Markus Koponen
ABRASIIVISEN VESILEIKKAUKSEN TEKNIIKKA JA OPTIMOINTI
Kandidaatintyö
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta
Tarkastaja: Jouko Kiviö
Marraskuu 2020
TIIVISTELMÄ
Markus Koponen: Abrasiivisen vesileikkauksen tekniikka ja optimointi Technique and Optimization of Abrasive Waterjet Cutting
Kandidaatintyö, 29 sivua Tampereen yliopisto
Teknisten tieteiden tutkinto-ohjelma, Konetekniikka Marraskuu 2020
Vesileikkaus on valmistusmenetelmä, jossa korkeapaineisen vesisuihkun kineettistä voimaa käytetään erilaisten materiaalien, kuten esimerkiksi puun, metallin ja kiven, leikkaamiseen.
Vesisuihkun sekaan voidaan sekoittaa esimerkiksi granaatista valmistettuja abrasiivipartikkeleja, jotka moninkertaistavat vesileikkauksen leikkaustehon. Tätä kutsutaan abrasiiviseksi vesileikkaukseksi, jota käytetään paksujen ja kovien materiaalien leikkauksessa. Työssä tehdään kirjallisuusselvitys abrasiivisen vesileikkauksen teoriasta, laitteistosta ja leikkausparametrien optimoinnista, mutta saatuja tuloksia voidaan myös soveltaa puhtaan veden vesileikkaukseen.
Työ jakautuu kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa käsitellään vesileikkauksen teoriaa ja toimintaperiaatetta. Teoriaosuudessa selvitetään leikkauksen toiminnan periaatetta ja määritetään esimerkiksi suuttimesta purkautuvan vesisuihkun ja abrasiivipartikkelien nopeutta.
Samassa osassa tutkitaan myös vesileikkauksen laitteistoa. Laitteistossa on tärkeää olla oikeanlaiset komponentit ja käyttöarvot, koska etenkin ultrakorkeisiin paineisiin mentäessä korkeapainepumppujen kulutusosat alkavat väsyä, mikä voi johtaa ylimääräisiin huoltokustannuksiin.
Työn toisessa osassa käydään läpi vesileikkauksen käyttöä, eli määritetään optimaalisia leikkausparametreja, abrasiivien arvoja, sekä leikkauksen käyttöä teollisuudessa. Kuten oikeanlaisten komponenttien valinta, niin myös optimaalisten leikkausparametrien ja abrasiivien arvojen määrittäminen on tärkeää tehokkuuden sekä kustannusten kannalta. Toisen osan lopussa selvitetään vielä leikkauksen kustannuksia ja verrataan vesileikkausta suhteessa muihin kilpaileviin menetelmiin. Työssä määriteltyjä optimaalisia leikkausparametreja ja laitteiston osia käyttäen, vesileikkauksesta saadaan kilpailukykyinen muihin menetelmiin nähden. Etenkin tarkkuudeltaan ja tehokkuudeltaan vesileikkaus on yksi parhaista leikkausmenetelmistä.
Kustannuksissa on kuitenkin vielä parannettavaa muihin menetelmiin nähden, koska etenkin abrasiivin käyttö leikkauksessa tuo paljon lisäkustannuksia. Kustannukset pystytään pitämään kuitenkin kohtuullisina oikeanlaisella laitteistolla ja sopivilla leikkausparametreillä.
Avainsanat: vesileikkaus, tekniikka, optimointi, abrasiivinen vesileikkaus, valmistusmenetelmä, leikkausmenetelmä
Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
1. JOHDANTO ... 1
2.TEORIA JA TOIMINTAPERIAATE ... 2
2.1 Puhdasvesileikkaus ja abrasiivinen vesileikkaus ... 2
2.2 Tekniikka ja rakenne ... 3
2.2.1 Ohjauslaitteisto ... 4
2.2.2Pumppu ... 5
2.2.3 Leikkauspää ... 10
2.2.4Vesisuihkun ja abrasiivipartikkelien nopeus ... 13
3.VESILEIKKAUKSEN KÄYTTÖ ... 17
3.1 Leikkausparametrit ... 17
3.2 Abrasiivien määrittely... 19
3.2.1 Abrasiivin materiaali ja koko ... 19
3.2.2Abrasiivin määrä ... 21
3.3 Vesileikkaus teollisuudessa ... 23
3.3.1Kustannukset ... 23
3.3.2 Vertailu kilpaileviin menetelmiin ... 24
4.YHTEENVETO ... 26
LÄHTEET ... 27
KUVALUETTELO
Kuva 1. Tyypillinen leikkaustulos puhtaan veden leikkauksen ja abrasiivilla
leikkausta verratessa ... 3
Kuva 2. Abrasiivisen vesileikkauslaitteiston rakenne ... 4
Kuva 3. WARDJet Infini Winder ... 5
Kuva 4. Paineenkorotuspumpun rakenne ... 7
Kuva 5. Suoravetoinen pumppu ... 8
Kuva 6. Leikkauspään osat . ... 11
Kuva 7. Yhtäjaksoinen suutin ja suutin, jossa on safiirinen kulutusosa ... 12
Kuva 8. Abrasiivipartikkelien sekoittuminen vesisuihkun sekaan ... 13
Kuva 9. Begic-Hajdarevicin et al. tutkimuksessa oleva 15 mm paksu alumiinilevy ... 18
Kuva 10. Begic-Hajdarevicin et al. tutkimuksen mittatulokset ... 19
Kuva 11. Leikkaustehokkuus ja leikkauskustannukset suhteessa abrasiivihiekan määrään. Pe-rustuu lähteeseen ... 22
Kuva 12. Abrasiivisen vesileikkauksen vuosittaisten kustannusten jakautuminen prosentteina ... 24
Abrasiivi Usein granaatista tai oliviinista valmistettu hioma-aine, jota voidaan sekoittaa vesisuihkuun. Tuo vesileikkaukseen lisää tehokkuutta.
CAD Computer Aided Design
CAM Computer Aided Manufacturing
𝐶𝑑 Purkauskerroin (engl. Coefficient of Discharge)
CNC Computer Numerical Control
𝐸𝑤0 Bridgmanin datasta saatu muuttuja, arvoltaan 2135 MPa
HMI Human Machine Interface
𝑛1 Bridgmanin datasta saatu muuttuja, arvoltaan 7,15
𝑣𝑗 Vesisuihkun nopeus
𝑣𝑡ℎ Vesisuihkun teoreettinen nopeus
P Vedenpaine
PLC Programmable Logic Controller
𝑅 Tilavuussuhde. Kuvaa abrasiivin määrää vedessä prosentteina
𝜌 Veden tiheys
𝜌0 Puhtaan veden tiheys 4 °C asteessa, 1000 kg/m3
𝑚̇ Veden massavirta
QNX Unixin kaltainen käyttöjärjestelmä
1
1. JOHDANTO
Vesileikkaus on eroosioon perustuva leikkausmenetelmä, jossa korkeapaineistetun vesisuihkun kineettistä voimaa käytetään materiaalien leikkaamiseen. Koska leikkauksessa käytetään veden kineettistä voimaa, ei lämpöä synny materiaalia leikatessa. Näin ollen leikkaus ei aiheuta termisiä muodonmuutoksia materiaaliin ja leikkausjälki pysyy materiaalin värisenä. (Laserle 2020) Vesileikkaus mahdollistaa myös sekä monikerroksisten, että lämpöherkkien -materiaalien, kuten esimerkiksi puun ja kestomuovin, leikkaamisen (MicroStep 2020). Etenkin näiden etujen ansiosta vesileikkausta voidaan pitää kilpailukykyisenä muihin leikkausmenetelmiin nähden.
Veden käyttöä leikkausmenetelmissä on hyödynnetty jo vuosikymmeniä. 1930-luvulla vesileikkauksen teknologiaa alettiin hyödyntämään paperin leikkauksessa, ja ajan myötä alettiin ymmärtämään myös abrasiivin lisäämisen hyödyt (Precision 2016). Suurta kehitystä viime vuosina on tapahtunut etenkin veden paineen nostamisessa, mikä mahdollistaa lujien materiaalien leikkaamisen, ja tätä kautta kilpailemisen muiden leikkausmenetelmien kanssa.
