้ำที่ถูกฉีดออกจากหัวฉีด ยิ่งกระแสน้ำที่ถูกฉีดออกมานั้นเร็วและเล็กขึ้น สารขัดจะยิ่งเคลื่อนที่เร็วมากขึ้น มีโมเมนตัมมากขึ้น และขจัดเนื้อวัสดุชิ้นงานได้มากยิ่งขึ้นและรวดเร็วยิ่งขึ้น ดังนั้น จึงทำให้ใช้ปริมาณสารขัดต่อระยะการตัดน้อยลง เนื่องจากแต่ละอนุภาคของสารขัดสามารถกัดกร่อนวัสดุได้มากขึ้น เป้าหมายที่เราต้องการคือ การทำให้สารขัดเคลื่อนที่เร็วที่สุดเท่าที่จะสามารถทำได้ ดังนั้น ความเร็วของกระแสน้ำจึงเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพ

วิธีเดียวที่จะทำให้กระแสน้ำมีความเร็วสูงขึ้นก็คือ การเพิ่มแรงดัน ไม่ใช่การเพิ่มแรงม้า ซึ่งถึงแม้ว่าอาจจะฟังดูขัดแย้งกันเอง แต่เป็นความจริง ปั๊มแต่ละตัวจะมีขีดจำกัดแรงดันใช้งานสูงสุด ดังนั้น หากต้องการใช้ประโยชน์จากกระแสน้ำความเร็วสูง คุณจึงจำเป็นที่จะต้องมีปั๊มที่ออกแบบมาโดยเฉพาะให้สามารถจ่ายแรงดันได้สูงกว่า

Article by FLOW & MEGA Tech Magazine

There are many reasons for the rapid acceptance of waterjet technology. It is a cold-cutting process that can cut virtually any material without adding heat or stress, and is extremely easy to set up and operate. These advantages allow manufacturers to produce small or large batches of parts quickly for even their toughest projects.

HyperPressure vs. Normal Pressure

ในช่วงแรกที่มีการนำระบบวอเตอร์เจ็ทแรงดันระดับอัลตราไฮ (Ultra High Pressure หรือ UHP) มาใช้นั้น ค่าแรงดันมักจะอยู่ในช่วง 36,000 พีเอสไอ แต่ค่าแรงดันนี้เพิ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ ในทุกทศวรรษ จนเป็น 55,000 พีเอสไอในช่วงปลายทศวรรษ 1980 จนกระทั่งเพิ่มขึ้นเป็น 60,000 พีเอสไอในช่วงกลางทศวรรษ 1990 ซึ่งเป็นค่ามาตรฐานที่ใช้มาจนถึงปัจจุบัน ต่อมาในปี 2004 บริษัท Flow International ได้เปิดตัวปั๊ม HyperJet ที่ให้แรงดันพิกัดอยู่ที่ 94,000 พีเอสไอ สำหรับใช้กับสภาพแวดล้อมการผลิตมาตรฐาน ความก้าวหน้าดังกล่าวถือเป็นการเริ่มยุคใหม่ของระบบตัดเฉือนวอเตอร์เจ็ทแบบ HyperPressure

When ultrahigh-pressure (UHP) waterjets were first introduced, pressures were in the 36,000 psi range. Every decade since, pressure has increased, moving to 55,000 psi by the end of the 1980’s, and reaching the current standard of 60,000 psi in the mid 1990’s. In 2004, Flow International introduced the HyperJet pump, rated at 94,000 psi, into standard manufacturing environments. This breakthrough began the era of HyperPressure cutting with waterjets.

HyperPressure is defined as pressure at or greater than 75,000 psi. With abrasive waterjet cutting, it is actually the abrasive particles within the waterjet stream that erode the material and make the separation cut. The water is the abrasive accelerator. Higher pressure increases the kinetic energy of the abrasive particles contained within it. Water and abrasive particles move faster, the jet diameter becomes smaller, and the jet’s power density and efficiency increases.

Manufacturers quickly discovered that when compared to other pumps that operate at approximately 60,000 psi,the HyperPressure pump dramatically improved productivity. Just as increasing wattage increases CO2 laser cutting productivity, increasing pressure significantly improves waterjet productivity.

