탄소 섬유 워터젯 절단: 장점, 단점, 모범 사례

워터젯이란?

워터젯은 펌프를 사용하여 최대 90,000 psi의 고압 물 분사를 생성하여 폼부터 8인치 이상 강판까지 모든 것을 절단할 수 있습니다. 금속이나 탄소 섬유를 절단할 때 가넷 같은 연마재를 사용하여 절단 공정을 돕습니다. (워터젯 작동 원리에 대한 자세한 내용은 하단의 "출처" 링크를 참조하세요.)

이제 워터젯이 탄소 섬유 절단에 왜 그렇게 좋은 도구인지 살펴보겠습니다.

부품 두께

워터젯의 큰 장점 중 하나는 매우 두꺼운 탄소 패널을 상대적으로 쉽게 절단할 수 있다는 것입니다. 라우터로는 두꺼운 부품에 더 많은 패스가 필요하여 시간이 걸리고 비트 마모가 심합니다. 깊은 슬롯에서 칩과 분진을 제거하는 것도 걱정해야 합니다. 또한 적절한 튜닝으로 라우터로는 불가능한 작은 형상도 깊이 때문에 쉽게 절단할 수 있습니다.

속도

워터젯의 절단 속도, 특히 작은 형상의 경우 라우터 사용보다 훨씬 빠릅니다. 라우터로는 절단 깊이와 이송 속도가 라우터 비트 크기와 부품 두께에 의존합니다. 더 작은 비트와 더 두꺼운 부품은 여러 패스가 필요하지만, 워터젯은 같은 부품을 한 패스로, 보통 더 빠른 이송 속도로 절단할 수 있습니다.

분진 방지

워터젯 사용의 또 다른 주요 이점은 분진 억제입니다. 탄소 섬유 작업 시 주요 우려 사항 중 하나는 분진입니다. 탄소 섬유 분진은 기계 내부로 들어가 부품이 정상보다 더 빨리 마모되거나 갈리게 할 수 있습니다. 흡입 시 자극이 되거나 피부에 닿으면 가려움증을 유발할 수 있습니다. 워터젯에서는 모든 탄소 분진이 물 탱크로 분사되어 적절한 폐기 처리가 더 쉽습니다. 비싼 분진 배기 시스템이 필요하지 않습니다.

긴밀한 절단 패턴

워터젯의 제트 직경은 약 0.025인치로 조정할 수 있어 매우 작은 구멍이나 내부 형상이 있는 설계를 절단할 수 있습니다. 이 공구 직경은 내부 정사각형 형상에 매우 가깝게 절단하는 데도 사용할 수 있습니다.

단점

탄소 섬유 절단에 워터젯 사용에는 많은 장점이 있지만 단점도 있습니다. 다음 섹션에서 이러한 영역을 다룰 것입니다.

가장자리 마감

워터젯이 강한 탄소 섬유를 절단하기 위해 연마재를 사용하기 때문에 가장자리가 약간 거친 표면을 가질 수 있습니다. 이는 가넷 메쉬 크기(연마재가 더 미세할수록 마감이 더 미세함)와 이송 속도로 제어할 수 있습니다. 일부 부품에는 이 마감이 허용되지만, 다른 부품은 더 부드러운 마감을 위해 샌딩이 필요합니다. 가장자리를 정리하는 데 소요되는 시간은 워터젯에서 부품을 절단하여 얻은 이점의 일부를 상쇄할 수 있습니다. 대량 부품을 생산하는 경우 절단 속도와 부품 복잡성 사이의 균형을 고려해야 합니다.

블로우백

탄소 섬유 절단 시 또 다른 우려 사항은 슬랫 위를 지날 때 발생하는 블로우백입니다. 워터젯 탱크는 탱크 폭을 가로지르는 금속 슬랫을 사용하여 작업 소재를 지지하는 표면을 제공합니다. 고압 제트가 강철 슬랫 위를 지날 때 물과 연마재 제트가 위로 튕겨 올라가 부품 뒷면을 샌드블라스팅하는 효과를 냅니다. 일반적으로 금속 부품에서는 눈에 띄지 않지만 탄소 부품 표면을 망칠 수 있습니다.

다행히 이 문제를 해결하는 솔루션이 있습니다. Elevated Materials에서는 라이노 보드 위에서 부품을 절단합니다. 라이노 보드는 제트가 블로우백 없이 통과할 수 있게 하는 HDPE "스트로우"로 구성되어 있습니다. 작은 셀 크기로 작은 복잡한 부품을 탱크에 빠질 걱정 없이 절단할 수 있습니다.

상대적으로 큰 크기의 대량 프로젝트의 경우 탱크 바닥에서 돌출되는 고정물을 만들어 제트가 물 위에서만 절단되도록 합니다. 부품은 흡착 컵으로 고정됩니다. 이 고정물로 1000개 이상의 동일한 부품을 절단했고 주요 부품을 교체하지 않았습니다.

박리

워터젯으로 탄소 섬유를 절단할 때의 또 다른 과제는 구멍 뚫기입니다. 고압 물 제트가 탄소 섬유 층 사이의 수지를 파먹어 분리 또는 박리를 일으켜 부품을 약화시킬 수 있습니다.

많은 제조업체는 다른 기계에서 구멍을 미리 뚫은 다음 부품을 워터젯으로 가져와 절단합니다. 이 방법의 단점은 당연히 워터젯 절단 경로를 미리 뚫은 구멍과 정렬하지 못할 위험입니다.

Elevated Materials에서는 박리를 방지하기 위해 탄소 섬유 뚫기 방법을 완벽ing하는 데 많은 시간과 자원을 투자했습니다. 이 기술은 제트 압력을 약 10KSI(10,000 psi)로 낮추고 고압 물이 나오기 전에 가넷이 노즐에서 나오도록 하는 것과 관련이 있습니다. 제트가 켜지기 전에 가넷이 노즐을 통해 당겨지도록 진공 어시스트 밸브를 사용하여 가넷이 물보다 먼저 부품에 닿도록 합니다. 고압 물이 단독으로 부품에 닿으면 부품이 박리됩니다.

우리는 1인치 이상 두꺼운 부품을 박리 없이 뚫고 절단했습니다.

테이퍼드 가장자리

워터젯 절단으로 해결해야 할 또 다른 문제는 테이퍼드 가장자리입니다. 워터젯은 노즐을 통해 통과하는 고압 스트림으로, 노즐에서 멀어질수록 팽창합니다. 부품이 노즐 팁에서 얼마나 멀리 있는지에 따라 부품에 도달할 때 제트가 얼마나 팽창했는지 결정됩니다. 부품이 더 멀리 있을수록 제트가 더 많이 팽창할 수 있습니다. 팽창된 제트는 샌드블라스팅된 외관과 낮은 품질, 더 느린 속도의 절단을 남깁니다.

가장자리 테이퍼는 이송 속도를 높이거나 낮춰 조정할 수 있습니다. 틸팅 또는 다이내믹 헤드 제어 시스템을 사용하여 제어할 수도 있습니다. 아래 이미지는 올바른 압력이나 이송 속도가 없을 때 직면할 수 있는 가능한 테이퍼 문제를 보여줍니다.

비용

흥미롭게도 비용은 라우팅과 워터젯 절단 간에 비슷하게 나옵니다. 한편으로는 라우팅의 경우 비트를 지속적으로 교체하고 분진 추출을 걱정해야 하는 반면, 워터젯의 경우 연마재와 고정물, 노즐, 오리피스 같은 소모품이 있습니다. 라우터 테이블이나 워터젯 구매를 고려 중이라면 워터젯이 더 비쌉니다. 중고는 저가형으로 $25,000-$60,000, 신품은 $200,000+입니다. 새로운 데스크톱 워터젯이 최근 $5,000 미만으로 출시되었습니다. https://www.wazer.com/. 반면 라우터는 메이커 커뮤니티에서 훨씬 더 오래되었으며 데스크톱 모델이 $1,500부터 시작합니다. 여러 축으로 절단할 수 있는 더 견고한 산업용 기계의 경우 머시닝 센터가 약 $40,000부터 시작하여 5축 기계는 $100,000을 훨씬 넘을 수 있습니다.

출처:
워터젯 기초: https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
라이노 보드: https://www.rhinoboardwj.com/
Omax 테이퍼드 가장자리: https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper