탄소 섬유의 워터젯 절단:장점, 단점 및 모범 사례

워터젯이란 무엇인가요?

워터젯은 펌프를 사용하여 폼부터 8+" 강철판까지 모든 것을 절단할 수 있는 고압(최대 90,000psi)의 물줄기를 생성합니다. 금속이나 탄소 섬유를 절단할 때 석류석과 같은 연마재가 절단 과정을 보조하는 데 사용됩니다. (워터젯 작동 방식에 대한 자세한 내용은 게시물 하단의 "소스" 링크를 참조하세요.)

이제 워터젯이 왜 탄소 섬유 절단에 좋은 도구인지 살펴보겠습니다.

부품 두께

워터젯의 가장 큰 장점 중 하나는 매우 두꺼운 카본 패널을 상대적으로 쉽게 절단할 수 있다는 것입니다. 라우터를 사용하면 두꺼운 부품에 더 많은 패스가 필요하므로 시간이 걸리고 비트가 더 많이 마모됩니다. 또한 깊은 슬롯에서 칩과 먼지를 제거하는 것에 대해서도 걱정해야 합니다. 또한 적절한 튜닝을 통해 깊이로 인해 라우터에서는 불가능했던 작은 부분을 쉽게 잘라낼 수 있습니다.

속도

특히 작은 부분에 대한 워터젯의 절단 속도는 라우터를 사용하는 것보다 훨씬 빠릅니다. 라우터의 경우 절단 깊이와 이송 속도는 라우터 비트의 크기와 부품 두께에 따라 달라집니다. 비트가 작고 두꺼운 부품은 여러 번의 패스가 필요한 반면, 워터젯은 동일한 부품을 한 번의 패스로 절단할 수 있으며 일반적으로 더 빠른 공급 속도를 사용합니다.

먼지 예방

워터젯 사용의 또 다른 주요 이점은 먼지 억제입니다. 탄소섬유 작업 시 가장 우려되는 점 중 하나는 먼지입니다. 탄소 섬유 먼지는 기계 내부 작동에 유입되어 부품이 평소보다 더 빨리 갈리거나 마모될 수 있습니다. 또한 흡입하면 자극적이며 피부에 닿으면 가려움증을 유발할 수 있습니다. 워터젯을 사용하면 모든 탄소 먼지가 물 탱크로 분사되어 적절한 폐기를 위해 더 쉽게 처리할 수 있습니다. 값비싼 먼지 배출 시스템이 필요하지 않습니다.

타이트한 컷 패턴

워터젯의 제트 직경은 대략 0.025인치로 조정될 수 있으며, 이를 통해 매우 작은 구멍이나 내부 특징을 절단할 수 있는 디자인이 가능해집니다. 이 도구 직경은 내부 사각형 형상에 가깝게 절단하는 데에도 사용할 수 있습니다.

 

단점

탄소 섬유 절단에 워터젯을 사용하면 많은 장점이 있지만 몇 가지 단점도 있습니다. 다음 몇 섹션에서는 이러한 영역을 다룰 것입니다.

가장자리 마감

워터젯은 강한 탄소 섬유를 절단하기 위해 연마재를 사용하기 때문에 가장자리의 표면이 약간 거칠 수 있습니다. 이는 가넷 메쉬 크기(연마재가 미세할수록 마무리가 미세해짐)와 공급 속도로 제어할 수 있습니다. 일부 부품의 경우 이 마감 처리가 허용되지만 다른 부품은 더 부드러운 마감을 위해 샌딩 처리가 필요합니다. 가장자리를 청소하는 데 소요되는 시간은 워터젯에서 부품을 절단함으로써 얻을 수 있는 이점 중 일부를 상쇄할 수 있습니다. 대량의 부품을 가공하는 경우 절삭 속도와 부품 복잡성 간의 균형을 고려해야 합니다.

역류

탄소 섬유를 절단할 때 우려되는 또 다른 부분은 슬랫 중 하나를 통과할 때 발생하는 역류입니다. 워터젯 탱크는 탱크 폭에 걸쳐 작업 재료를 지지하는 표면을 제공하는 금속 슬레이트를 사용합니다. 고압 제트가 강철 슬레이트 위를 통과할 때 물과 연마재 제트가 위로 편향되어 본질적으로 부품 뒷면에 모래 분사가 발생합니다. 일반적으로 금속 부품에서는 눈에 띄지 않지만 탄소 부품 표면의 일부가 손상될 수 있습니다.