However, beyond the approach of raising pressure, many other alternatives to improve productivity were attempted: increasing the horsepower, running multiple heads, using very aggressive abrasives, and optimizing tool paths, to name a few. Of these, the only improvement that has held true is the optimizing of tool paths. Today, advanced waterjet machine tools have tool path optimization that speed up on straight lines and slow down on tight geometry to control finished part anomalies caused by stream lag and also to shorten part cycle times. Even more advanced systems have taper compensation where an articulated wrist tilts the head over slightly to compensate for the naturally occurring V-shaped taper produced by waterjet cutting. The other attempts did not produce efficiency gains for a number of reasons. Increasing horsepower cuts faster but demands a proportional amount of additional abrasive, driving costs up. Adding heads splits the power between the heads doing little for throughput and requiring the operator to ensure both are cutting at precisely the same level. Using more aggressive abrasive drives up operating costs by virtue of the high abrasive cost and also the rapid erosion of the mixing tube nozzle (5 to 10x faster).

Pressure = Productivity

Raising the pressure improves efficiency. Increasing pressure speeds up cutting and reduces cost per inch. At 60,000 psi,the garnet abrasive accounts for over half of the machine operating cost. Running continuously at 87,000 psi, the abrasive cost falls to less than half. Pierce time – the amount of time to drill a start hole – is dramatically reduced as well.

Shorter cycle times mean more parts produced per hour and more jobs completed per day. Fixed cost such as building space, overhead, and equipment depreciation are covered faster which adds to bottom line profitability.

Higher pressure also enables greater cutting detail due to the smaller stream diameter. Maintenance is easier since the new pump is designed

More energy from the waterjet stream is focused on a smaller area, making the abrasive particles more efficient. In other words, each abrasive particle performs more erosion. That power density increases in relation to operating pressure to the power of 1.5 is expressed in this formula

Eda = KP1.5where Eda is power density P is pressure K is a constant

HyperPressure waterjets are ideal for high production environments and where fast turnaround is required. It is also perfect for applications where precision parts are required, since the 25% smaller diameter stream enables more intricate inside corner cutting – commonly down to a 0.015 inch radius.

Velocity Matters

Pressure equals productivity and efficiency because of jet velocity. Why is that so? As pressure goes up, the speed of the stream increases. Once the stream exits the orifice, it’s all about velocity. There is no pressure in the waterjet stream once it exits the cutting head; pressure in the water has been converted to velocity as the water exits the waterjet orifice. A faster and smaller waterjet stream means the abrasive particles move faster, carry more momentum, and remove more material, more aggressively. Less abrasive is used per length of cut because each grain can erode more material. The goal is to make the abrasive go as fast as possible. Stream velocity is the key to efficiency.

The only way to make a waterjet stream go faster is to raise pressure – not through increasing horsepower. This might seem counter-intuitive, but it is true. Every pump has a maximum operating pressure so to gain the benefits of a higher velocity stream you must have a pump designed to operate at higher pressure.

Article by FLOW & MEGA Tech Magazine

ウォータージェット技術の急速な受け入れには多くの理由があります。これは、熱や応力を加えることなく実質的にあらゆる材料を切断できるコールドカットプロセスであり、セットアップと操作が非常に簡単です。これらの利点により、メーカーは、最も困難なプロジェクトでも、小ロットまたは大ロットの部品を迅速に製造できます。

HyperPressure対Normal Pressure (ノーマルプレッシャー)

超高圧（UHP）ウォータージェットが最初に導入されたときには、圧力は36,000 psiの範囲でした。それから10年ごとに、圧力は増加し、1980年代の終わりには55,000 psiに移動し、1990年代半ばには現在の標準である60,000 psiに達しました。2004年、Flow Internationalは94,000 psiのHyperJetポンプを標準的な製造環境に導入しました。このブレークスルーは、ウォータージェットによるHyperPressure切断の時代を開始しました。

HyperPressureは、75,000 psi以上の圧力として定義されます。研磨ウォータージェット切断では、材料を侵食して分離カットを行うのは、実際にはウォータージェット流内の研磨粒子です。水は研磨促進剤です。より高い圧力は、その中に含まれる研磨粒子の運動エネルギーを増加させます。水と研磨粒子の動きが速くなり、ジェットの直径が小さくなり、ジェットの出力密度と効率が向上します。

製造業者は、約60,000 psiで動作する他のポンプと比較すると、HyperPressureポンプは生産性を劇的に改善しました。ワット数を増やすとCO2レーザー切断の生産性が向上するように、圧力を上げるとウォータージェットの生産性が大幅に向上します。

しかし、圧力を上げるというアプローチ以外にも、生産性を向上させるための多くの他の代替手段が試みられた：馬力の増加、複数のヘッドの実行、非常に攻撃的な研磨剤の使用、ツールパスの最適化などです。これらのうち、あてはまる唯一の改善は、ツールパスの最適化です。現在、高度なウォータージェット工作機械には、直線上で高速化し、タイトなジオメトリ上で減速するツールパス最適化があり、ストリームラグに起因する完成部品の異常を制御し、部品サイクル時間を短縮します。さらに高度なシステムには、関節付きの手首がヘッドをわずかに傾けてテーパー補正を行い、ウォータージェット切断によって自然に発生するV字型のテーパーを補正します。他の試みでは、いくつかの理由で効率が向上しませんでした。馬力の増加はより速くカットされるが、それに比例して追加の研磨剤が必要となり、コストがかかります。ヘッドを追加すると、スループットがほとんど低下し、オペレーターが両方を正確に同じレベルで切断することを保証する必要があるため、ヘッド間で電力が分割されます。より積極的な研磨剤を使用すると、研磨剤のコストが高く、混合チューブのノズルが急速に侵食されるため、運用コストが増加します。（5〜10倍高速）

圧力=生産性

圧力を上げると効率が向上します。圧力を上げると切断速度が上がり、インチあたりのコストが削減されます。60,000 psiのガーネット研磨剤は、機械の運転コストの半分以上を占めています。87,000 psiで連続運転すると、研磨コストは半分以下に下がります。ピアス時間–開始穴を開ける時間も劇的に短縮されます。

サイクル時間が短くなると、1時間あたりの生産部品数が増え、1日あたりのジョブ数が増えます。建物のスペース、オーバーヘッド、設備の減価償却などの固定費がより早くカバーされ、最終的な収益性が向上します。

また、圧力が高いほど、ストリームの直径が小さくなるため、切断の詳細が大きくなります。新しいポンプが設計されているため、メンテナンスが容易です。

ウォータージェットストリームからのより多くのエネルギーがより小さい領域に集中し、研磨粒子をより効率的にします。言い換えれば、各研磨粒子はより多くの侵食を実行します。動作圧力に対して出力密度が1.5に増加することは、次の式で表されます。

Eda = KP1.5 5 　但し Edaは電力密度 Kは定数

HyperPressureウォータージェットは、高生産環境や高速なターンアラウンドが必要な場所に理想的です。また、直径が25％小さいストリームにより、通常は半径0.015インチまでの複雑な内側コーナーの切断が可能になるため、精密部品が必要なアプリケーションにも最適です。

速度の問題

ジェット速度のため、圧力は生産性と効率に等しくなります。どうしてこうなるのでしょうか？圧力が上がると、ストリームの速度が上がります。ストリームがオリフィスを出ると、速度がすべてとなります。ウォータージェット流がカッティングヘッドを出ると、ウォータージェット流には圧力がかかりません； 水がウォータージェットオリフィスを出ると、水の圧力が速度に変換されます。さらに速く、さらに小さなウォータージェットストリームは、研磨粒子がさらに速く移動し、さらに多くの運動量を運び、さらに積極的にさらに多くの材料を除去することを意味します。各粒がさらに多くの材料を侵食する可能性があるため、カットの長さごとに使用される研磨剤が少なくなります。目標は、研磨剤を可能な限り速くすることです。ストリーム速度は、効率化の鍵です。

ウォータージェットの流れを速くする唯一の方法は、馬力を増やすことではなく、圧力を上げることです。これは直感に反するように思えるかもしれませんが、真実です。すべてのポンプには最大動作圧力があり、そのためさらに高速の流れの利点を得るには、さらに高い圧力で動作するように設計されたポンプが必要となります。

Article by FLOW & MEGA Tech Magazine