Tässä kandidaatintyössä tutkitaan vesileikkauksen tekniikkaa ja leikkausparametrien optimointia, sekä vertaillaan vesileikkausta muihin kilpaileviin leikkausmenetelmiin nähden. Työssä tehdään kirjallisuusselvitys aiheesta tutkimalla tieteellisiä kirjoituksia ja tutkimustuloksia.
2. TEORIA JA TOIMINTAPERIAATE
Vesileikkauksessa vettä paineistetaan korkeapainepumppujen avulla yleisesti noin 100 – 400 MPa:n paineeseen, josta se ohjataan suuttimen avulla leikattavaan pintaan.
Vesisuihkun osuessa materiaalin pintaan leikattavasta materiaalista irtoaa partikkeleja, jotka huuhtoutuvat veden mukana pois. Vesileikkauksessa voidaan käyttää puhdasta vettä, jolla onnistuu pehmeiden materiaalien, kuten esimerkiksi puun, muovin ja elintarvikkeiden, leikkaaminen. Microstep (2020) tuo esille, että vaihtoehtoisesti veden sekaan voidaan sekoittaa hioma-ainetta eli abrasiivia, esimerkiksi granaattia tai oliviinia, joka lisää vesisuihkun leikkauskykyä. Tätä kutsutaan abrasiiviseksi vesileikkaukseksi, jota käytetään etenkin kovien materiaalien, kuten esimerkiksi metallien ja kivien, leikkauksessa (MicroStep 2020).
2.1 Puhdasvesileikkaus ja abrasiivinen vesileikkaus
Paremman leikkaustehon ansiosta (katso kuva 1) teollisuudessa käytetään abrasiivista vesileikkausta enemmän kuin puhtaan veden vesileikkausta. Puhtaan veden vesileikkauksellekin on kuitenkin käyttöä, koska esimerkiksi elintarvikkeita leikattaessa elintarvikkeisiin ei jää leikkauksesta abrasiivihiekkaa. Lisäksi leikkaus on halvempaa, sillä sen käyttämisessä ei tarvita abrasiivihiekkaa, mikä tuokin suurimmat kustannukset vesileikkauksen päivittäisessä käytössä (katso 3.3.1 Kustannukset). Kuvasta 1 nähdään, kuinka paljon tehokkaammin abrasiivin avulla leikkaus onnistuu, kun näytekappaletta on leikattu 245 MPa:n paineella, 300 mm:n leikkuuetäisyydellä ja 600 mm/min:n leikkuunopeudella (Oh & Cho 2014). Pitkän leikkuuetäisyyden takia abrasiivilla leikkaamisesta on syntynyt suuri railo ja pyöristyneet reunat puhtaalla vedellä leikkaamiseen verrattuna.
3
Kuva 1. Tyypillinen leikkaustulos puhtaan veden leikkauksen ja abrasiivilla leikkausta verratessa. Leikkuupaine 245 MPa, leikkuuetäisyys 300 mm ja leikkuunopeus 600 mm/min. Perustuu lähteeseen (Oh & Cho 2014, s. 749).
Abrasiivisessa vesileikkauksessa veden seassa olevat abrasiivipartikkelit tekevät suurimman osan leikkauksesta (Liu & Schubert 2012, s. 213). Näin ollen teoriassa leikkaus voitaisiin suorittaa pelkällä abrasiivihiekalla. Ongelmana on, että pelkkiä abrasiivipartikkeleja on vaikeaa saada purkautumaan ulos suuttimesta samalla nopeudella, jolla vesi saadaan. Vettä on hyvä käyttää antamaan abrasiivipartikkeleille nopeus, koska vettä voi pumpata helposti letkun läpi ja sen sekaan saadaan helposti lisättyä haluttu määrä abrasiivipartikkeleja.
2.2 Tekniikka ja rakenne
Tämä luku käsittelee pääsääntöisesti teollisuudessa käytetymmän abrasiivisen vesileikkauksen tekniikkaa, mutta se on sovellettavissa myös puhtaan veden vesileikkaukseen. Vesileikkauksen laitteistoon kuuluvat korkeapainepumppu, korkeapaineletkut, leikkauspää, ohjauslaitteisto sekä tarvittaessa abrasiivin syöttölaitteisto (Singh et al. 2019). Alla olevassa kuvassa 2 on esitetty abrasiivisen vesileikkauksen laitteiston kaavamainen rakenne.
Kuva 2. Abrasiivisen vesileikkauslaitteiston rakenne. Perustuu lähteeseen (Singh et al. 2019).
Puhtaan veden vesileikkauksessa voidaan käyttää normaalia suodatettua hanavettä.
Veden purkautuessa suurella vauhdilla suuttimesta vesisuihku kuitenkin saattaa sisältää ilmaa, jolloin vesisuihku pirstaloituu ja leikkausteho vähenee. Tällaisessa tapauksessa veden sekaan voidaan lisätä stabilisaattoreita (pitkäketjuisia polymeerejä) ehkäisemään pirstoutumista. (IIT Kharagpur 2020)
2.2.1 Ohjauslaitteisto
Laitteistoa ohjataan tietokoneella. Hace ja Jezernik (2004) ovat käyttäneet laitteiston ohjaamisessa PC-pohjaista tietokonetta Computer Numerical Control (CNC) - ohjauksella, joka on rakennettu reaaliaikaiselle QNX-sovellusalustalle. Microsoft Windows, joka on yleisesti hyväksytty graafinen käyttöliittymäympäristö, toimii tässä ihmisen ja tietokoneen välisenä käyttöliittymänä (Human Machine Interface, HMI). CNC- ohjain ja HMI ovat kytketty toisiinsa Ethernet TCP/IP -linkillä. Ohjausjärjestelmä tukee Computer Aided Design (CAD) ja Computer Aided Manufacturing (CAM) -mallinnusta.
(Hace & Jezernik 2004)
CAD/CAM -ohjelmien avulla voidaan suunnitella sekä 2D- että 3D-osia, joita vesileikkauksen laitteistolle voidaan viedä leikattavaksi. 3D-leikkauksen mahdollistaa kääntyvä leikkauspää. WARDJet on tuonut markkinoille 5-akselisen Infini Winder- leikkauspään, joka mahdollistaa kulman leikkauksen 90°:seen asti. Infini Winder pystyy myös pyörimään akselinsa ympäri rajattomasti, sillä siinä ei ole letkuja, jotka kietoutuvat kiinni leikkauspään pyöriessä. (Anderson 2017; WARDJet 2020)
5
Kuva 3. WARDJet Infini Winder, joka mahdollistaa 3D-leikkaamisen (Anderson 2017)
2.2.2 Pumppu
Korkeapainejärjestelmää valittaessa usein yksi tärkeimmistä valinnoista on sopivan pumpun valitseminen. Ensimmäiset vesileikkausjärjestelmät käyttivät järjestelmissään vain paineenkorotuspumppuja (engl. intensifier pump), sillä se oli ainoa pumppu, joka pystyi tuottamaan vesileikkaukselle tarpeeksi korkeita paineita (Liu & Schubert 2012, s.
210). Kamashian (2019) kertoo, että useimmat vesileikkausjärjestelmien valmistajat käyttävät järjestelmissään nykyään paineenkorotuspumppuja, joissa pumpun mäntiä käytetään hydraulisesti. Kuitenkin esimerkiksi hyvin alalla pärjännyt Omax käyttää pumppuina vain suoravetoisia pumppuja (engl. direct drive pump), joissa mäntää käytetään suoraan mekaanisesti. Pumpun valinnassa on tärkeää ottaa huomioon pumpun teho, paineentuotto ja kustannukset. Korkeampi vedenpaine auttaa etenkin puhtaan veden vesileikkauksen tehossa ja abrasiivihiekan säästämisessä. Liu ja Schubert (2012, s. 210) mainitsevat, että pelkkä pumpun paineentuoton nostaminen ei kuitenkaan auta suoraan leikkausnopeuteen. 2000-luvun puolivälissä otettiin käyttöön 600 MPa:n tuottavia paineenkorotuspumppuja olettaen, että korkeampi paine tarkoittaa nopeampia leikkausaikoja. Kuitenkaan näin ei suoranaisesti ole, sillä tässä oletuksessa on jätetty monia tekijöitä huomioimatta. Etenkin pumpun paineen nostamiseen täytyy
vastata vähentämällä veden tilavuusvirtaa, mikä johtaa abrasiivihiekan kiihtymisen pienenemiseen. Näin ollen paineen nostaminen abrasiivihiekkamäärän pysyessä ennallaan ei kasvata leikkuunopeutta. (Liu & Schubert 2012, s. 210) Sopiva paine on tärkeää valita, sillä esimerkiksi kun paine nostetaan 400 MPa:sta 600 MPa:iin, materiaalien lisääntynyt väsymys vähentää merkittävästi pumpun komponenttien, kuten korkeapaineletkujen, tiivisteiden ja suuttimien, elinikää. Tämä johtaa huomattavasti kalliimpiin huoltokustannuksiin. (Trieb 2010, Liu & Schubert 2012 mukaan).
Paineenkorotuspumpuissa sähkömoottori asetetaan tuottamaan hydrauliikkapumppuun hydrauliikkanestettä noin 21 MPa:n paineeseen. Kuvan 4 mukaisesti paineistettu hydrauliikkaneste ohjataan paineenkorottajaan, jossa nestettä käytetään männän liikuttamiseen edestakaisin. Paineenkorottajan mäntä liikkuu noin yhden iskun sekunnissa, mikä johtaa siihen, että tuotettu paine ei ole tasaista. Paine tasataan myöhemmin vesisäiliössä, jota kutsutaan vaimennussäiliöksi (engl. attenuator).
Suodatettu vesi ohjataan paineenkorottajaan, jossa se lähes 20-kertaistaa vedenpaineen hydrauliikkaöljyn paineeseen nähden. Näin vedelle saadaan haluttu paine, joka on yleensä vesileikkauslaitteistoissa noin 250 – 420 MPa. Myös lähes 690 MPa:n paineeseen on mahdollista päästä paineenkorotuspumpuilla. Tästä korkeapaineistettu vesi ohjataan vaimennussäiliöön tasaistettavaksi.
Paineenkorotuspumpuissa tarvitaan hydrauliikkajärjestelmän jäähdyttämiseen paljon jäähdytystä. Paineenkorottajaa ohjataan PLC (Programmable Logic Controller) - ohjauksella. (Kamashian 2019)
7
Kuva 4. Paineenkorotuspumpun rakenne. Perustuu lähteeseen (Rao 2000, s.
365).
Suoravetoisten pumppujen rakenne on paineenkorotuspumppuihin verrattuna yksinkertaisempi ja se vaatii vähemmän liikkuvia osia. Kuvan 5 mukaisesti suoravetoisissa pumpuissa moottori tuottaa painetta useaa (usein kolmea) mäntää liikuttaen kampiakselin avulla, pitäen näin yllä tasaisen paineen. Tasaisen paineentuoton ansiosta suoravetoiset pumput eivät tarvitse vaimennussäiliötä paineenkorotuspumppujen tapaan. Suoravetoiset pumput ovat tehokkaampia paineenkorotuspumppuihin verrattuna, koska pumpuissa ei ole ollenkaan paljon tehoa ja jäähdytystä vaativaa hydrauliikkajärjestelmää. Näin ollen myöskään suurta jäähdytysjärjestelmää ei tarvita. Kehitys tiivisteissä yhdistettynä laadukkaiden venttiilikomponenttien hyvään saatavuuteen mahdollistaa suoravetoisten pumppujen luotettavan toiminnan 280 MPa:sta 414 MPa:iin. Tämä on johtanut tehokkaiden, hiljaisempien ja helpommin huollettavien suoravetoisten pumppujen lisääntyneeseen myyntiin. (Liu & Schubert 2012; Kamashian 2019)
Kuva 5. Suoravetoinen pumppu, jossa usean männän avulla saadaan tuotettua tasainen paine. Perustuu lähteeseen (Zhang et al. 2019)
Molemmilla pumpuilla on siis hyviä puolia, joten yhtä oikeaa valintaa pumpun valinnassa ei ole. Suuria eroja pumppujen välillä on niiden tuottamissa paineissa.
Paineenkorotuspumput voivat ylläpitää vakion, noin 690 MPa:n paineen, kun taas suoravetoiset pumput voivat tuottaa noin 410 MPa:n paineen. Suoravetoiset pumput vaativat myös syöttönopeuden tai kierroslukujen säätämistä, jotta paine ei laske liikaa pumppua käytettäessä vaikuttaen leikkauksen laatuun. Suuri hyöty suoravetoisten pumppujen käytössä on niiden toimintaperiaate, joka on tehokas käyttämäänsä moottoritehoon suhteutettuna. Suoravetoiset pumput ovat 28 % tehokkaampia paineenkorotuspumppuihin verrattuna. Suoravetoiset pumput eivät tarvitse runsasta jäähdytystä paineenkorotuspumppujen tapaan, ja ne toimivat 2-3 kertaa hiljaisemmin kuin paineenkorotuspumput. (Kamashian 2019) Kun näitä kahta pumppua on vertailtu käytännössä, on huomattu että 400 MPa:n tuottava suoravetoinen pumppu suoriutuu paremmin materiaalinleikkaustesteissä, kuin 600 MPa:n tuottava paineenkorottajapumppu samalla sähköteholla. (Henning et al., 2011, Liu & Schubert 2012 mukaan)
Investoinnin kannalta suoravetoiset pumput ovat halvempia kuin paineenkorotuspumput.
WARDJet (2020) kuitenkin väittää kotisivuillaan, että paineenkorotuspumput ovat pitkällä
9
aikavälillä taloudellisempia. Paineenkorotuspumppujen käyttäminen tulisi suoravetoisiin pumppuihin verrattuna halvemmaksi kolmessa vuodessa, kun pumppua käytetään kahdeksan tuntia päivässä viisi kertaa viikossa. (WARDJet 2020)
Molemmissa pumpuissa on tärkeää nostaa pumpun tehoa pumpun paineentuoton sijaan, mikäli halutaan leikata tehokkaammin ja kustannusystävällisemmin. Esimerkiksi nostettaessa pumpun teho 30 hp:sta 50 hp:seen saadaan leikkuunopeutta nostettua yli 40 % (Kamashian 2019). Taulukkoon 1 on koottu paineenkorotuspumpun edut ja haittapuolet, ja taulukkoon 2 suoravetoisten pumppujen edut ja haittapuolet.
Taulukko 1. Paineenkorotuspumppujen edut ja haittapuolet. Perustuu lähteeseen (Kamashian 2019)
Paineenkorotuspumppu
Edut Haittapuolet
Paineentuotto lähes 690 MPa:iin asti Tarvitsee paljon jäähdytystä Paine pysyy vakiona Tuottaa 2 – 3 kertaa enemmän ääntä
suoravetoiseen pumppuun verrattuna Toiminta vain, kun on tarvetta tuottaa
painetta
Tehokkuus vähenee
hydrauliikkajärjestelmän käytön takia noin 20 – 40 % suoravetoiseen
pumppuun verrattuna Pitkällä aikavälillä voi tulla
kustannusystävällisemmäksi
Erittäin korkeissa paineissa
järjestelmillä on suuri vikaantumisaste
Taulukko 2. Suoravetoisen pumpun edut ja haittapuolet. Perustuu lähteeseen (Kamashian 2019)
Suoravetoinen pumppu
Edut Haittapuolet
Tehokas käyttämäänsä sähköön
suhteutettuna Rajoitettu paine noin 410 MPa:iin asti
Ei tarvetta jäähdytysjärjestelmälle
Paine laskee pumppua käyttäessä vaatien syöttönopeuden tai
kierroslukujen säätämistä, säilyttääkseen leikkauksen laadun Hiljainen paineenkorotuspumppuun
verrattuna
Kustannuksen voivat tulla kalliimmiksi pidemmällä aikavälillä
Halvempi paineenkorotuspumppuun
verrattuna
2.2.3 Leikkauspää
Paineistettu vesi ohjataan leikkauspintaan leikkauspään avulla. Leikkauspää muodostuu kuvan 5 mukaisesti suuttimesta (engl. orifice), sekoituskammiosta ja kohdennusputkesta (engl. nozzle/focusing tube). Sekä puhtaan veden vesileikkauksessa että abrasiivisessa vesileikkauksessa leikkauspäät ovat pääpiirteittäin samanlaiset. Erona näiden välillä on abrasiivin syöttöputki ja sekoituskammio, joita ei puhtaan veden vesileikkauksessa tarvita.
11
Kuva 6. Leikkauspään osat. Perustuu lähteeseen (Oh & Cho 2014, s. 748).
Suuttimen avulla paineistetun veden potentiaalienergia muutetaan kineettiseksi energiaksi leikkauspäästä suihkuavan vesisuihkun muodossa. Suuttimen muoto ja materiaali riippuvat käyttötarkoituksesta ja käytetystä paineesta. Blickwedel et al. (1990) ovat määrittäneet sopivan suuttimen halkaisijan olevan noin 0,2 – 0,6 mm (Blickwedel et al. 1990; Pi 2008 mukaan). Yleensä karkaistusta teräksestä valmistettua yhtäjaksoista, kuvan 7 (kohta A) mukaista suutinta käytetään paineeseen 100 MPa asti. Tätä suurempiin paineisiin mentäessä käytetään suutinta, johon on liitetty usein safiirinen kulutusosa kuvan 7 (kohta B) mukaisesti. Teräksen ja safiirin lisäksi suuttimien materiaalina voidaan käyttää karbidia, etenkin kun käytetään suodattamatonta vettä alle 140 MPa:n paineessa. (Momber 2005, s. 90 – 92)
Kuva 7. Kohdassa A on yhtäjaksoinen suutin, jota voidaan käyttää 100 MPa:iin asti. Kohdassa B on suutin, jossa on safiirinen kulutusosa. Kohdan B suutinta käytetään, kun paine ylittää 100 MPa. Perustuu lähteeseen (Momber 2005, s. 91)
Korkea vedenpaine kuluttaa suuttimia, jonka takia niillä on kohtalaisen lyhyt käyttöikä ja niitä täytyy vaihtaa usein. Yksi tapa, jolla käyttöikää saadaan pidennettyä on veden suodattaminen. Esimerkiksi veden suodattimen koon ollessa 100 μm, safiirisen suuttimen käyttöikä on 20 tuntia. Suodattimen ollessa 10 μm käyttöikä pidentyy 80 tuntiin, kun käytettäessä teräksistä suutinta vedenpaineella 70 MPa. Suuttimen materiaalin ollessa timanttia, voi käyttöikä kasvaa monikertaisiesti, 300 tunnista 1000 tuntiin (Radovanović 2007, s. 99). Suuttimen kuntoa on tärkeää seurata, sillä esimerkiksi käytettäessä kovametallista suutinta, jossa on 5 % sidosainetta, pumpun paine voi pudota 140 MPa:sta 50 MPa:iin vain 15 tunnin käytöllä. (Wright et al. 2003)
Sekoituskammiossa (kuva 8 alue I) abrasiivihiekkaa sekoitetaan vesisuihkuun. Erittäin nopea (katso kappale 2.2.4 Vesisuihkun ja abrasiivipartikkelien nopeus) vesisuihku aiheuttaa sekoituskammioon alipaineen, joka imee abrasiivipartikkelit abrasiiviputkesta vesisuihkun sekaan.
13
Kuva 8. Abrasiivipartikkelien sekoittuminen vesisuihkun sekaan. Perustuu lähteeseen (Birtu & Avramescu 2012).
Kuvan 8 alueiden II ja III välillä abrasiivipartikkelit pakotetaan liikkumaan vesisuihkun suuntaisesti, mutta niiden nopeus on vielä alhainen. Jos tässä vaiheessa vesisuihkulla koitettaisiin leikata, ei siinä saataisi hyödynnettyä abrasiivien tuomaa leikkaustehoa.
Jotta partikkeleiden nopeutta saadaan nostettua, täytyy leikkauspäässä olla kohdennusputki (väli II − IV). Kohdennusputken ollessa liian lyhyt, eivät partikkelit ehdi saavuttaa ideaalista nopeutta, mutta toisaalta putken ollessa liian pitkä, abrasiivipartikkelien nopeus laskee seinämistä muodostuvan kitkan vaikutuksesta.
Optimaalisen kohdennusputken pituuden laskeminen on haasteellista monen eri parametrin huomioimisen takia, joten pituus määritellään useasti kokeellisesti putkien valmistajien toimesta. Tavallisesti kohdennusputkien pituus on 25 – 50 kertainen niiden halkaisijaan (1,0 – 1,7 mm) nähden (Pi 2008, s. 10; Birtu & Avramescu 2012, s. 42).
2.2.4 Vesisuihkun ja abrasiivipartikkelien nopeus
Metallin, lasin ja keramiikan vesileikkauksessa suurimman osan leikkaustyöstä tekee abrasiivipartikkelit, joille tapahtuu suuri nopeuden muutos liittyessään abrasiiviputkesta vesisuihkun sekaan. Jotta abrasiivipartikkelien nopeus saadaan laskettua, täytyy ensin
laskea vesisuihkun nopeus. Vesisuihkun teoreettinen nopeus 𝑉𝑡ℎ saadaan laskettua Bernoullin kaavalla
𝑉𝑡ℎ = √2𝑃
𝜌 , (1)
jossa 𝑃 on vedenpaine ja 𝜌 veden tiheys (Hashish 2003; Pi 2008; Birtu & Avramescu 2012). Tämä kaava on kuitenkin vain teoreettinen, sillä siinä oletetaan veden olevan kokoonpuristumatonta, vaikka näin ei käytännössä ole. Myöskään veden purkautumiseen kuluvaa energiaa (purkauskerroin 𝐶𝑑, engl. Coefficient of Discharge) vesisuihkun purkautuessa suuttimesta ulos ei kaavassa huomioida.
Susuzlun (2006) mukaan veden tiheydelle voidaan määrittää kaava, joka huomioi veden tiheyden suhteessa vedenpaineeseen seuraavasti:
𝜌(𝑃) = (1 +𝑛1∙ 𝑃 𝐸𝑤0 )
1
𝑛∙ 𝜌0 , (2)
jossa 𝜌0 on puhtaan veden tiheys 4 °C asteessa (𝜌0= 1000 kg/m3). (Susuzlu 2006; Pi 2008 mukaan) Muuttujat 𝑛1 = 7,15 ja 𝐸𝑤0 = 2135 MPa, jotka ovat saatu Bridgmanin kokeellisista tuloksista (Bridgman 1970; Pi 2008 mukaan). Tätä kaavaa voitaisiin käyttää vesisuihkun nopeuden laskemisessa eri paineissa, mutta tuloksena saataisiin liian suuria nopeuksia, sillä laskuissa täytyy huomioida myös muita energian häviöön liittyviä lähteitä, jotka ovat huomioituna seuraavassa kappaleessa käytävässä Hashishin (1989) määrittämässä veden purkauskertoimessa.
Vesisuihkun ja abrasiivipartikkelien nopeuden laskemisessa täytyy huomioida suuttimen purkauskerroin, eli veden todellinen purkautuminen suhteessa teoreettiseen purkautumiseen. Purkauskerroin sisältää nopeuskertoimen (coefficient of velocity), ahtaumakertoimen (contraction coefficient) sekä kokoonpuristuvuuskertoimen (compressibility coefficient). Purkauskerroin riippuu myös muista tekijöistä, kuten esimerkiksi suuttimen kunnosta ja sisähalkaisijasta. Tyypillinen menetelmä, jota käytetään purkauskertoimen mittaamiseen, on mitata ensin vesisuihkun virtausnopeus tietyn ajanjakson aikana, laskea siitä keskimääräinen virtausnopeus ja verrata saatua tulosta teoreettiseen arvoon. Tässä tavassa on kuitenkin noudatettava erityistä huolellisuutta, sillä esimerkiksi jos suuttimen sisähalkaisijan nimellismitta on 0,25 mm mutta todellinen mitta on 0,26 mm, syntyy laskuun 8 % virhe pelkästään mittausvirheen
15
takia. Tämä virhe voi olla jopa suurempi kuin esimerkiksi veden puristuvuudesta huomioitava osuus. (Hashish 2003)
Suuttimen purkauskertoimen määrittämiseen on tehty useita tutkimuksia. Hashish (1989) määritti purkauskertoimen riippuvuuden 345 MPa:iin asti, mikä myöhemmin jatkettiin 690 MPa:iin saakka. Seuraava yksinkertainen ensimmäisen asteen lineaarinen yhtälö purkauskertoimen määrittämiseen on johdettu kokeellisten tulosten perusteella safiirisille teräväreunaisiin suuttimiin:
𝐶𝑑= 0,785 − 0,00014 𝑃 − 0,197𝑑𝑛 , (3) jossa 𝑃 on paine (MPa) ja 𝑑𝑛 on suuttimen halkaisija (mm). Tämä yhtälö on tarkka 8 %:n tarkkuudella ja se aliarvioi hieman purkautumiskertoimen suuruutta paineen kasvaessa.
Tätä purkauskerrointa voidaan soveltaa kaikille suuttimille joiden suutin on halkaisijaltaan välillä 0,152 – 0,584 mm ja vedenpaine välillä 105 – 240 MPa. Yhtälöstä voidaan huomata, että painetta sekä suuttimen halkaisijaa kasvattaessa purkauskerroin vähenee. Suuttimen halkaisijan kasvattaminen vaikuttaa kuitenkin yhtälön mukaan enemmän purkauskertoimen vähenemiseen paineenmuutokseen verrattuna. On siis tehokkaampaa kasvattaa vedenpainetta, kuin kasvattaa suuttimen halkaisijaa muuttaessa paineen potentiaalienergiaa kineettiseksi energiaksi. (Hashish 2003) Nyt vesisuihkun nopeutta 𝑣𝑗 voidaan arvioida kaavojen (1) ja (3) avulla seuraavasti (Hashish 2003; Birtu & Avramescu 2012):
𝑣𝑗= 𝐶𝑑√2𝑃
𝜌 . (4)
Kaavan (4) mukaan vesisuihkun nopeudeksi saadaan välillä 105 – 240 MPa arvoksi 335 – 493 m/s, kun suuttimen halkaisija on 0,2 mm. Tämä on nopeampaa kuin äänen nopeus ilmassa (343 m/s).
Veden massavirta saadaan laskettua kaavalla:
𝑚̇ = 𝜌𝑉̇ = 𝜌𝐴𝑜𝑣𝑗 , (5) jossa 𝐴𝑜 on suuttimen pinta-ala.
Abrasiivipartikkelit eivät pääse samaan nopeuteen vesisuihkun kanssa, sillä lyhyessä kohdennusputkessa partikkelit eivät ehdi saavuttaa ideaalista nopeutta ja liian pitkässä putkessa niiden nopeus laskee seinämistä muodostuneet kitkan takia. (Liu & Schubert 2012, s. 213) Hashishin (2003) saamien tulosten mukaan abrasiivipartikkelien nopeus on noin 58 – 76 % vesisuihkun nopeudesta, kun käytössä olivat partikkelit #50 – #170 mesh kooltaan.
17
3. VESILEIKKAUKSEN KÄYTTÖ
Puhtaan veden vesileikkauksella voidaan leikata useita eri materiaaleja, esimerkiksi puuta, muoveja ja elintarvikkeita. Teollisuudessa suositummalla abrasiivisella vesileikkauksella saadaan leikattua tarkasti myös kovempia materiaaleja, kuten metalleja, kiveä ja betonia. Seuraavissa kappaleissa selvitetään leikkauksen ja laitteiston optimaalista käyttöä, jolla voidaan mahdollistaa leikkauksen tehokkuus ja alhaiset kustannukset. Selvitykset ovat tehty abrasiiviselle vesileikkaukselle, mutta niitä voidaan soveltaa myös puhtaan vesisuihkun leikkaukselle.
3.1 Leikkausparametrit
Yleisesti ottaen korkeampi paine tarkoittaa parempaa leikkaussyvyyttä. Tämän huomioiden vesileikkauksessa kannattaisi käyttää mahdollisimman suuria paineita.
Toisaalta, mitä suurempiin paineisiin mennään, sitä enemmän pumppujen huoltokustannukset ja riski hajoamiseen kasvaa. Näin ollen pumpun paineen olisi hyvä olla alle 400 MPa. (Pi 2008)
Liian nopealla leikkuunopeudella leikattavan pinnan pinnankarheus kärsii ja pintaan voi jäädä kuvassa 10 (kohta B) näkyviä jälkiä. Vähentäessä leikkuunopeutta ei näitä jälkiä synny, mutta samalla leikkuukustannukset kasvavat, kun abrasiivin kulutus kasvaa pidentyneessä ajossa ja laitteistoa käytetään pidemmän aikaa. Begic-Hajdarevic et al.
(2015) ovat tutkineet optimaalista leikkuunopeutta, jolla saataisiin säilytettyä hyvä leikkausjälki mahdollisimman nopealla leikkuuajalla. Tutkimuksessa mitattiin 15 mm ja 30 mm paksuisten alumiinilevyjen leikkauspintaa usealla eri leikkuunopeudella levyjen eri syvyyksiltä, kuvan 9 mukaisesti. Mittauslaitteistossa käytettiin abrasiivina #80 mesh kokoista granaattia vedenpaineella 350 MPa ja suutinta, jonka halkaisija oli 0,2 mm.
Abrasiivin massavirta oli 320 g/min leikatessa 15 mm paksuista alumiinilevyä ja 390 g/min leikatessa 30 mm levyä.
Kuva 9. Begic-Hajdarevicin et al. tutkimuksessa oleva 15 mm paksu alumiinilevy, johon on merkitty syvyydet joilta pinnankarheudet mitattiin. Perustuu lähteeseen
(Begic-Hajdarevic et al. 2015).
Kuvassa 10 on esitetty 15 mm levylle tehdyn mittauksen tulokset. Tuloksia eri syvyyksiltä on merkitty kuvaajaan eri väreillä. Tuloksista voidaan huomata, kuinka pinnankarheus kasvaa leikkuunopeuden kasvaessa, etenkin mitä syvemmältä levyn pintaa mitataan.
Kuvassa kohdassa B näkyviä jälkiä saattaa siis jäädä pintaan, jos leikkuunopeus on liian korkea. Leikkuunopeuden ollessa 139 mm/min saatiin kohdan A mukainen pinta, jonka Begic-Hajdarevic et al. määrittivät tutkimuksessa tälle järjestelmälle optimaaliseksi 15 mm levyä leikatessa. Leikkuunopeudella 77 mm/min saataisiin vielä sileämpi leikkuupinta, muuta lähes kaksi kertaa hitaampi leikkuunopeus tuo silloin enemmän kustannuksia. Vastaavista mittaustuloksista 30 mm levylle saatiin optimaaliseksi leikkuunopeudeksi 69 mm/min. Optimaalinen leikkuunopeus on siis kyseisellä leikkuujärjestelmällä lähes kaksi kertaa hitaampi materiaalin paksuuden kaksinkertaistuessa.
19
Kuva 10. Begic-Hajdarevicin et al. tutkimuksessa olevan 15 mm paksun alumiinilevyn mittaustulokset. Optimaalinen leikkuunopeus on 139 mm/min, jolla
saadaan kohdan A mukainen leikkuupinta. Perustuu lähteeseen (Begic- Hajdarevic et al. 2015).
Suuttimen ja leikattavan materiaalin välisen etäisyyden ollessa liian suuri, alkaa leikattavan materiaalin reunat pyöristyä (katso kuvan 1 kohta Leikkuu abrasiivilla).
Reunat pyöristyvät sitä enemmän, mitä kauempana suutin on leikattavan materiaalin pinnasta. Kiyosigen et al. (1988, s. 63) tehdyn tutkimuksen mukaan parhain leikkausteho saadaan etäisyyden ollessa n. 2 – 5 mm. Tutkimuksen vesileikkausjärjestelmässä käytettiin 194 MPa:n painetta, halkaisijaltaan 0,4 mm suutinta ja abrasiivina mesh #280 kokoista alumiinioksidin lietettä.
3.2 Abrasiivien määrittely
Suuri osa abrasiivisen vesileikkauksen hinnasta menee abrasiivien kustannuksiin, jonka takia on tärkeää käyttää oikeanlaista abrasiivia parhaan leikkaustehon sekä alhaisten kustannuksien puolesta (katso 3.3.1 Kustannukset). Abrasiivia käytettäessä täytyy huomioida abrasiivin materiaali, koko, määrä ja kustannukset.
3.2.1 Abrasiivin materiaali ja koko
Yleisin materiaalilaji jota käytetään abrasiivisessa vesileikkauksessa on granaatti, mutta myös oliviinia, piihiekkaa ja murskattua lasia on käytetty leikkauksessa. Optimaalisesta materiaalista on tehty monia tutkimuksia, mutta granaatti toimii usein tutkimuksissa parhaiten, sillä sen tuoma leikkausteho suhteutettuna hintaan on hyvä vesileikkauksessa. Abrasiiveina suosituimpia käytettyjä granaatteja ovat GMA granaatti (GMA Garnet Pty Ltd. yhtiön tavaramerkkinä tunnettu granaatti) ja Barton granaatti
(Barton International Inc. yhtiön tavaramerkkinä tunnettu granaatti). GMA granaatin kovuus on Mohsin asteikolla 6,5 – 7,5 ja Barton granaatin 8,0 – 9,0. (Pi 2008; Perec 2018)
Kasvattamalla abrasiivipartikkelien kokoa saadaan kasvatettua leikkauksen syvyyttä ja eroosion tehokkuutta, mutta leikkausjälki huononee ja partikkelien ominaisenergia vähenee. Yleisesti ottaen suuremmat partikkelit pitävät mukanaan suuremman määrän energiaa, mutta toisaalta samansuuruinen abrasiivivirtaus pitää sisällään vähemmän partikkeleja, jolloin kasvu energiassa menetetään pienemmällä määrällä partikkeleja.
Suuremmat partikkelit eivät myöskään kiihdy yhtä nopeasti kuin pienet partikkelit. (Yazici
& Summers 1989, s. 349) Usein abrasiivipartikkelien koko ilmoitetaan mesh mitan avulla.
Vesileikkauksessa GMA granaatin yleiset mesh koot ovat #50, #60, #80 ja #120 ja Barton granaatin koot #50, #65, #80, #85, #120, #150 ja #220. (Pi 2008; Perec 2018) Eri kokoisilla partikkeleilla on omat tarkoituksensa. #120 mesh koon partikkeleita käyttäessä saadaan leikkaukselle sileä pinta, kun puolestaan #50 koolla saadaan leikkuuajasta hieman nopeampi karheammalla leikkauspinnalla. Eniten käytetty #80 mesh koko on yleiskäyttöön sopivin, sillä sen avulla saadaan hyvä leikkausteho- ja pinta. (Radovanović 2007, s. 99)
Perec (2018) on vertaillut granaatin (GMA80), oliviinin ja murskatun lasin leikkaustehoa keskenään. Hinnaltaan murskattu lasi olisi halvempaa kuin granaatti tai oliviini, mutta leikkaustehossa se häviää kyseisille materiaaleille. Taulukkoon 1 on kirjattu Perecin saamat leikkaussyvyydet GMA80 granaatille, murskatulle lasille sekä oliviinille erilaisilla tilavuussuhteilla R ja kolmella eri leikkuunopeudella. Leikkausjärjestelmässä käytettiin painetta 400 MPa ja suuttimen halkaisija oli 0,25 mm. (Perec 2018)
21
Taulukko 3. Leikkuusyvyys GMA80 granaatilla, murskatulla lasilla ja oliviinilla usealla eri leikkuunopeudella ja abrasiivin tilavuussuhteella R. Perustuu lähteeseen (Perec 2018)
Abrasiivin määrä vedessä R Leikkuunopeus Leikkuusyvyys
[%] [mm/s]
GMA80 [mm]
Lasi [mm]
Oliviini [mm]
15,0 2 25,85 20,71 22,95
15,0 4 15,45 14,04 14,76
15,0 6 10,82 9,09 9,82
17,5 2 27,77 22,09 23,54
17,5 4 16,66 14,55 15,01
17,5 6 11,67 10,04 10,98
20,0 2 29,63 23,87 26,84
20,0 4 17,34 14,97 15,59
20,0 6 12,87 10,75 11,68
22,5 2 28,91 23,03 24,56
22,5 4 16,76 14,71 14,94
22,5 6 11,94 10,42 10,81
Taulukon mukaan käytettäessä murskattua lasia GMA80 granaatin sijaan, saadaan keskiarvon mukaan lasilla tuotettua noin 0,84 kertainen leikkuusyvyys granaattiin nähden. Vastaava arvo oliviinille on 0,90.
3.2.2 Abrasiivin määrä
Abrasiivisessa vesileikkauksessa on tärkeää määrittää sopiva abrasiivihiekan massan suhde veden ja abrasiivihiekan yhteismassaan. Liian vähäinen abrasiivihiekan määrä vedessä ei tuo tarpeeksi leikkaustehoa, mutta myös liiallinen hiekan määrä vähentää leikkaustehoa sekä tuo lisäkustannuksia.
Tilavuussuhdetta merkitään kirjaimella R seuraavasti:
𝑅 = 𝑚𝑎
𝑚𝑎+ 𝑚𝑤 ∙ 100 . (8)
Henning ja Westkämper (2004) ovat tutkineet optimaalista abrasiivihiekan määrää vedessä. Tutkimuksessa selvitettiin optimaalinen hiekan massan suhde veden massaan, ylläpitämällä kuitenkin mahdollisimman suuri leikkausteho mahdollisimman pienin kuluin.
Tutkimuksessa otettiin huomioon monet erilaiset osatekijät, jotka tuovat hintaa vesileikkaukseen. Tällaisia olivat esimerkiksi sähkön, veden, abrasiivihiekan, työn ja suuttimien kustannukset. Lopputuloksena huomattiin, että optimaalinen suhde
abrasiivihiekalle veden seassa on leikkausteholle erisuuri kuin mahdollisimman pienille kustannuksille. (Henning & Westkämper 2004; Pi 2008 mukaan)
Kuvassa 9 on esitetty Henningin ja Westkämperin saamat tulokset. Mahdollisimman pienet kustannukset leikkauksessa syntyvät kun R ≈ 15 %, kun taas mahdollisimman suuri leikkausteho saadaan kun R ≈ 23 %. Henning ja Westkämper määrittivät näistä tuloksista, että optimaalinen abrasiivihiekan massan suhde veden massaan on välillä 17
% - 23 %, kun halutaan huomioida sekä leikkausteho, että leikkauskustannukset.
(Henning & Westkämper 2004; Liwszyc et al. 2011 mukaan)
Kuva 11. Leikkaustehokkuus ja leikkauskustannukset suhteessa abrasiivihiekan määrään. Perustuu lähteeseen (Henning & Westkämper 2004; Pi 2008 mukaan).
Begic-Hajdarevicin et al. (2015) tutkimuksessa on selvitetty optimaalinen suhde abrasiivin määrään vedessä pinnankarheuden Ra kannalta. Saamiensa tulosten mukaan optimaalinen abrasiivin massavirta on 250 g/min, kun tutkimuksissa leikattiin 15 mm:n paksuista alumiinilevyä leikkuunopeudella 77 mm/min. Samanlaiselle, mutta 30 mm:n paksulle alumiinilevylle sopivaksi abrasiivin massavirraksi saatiin 320 g/min leikkuunopeuden ollessa 37 mm/min. Näillä massavirroilla pinnankarheudeksi Ra saatiin 15 mm:n levylle 3,6 – 3,9 μm, ja 30 mm:mm levylle 2,9 – 3,2 μm. Tutkimusten laitteistossa käytettiin #80 mesh kokoista granaattia suuttimen halkaisijan ollessa 0,2 mm ja veden paineen 350 MPa. Kappaleessa 2.2.4 (Vesisuihkun ja abrasiivipartikkelien nopeus) olevan kaavan (5) mukaan vedelle saadaan laskettua veden massavirraksi
0 4 8 12 16
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Leikkauskustannukset ( /h)
Leikkaustehokkuus (m/h)
Abrasiivin määrä vedessä R (%) Leikkaustehokkuus
Kustannukset
23
1099 g/min, josta puolestaan voidaan laskea abrasiivin määrä suhteutettuna veteen R olevan 18,5 % ja 22,6 %. (Begic-Hajdarevic et al., 2015)
3.3 Vesileikkaus teollisuudessa
Vesileikkaus ja etenkin pumppujen tuottaman tehon määrä on muutaman kymmenen vuoden aikana kehittynyt paljon, mikä on mahdollistanut vesileikkauksen olevan yksi tarkimmista ja tehokkaimmista leikkausmenetelmistä. Monipuolisuuden ansiosta vesileikkaus onkin yksi nopeimmin kasvavista leikkausmenetelmistä teollisuudessa (Precision 2016). Seuraavissa luvuissa tarkastellaan abrasiivisen vesileikkauksen kustannuksia ja vertaillaan sitä suhteessa muihin kilpaileviin menetelmiin.
3.3.1 Kustannukset
Suurin määrä vesileikkauksen kustannuksista menee abrasiivihiekan kustannuksiin.
Abrasiivin kustannuksia saadaan vähennettyä käyttämällä uudelleen jo käytettyä abrasiivia, mutta silti ESAB:n (2020a) tutkimuksen mukaan vesileikkaus kustantaa laitteistosta riippuen noin 25 – 64 €/h, josta noin 45 – 76 % on abrasiivihiekan kustannuksia. (Radovanović 2007, s. 101; ESAB 2020a) Seuraavaksi suurimmat, noin 11 – 44 % kustannukset syntyvät kulutusosista, kuten esimerkiksi suuttimesta, kohdennusputkesta ja pumpun tiivisteistä. Virran tuomat kulut ovat noin 8 – 11 %.
Pienimmäksi kustannukseksi jää vesi, joka kustantaa vain noin 2 – 3 % vesileikkausta käytettäessä. Kustannuksia laskettaessa on käytetty vesileikkausjärjestelmiä, joissa on käytetty 414 MPa / 50 HP, 414 MPa / 100 HP, 621 MPa / 60 HP ja 621 MPa / 125 HP pumppuja. Kuvassa 9 on esitetty abrasiivisen vesileikkauksen prosentuaaliset kustannukset. (ESAB 2020a)
Kuva 12. Abrasiivisen vesileikkauksen vuosittaisten kustannusten jakautuminen prosentteina. Kustannusten jakautuminen on esitetty neljälle tehokkuudeltaan
erilaiselle pumpulle. Perustuu lähteeseen (ESAB 2020a).
3.3.2 Vertailu kilpaileviin menetelmiin
Vesileikkaukselle kilpailevina leikkausmenetelminä voidaan pitää plasma-, laser- ja polttoleikkausta. Jokaisella näistä leikkausmenetelmistä on omat hyödyt ja haitat, joten sopivaa menetelmää määrittäessä kannattaa miettiä kuinka tärkeänä pitää esimerkiksi kustannuksia, leikkausjälkeä, tuottavuutta ja mahdollisuutta leikata paksujakin levyjä.
Kustannuksiltaan polttoleikkausta voidaan pitää parhaimpana näistä menetelmistä.
Polttoleikkauksen koneet ja kulutusosat ovat suhteellisen edullisia. Toiseksi halvin menetelmistä on plasmaleikkaus. Plasmaleikkaus alkaa olla hinnakas polttoleikkaukseen verrattuna, ESAB (2020b) mukaan noin 43 000 – 85 000 euroa, koska järjestelmään vaaditaan virtalähde, jäähdytin, kaapeleita, säätimiä sekä muita laitteiston osia. Plasmaleikkauksella saadaan kuitenkin suurempi tuottavuus polttoleikkaukseen nähden, joten pitkällä aikavälillä plasmaleikkaus voi olla kannattavampaa. Vesileikkauksen laitteisto on kustannuksiltaan toiseksi kallein kustannuksiltaan, laserleikkauksen ollessa kallein. Vesileikkausjärjestelmä kustantaa noin 85 000 – 300 000 euroa, kun puolestaan laserleikkauksen laitteisto noin 300 000 –
69 76
45 52
3
3
2
3
19 11
44 36
9 11 8 9
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
50 HP / 414 MPa 100 HP / 414MPa 60 HP / 621 MPa 125 HP / 621 MPa
Vuosittaiset vesileikkauksen kustannukset prosentteina
Abrasiivit Vesi Kulutusosat Virta
25
850 000 euroa. Laserleikkauksen päivittäinen käyttö on kuitenkin vesileikkauksen käyttöön nähden halvempaa. Laserleikkauksen käyttö kustantaa noin 17€/h, kun puolestaan vesileikkauksen käyttö noin 25€/h (lue kappale 3.3.1 Kustannukset).
Tuottavuudeltaan vesileikkaus on ylivoimaisesti hitain näistä menetelmistä, johtuen hitaasta leikkuunopeudesta. (ESAB 2020c)
Leikkuujäljeltään vesileikkaus on paras näistä menetelmistä. Sopivilla leikkausparametreilla leikkauspinnasta saadaankin erittäin sileä (katso kuva 10). Myös reunat ovat suorakulmaisia, eikä leikkauksesta synny kuonaa. Myös laserleikkauksella saadaan erittäin hyvä leikkuujälki, mutta reunoille voi jäädä vähäistä kuonaa.
Polttoleikkauksella saadaan leikkuupinnasta hyvä, mutta aivan vesileikkauksen tai laserleikkauksen tasolle ei päästä. Leikkauksessa saattaa kuitenkin jäädä hieman kuonaa ja reunat voivat hieman pyöristyä, kuitenkin niin, että leikkauspinta sopiva käyttökohteeseen ilman tarvetta jatkokäsittelylle. Plasmaleikkauksella saadaan hieman polttoleikkausta heikompi leikkuujälki. Pinnankarheus on plasmalla leikatessa hyvä, mutta kuonaa ja virhettä kulman suorakulmaisuuteen voi ilmetä leikkauksessa. (ESAB 2020b; ESAB 2020c)
Tarkkuudeltaan vesileikkaus on näistä menetelmistä parhain. Leikkausjäljen tarkkuus on noin +/- 0,127 mm (0,005”), eikä leikkauksessa aiheudu termisiä muutoksia, toisin kuin muilla menetelmillä. Laserleikkauksella päästää lähes samoihin tarkkuuksiin, mutta leikkauksessa käytettävä lämpö voi hieman vääristää haluttua mittaa. (ESAB 2020c) Sekä poltto-, että plasmaleikkaus jäävät jälkeen tarkkuudessa vesi- ja laserleikkaukselle.
Leikattavien kappaleiden paksuuksissa on leikkausmenetelmillä paljon eroja. Yleisesti ottaen laser- tai plasmaleikkausta kannattaa teräslevyn leikkauksessa käyttää, kun leikattava kappale on paksuudeltaan alle 6,4 mm. Tätä paksummissa levyissä 200 mm:iin saakka on suositeltavaa käyttää poltto- tai vesileikkausta, ja yli 200 mm:n paksuisissa polttoleikkausta. Leikkausmenetelmän valinnassa on kuitenkin hyvä ottaa huomioon tarpeet leikkauksen tarkkuudelle, kustannuksille, tuottavuudelle ja leikkausjäljelle. (ESAB 2020b; ESAB 2020c) Vesileikkauksen monipuolisuutta lisää mahdollisuus leikata monia erilaisia materiaaleja. Halvemmalla puhdasvesileikkauksella voidaan leikata esimerkiksi muovia, puuta, nahkaa ja elintarvikkeita. Abrasiivinen vesileikkaus soveltuu teräksen lisäksi esimerkiksi lujien kuitu- ja kerrosrakenteiden, jalometallien, seosmetallien, sekä karkaisemattoman lasin leikkaamiseen. (Laserle 2020)
4. YHTEENVETO
Vesileikkauksessa yli äänennopeuden ylittävä vesisuihku leikkaa kineettisellä voimallaan useita eri materiaaleja. Veden sekaan voidaan sekoittaa abrasiivipartikkeleja, usein granaattia, mikä moninkertaistaa vesileikkauksen leikkaustehon, mutta lisäten samalla myös paljon kustannuksia. Vesileikkauksen laitteistoon kuuluu korkeapainepumppu, ohjauslaitteisto, leikkauspää, vesisäiliö sekä putkistoja ja mittareita. Abrasiiviseen vesileikkauslaittestoon kuuluu lisäksi abrasiivisäiliö ja sekoituskammio. Etenkin sopivan pumpun valitseminen vesileikkauslaitteistoon kannattaa miettiä leikkaustarpeen mukaan tarkasti, koska nostamalla pumpun painetta ultrakorkeisiin paineisiin kustannukset ja huoltotarve kasvavat paljon, vaikka leikkausteho kasvaakin myös samalla.
Työssä määriteltiin vesileikkauksen laitteiston ja teorian lisäksi optimaalisia leikkausparametreja vesileikkauksen käyttöön. Sopivat leikkausparametrit vaikuttavat esimerkiksi leikkauksen tehoon, laatuun ja kustannuksiin. Liian hidas leikkuunopeus lisää kustannuksia ja liian nopea jättää leikkauspintaan epätasaisen pinnan. Liian suuri leikkausetäisyys vesileikkauksessa aiheuttaa leikkausjäljen reunojen pyöristymistä.
Myös abrasiivipartikkelien sopiva materiaali, koko ja suhde veteen nähden on tärkeää, koska esimerkiksi väärä suhde partikkeleja veden seassa voi kasvattaa leikkauksen kustannuksia ja vähentää leikkaustehoa. Sopivalla vesileikkauslaitteistolla ja leikkausparametreilla yhdistettynä abrasiivin tuomaan tehoon, vesileikkaus pärjää hyvin leikkausteholtaan muihin leikkausmenetelmiin nähden. Tarkkuudeltaan sekä leikkuujäljeltään leikkaus on erinomaista, mutta kustannuksissa ja tuottavuudessa vesileikkauksella on kuitenkin parannettavaa.
27
LÄHTEET
Anderson, M. C. (2017) Abrasive waterjets now a viable 3D cutting option. Verkkosivu (viitattu 29.3.2020): https://www.ctemag.com/news/articles/abrasive-waterjets-now- viable-3d-cutting-option
Begic-Hajdarevic, D., Cekic, A., Mehmedovic, M. & Djelmic, A. (2015). Experimental Study on Surface Roughness in Abrasive Water Jet Cutting. Procedia engineering. Vol.
100, pp. 394-399.
Birtu, C. & Avramescu, V. (2012). Abrasive Water Jet Cutting - Technique, Equipment, Performances. Revista de Tehnologii Neconven-tionale. Vol. 16, no. 1, pp. 40.
Bridgman, P. W. (1970). The Physics of High Pressure. Dover Publications, Inc., New York, First edition. 398 s. ISBN 978-0-48662-712-0.
ESAB. (2020a). How much does waterjet cutting cost? Verkkosivu. Saatavissa (viitattu 23.9.2020): https://www.esabna.com/us/en/education/blog/how-much-does-waterjet- cutting-cost.cfm
ESAB. (2020b). Mikä on teräslevyn paras leikkausmenetelmä. Verkkosivu. Saatavissa (viitattu 13.10.2020): https://www.esab.fi/fi/fi/education/blog/what-is-the-best-way-to- cut-steel-plate.cfm
ESAB. (2020c). What is the best value – plasma, laser, or waterjet? Verkkosivu.
Saatavissa (viitattu 15.10.2020): https://www.esab.co.uk/gb/en/education/blog/what-is- the-best-value-plasma-laser-or-waterjet.cfm
Hace, A. & Jezernik, K. (2004). Control system for the waterjet cutting Machine.
IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. Vol. 9, no. 4, pp. 627-635.
Hashish, M. (1989). Pressure Effects in Abrasive-Waterjet Machining. ASME Transactions, Journal of Engineering Materials and Technology. Vol. 111, No. 3, pp. 221- 228.
Hashish, M. (2003). Inside AWJ Nozzles. WJTA American Waterjet Conference, Houston, Texas.
IIT Kharagpur. (2020). “Water Jet and Abrasive Water Jet Machining”, Version 2 ME.
Kamashian, A. (2019). Waterjet - Intensifier Vs Direct Drive Which is Better? Verkkosivu.
Saatavissa (viitattu 29.2.2020): https://www.southernfabsales.com/blog/waterjet- intensifier-vs-direct-drive-which-is-better
Kiyosige, M., Matsumura, H., Ikemoto, Y., Okada, T. (1988). Jet Cutting Technology - A Study of Abrasive Waterjet Cutting Using Slurried Abrasives. Sendai, Japan: BHRA, The Fluid Engineering Centre. 692 s. ISBN 0947711 49 X
Laserle. (2020). Vesileikkaus. Verkkosivu. Saatavissa (viitattu 14.2.2020):
https://www.laserle.fi/vesileikkaus/
Liu, H. & Schubert, E. (2012). Micro Abrasive-Waterjet Technology, Micromachining Techniques for Fabrication of Micro and Nano Structures. Dr. Mojtaba Kahrizi (Ed.) Rijeka, Croatia: InTech. 314 s. ISBN 978-953-307-906-6
Liwszyc, D., Liwszyc, A.J., Liwszyc, J.P., Perec, A. (2011). Abrasive Slurry-Injection Jet (AS-IJ) For CNC Cutting System. Jet-NET International Pty. Ltd, Perth, Western Australia.
MicroStep. (2020). Waterjet cutting / Technologies. Verkkosivu. Saatavissa (viitattu 10.2.2020): https://www.microstep.eu/technologies/waterjet-cutting/
Momber, Andreas W. (2005). Hydrodemolition of Concrete Surfaces and Reinforced Concrete. Oxford, United Kingdom: Elsevier Advanced Technology. 278 s. ISBN 978-1- 85617-460-2.
Oh, T. & Cho, G. (2014). Characterization of Effective Parameters in Abrasive Waterjet Rock Cutting. Rock Mechanics and Rock Engineering, vol. 47, no. 2, pp. 745-756.
Perec, A. (2018). Experimental research into alternative abrasive material for the abrasive water-jet cutting of titanium. International journal of advanced manufacturing technology, vol. 97, no. 1-4, pp. 1529-1540.
Pi, V. N., (2008). Performance Enhancement of Abrasive Waterjet Cutting. Hanoi University of Technology, Vietnam.
Precision - Waterjet & Laser. (2016). The History of Waterjet Technology. Verkkosivu.
Saatavissa (viitattu 12.2.2020): http://www.h2ojet.com/news/the-history-of-waterjet- technology
29
Radovanović, M. (2007). Abrasive waterjet cutting cost. Nonconventional Technologies Review – N0. 1 / 2007. pp. 97-102.
Rao, Posinasetti Nageswara. (2000). Manufacturing Technology: Metal Cutting and Machine Tools. New Delhi, Intia: Tata McGraw-Hill Education. 440 s. ISBN 978-0-07- 463843-9.
Singh, P., Pramanik, A., Basak, A. K., Prakash, C., Mishra, V. (2019). Developments of non-conventional drilling methods—a review. Springer-Verlang London Ltd. Vol. 106, pp.
2133-2166.
WARDJet. (2020). Direct Drive vs. Intensifier Pumps, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 29.3.2020): https://wardjet.com/tools/waterjet-pump-cost-calculator
Wright, D., Wolgamott, G., Zink, G. (2003). Waterjet Nozzle Material Types. WJTA American Waterjet conference, Houston, Texas.
Yazici, S. & Summers, D.A. (1989). The Investigation of DIAjet (Direct Injection of Abrasive Jet) Cutting of Granite. Proceedings of the 5th American Water Jet Conference.
Toronto, Canada. s. 343-356
Zhang, S.J., Zhang, W.C., Luo, Y.B. & Chen, M. (2019). Research on the method of detecting the failure of dynamic seal of direct-drive pump. IOP Conference Series:
Materials Science and Engineering, vol. 504, pp. 12096.