다행히도 이 문제를 해결할 수 있는 솔루션이 있습니다. Elevated Materials에서는 Rhino 보드 위에서 부품을 자릅니다. Rhino 보드는 HDPE "빨대"로 구성되어 있어 제트가 탄소 쪽으로 다시 불어가지 않고 통과할 수 있습니다. 셀 크기가 작기 때문에 탱크에 들어갈 염려 없이 작고 복잡한 부품을 절단할 수 있습니다.

상대적으로 큰 규모의 대용량 프로젝트의 경우, 제트가 물 위에서만 절단되도록 탱크 바닥에서 돌출된 고정 장치를 만듭니다. 그런 다음 흡입 컵을 사용하여 부품을 제자리에 고정합니다. 이러한 고정 장치를 사용하여 동일한 부품을 1000개 이상 절단했으며 주요 구성 요소를 변경할 필요가 없었습니다.

박리

워터젯으로 탄소 섬유를 절단하는 또 다른 과제는 구멍을 뚫는 것입니다. 고압 워터 제트는 탄소 섬유 층 사이의 수지를 부식시켜 분리 또는 박리를 유발하여 부품을 약화시킬 수 있습니다.

많은 제조업체에서는 다른 기계에 미리 구멍을 뚫은 다음 절단을 위해 부품을 워터젯으로 가져옵니다. 물론 이 방법의 단점은 워터젯 절단 경로와 미리 뚫은 구멍이 잘못 정렬될 위험이 있다는 것입니다.

Elevated Materials에서는 박리를 방지하기 위해 탄소 섬유를 관통하는 방법을 완성하는 데 많은 시간과 자원을 투자했습니다. 이 기술은 제트의 압력을 약 10KSI(10,000psi)로 낮추고 고압 물보다 먼저 가넷이 노즐에서 나오도록 하는 것과 관련이 있습니다. 우리는 제트가 켜지기 전에 노즐을 통해 가넷을 끌어당겨 가넷이 물보다 먼저 부품에 닿도록 하는 진공 보조 밸브를 사용합니다. 고압의 물이 부품에 저절로 닿으면 부품이 박리됩니다.

두께가 1인치가 넘는 부분을 박리 없이 뚫고 잘라냈습니다.

가늘어지는 가장자리

워터젯 절단 시 해결해야 할 또 다른 문제는 점점 가늘어지는 가장자리입니다. 워터젯은 노즐을 통과하는 고압 흐름이므로 노즐에서 더 멀리 이동할수록 팽창합니다. 부품이 노즐 끝에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 따라 절단 중인 부품에 도달할 때 제트가 얼마나 확장되는지가 결정됩니다. 부품이 멀어질수록 제트가 더 많이 확장될 수 있습니다. 확장된 제트기는 분사된 듯한 느낌을 주며 품질이 낮고 속도가 느려집니다.

가장자리 테이퍼는 연방 속도를 높이거나 낮추어 조정할 수 있습니다. 또한 틸팅 또는 동적 헤드 제어 시스템을 사용하여 제어할 수도 있습니다. 아래 이미지는 올바른 압력이나 이송 속도가 없을 경우 발생할 수 있는 몇 가지 테이퍼 문제를 보여줍니다.

비용

흥미롭게도 라우팅과 워터젯 절단의 비용은 비슷합니다. 한편으로는 워터젯의 고정 장치, 노즐 및 오리피스와 같은 연마재 및 소모품과 라우팅 대 연마재에 대해 지속적으로 교체해야 할 비트와 먼지 추출에 대해 걱정해야 합니다. 라우터 테이블이나 워터젯 구매를 고려 중이라면 워터젯이 더 비쌀 것입니다. 중고 제품의 최저 가격은 $25,000-$60,000이고 새 제품의 경우 최대 $200,000+입니다. 새로운 데스크탑 워터젯이 최근 5,000달러 미만의 가격으로 출시되었습니다. https://www.wazer.com/. 반면에 라우터는 훨씬 오랫동안 제조업체 커뮤니티에 있었으며 데스크톱 모델의 경우 1,500달러부터 시작할 수 있습니다. 여러 축으로 절단할 수 있는 보다 견고한 산업용 기계의 경우 머시닝 센터의 가격은 약 $40,000부터 시작하고 5축 기계의 경우 $100,000가 훨씬 넘습니다.

출처:
워터젯 기본 사항:https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
Rhino 보드:http://www.rhinoboardwj.com/
Omax 테이퍼형 가장자리: https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper