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Tecnologia

Introduzione

Spaccato di una testa di taglio tipoLa tecnologia del getto d'acqua utilizza l'acqua come vettore dell'energia necessaria alla lavorazione; questo fluido oltre alla sua grande disponibilità e fruibilità in natura è particolarmente importante per la sua economicità e, aspetto tutt'altro che irrilevante, per l'assenza di impatto ambientale.

Per la sua particolare capacità di agire sul materiale durante la lavorazione, rientra tra quelle che vengono definite “tecnologie non convenzionali”, nonostante gli elementi alla base del processo -acqua per il getto puro e acqua e sabbia per il getto idroabrasivo- siano i più comuni in natura.

L'azione di taglio è data dall'energia specifica posseduta da un getto d'acqua coerente eventualmente addizionato da particelle di materiale abrasivo.

A differenza delle tecnologie non convenzionali Laser e Plasma, che utilizzano un fascio di energia termica per asportare il materiale, l'energia che viene utilizzata nella tecnologia del getto d'acqua è di tipo meccanico. Il processo fisico su cui si basa il Waterjet (WJ) consiste nella conversione dell'energia di pressione del fluido in energia cinetica: è il getto ad alta velocità a realizzare il taglio. Nella tecnologia con getto idroabrasivo (Abrasive Waterjet, AWJ), il getto d'acqua ha unicamente lo scopo di trasferire la propria quantità di moto alle particelle di abrasivo, la cui azione erosiva provoca l'asportazione di materiale. Il fluido viene portato ad alte pressioni (mediamente circa 400 MPa, raggiungendo anche i 900 MPa) tramite un sistema di pompaggio (intensificatore) ed inviato poi alla testa di taglio, ove avviene la conversione dell'energia di pressione in energia cinetica. La conversione energetica è ottenuta per mezzo di un orifizio (ugello primario), usualmente realizzato in zaffiro sintetico oppure in diamante, dal diametro pari a 0,2 ÷ 0,5 mm, alla cui uscita l'acqua possiede - in funzione del livello di pressione - velocità fino a 900 m/s. Nel caso AWJ, l'abrasivo viene aggiunto al fluido in una camera di miscelazione posta a valle dell'orifizio. In uscita dalla camera, il getto non presenta la coerenza necessaria ai fini di un taglio efficace: un getto non focalizzato comporta infatti una diminuzione della capacità di taglio in quanto l'energia totale viene distribuita su di un'area maggiore e quindi con un'energia specifica inferiore. Al fine di ovviare a tale inconveniente, a valle della camera di miscelazione viene montato un focalizzatore in carburo di tungsteno che riduce la divergenza del getto.

Negli ultimi anni il sistema di taglio WJ/AWJ ha riscosso un notevole successo. In una ricerca di mercato condotta da un'importante società americana è emerso che nel settore dell’industria delle macchine utensili, durante il periodo 1997-2004, la tecnologia del getto d'acqua ha avuto il più elevato tasso di crescita (9,1%). Il report, concludendo, dichiara che nonostante ambedue i sistemi, WJ/AWJ e laser, eccellano nel taglio di svariati materiali -sia metallici che non- tuttavia l'investimento iniziale di un sistema WJ/AWJ risulta essere sensibilmente inferiore rispetto ad un laser con la garanzia di prestazioni funzionalmente superiori ai sistemi di taglio tradizionali. Grazie alla disponibilità di software altamente sofisticati, la tecnologia WJ/AWJ rappresenta una valida soluzione per i fruitori finali .

L'utilizzo di questa tecnologia copre svariati settori industriali, da quello aeronautico a quello automobilistico a quello delle semplici lavorazioni meccaniche. E' inoltre adatta alla lavorazione di svariati materiali: metallici, plastici, vetrosi, compositi, ceramici, lapidei, ecc. In particolare, nel campo dei lapidei, la tecnologia Waterjet ha assunto un'importanza notevole; in questo settore infatti, le tecnologie tradizionali soffrono di fortissime limitazioni dovute sia alla fragilità e alla durezza di tali materiali sia all’ impossibilità di effettuare tagli curvilinei o di forme geometriche particolari.

I principali vantaggi che rendono la tecnologia WJ/AWJ preferibile a quelle tradizionali sono:

» taglio freddo: il getto non altera termicamente il materiale;

» taglio pulito: gli sprechi di materiale sono limitati e le bave non sono evidenti;

» taglio discreto: la forza che l'utensile getto applica al materiale in lavorazione è ridotta (nell'ordine di alcune decine di newton), il che non rende necessarie robuste attrezzature di bloccaggio e consente di lavorare materiali fragili realizzando geometrie aventi un notevole grado di complessità.

Altre importanti applicazioni le si hanno nel settore minerario (waterjet mining), nel settore edile per la pulizia di superfici (waterjet cleaning) e per la rimozione di strati superficiali (decoating). E' ancora in fase sperimentale l'utilizzo del getto d'acqua come tecnica per la deformazione plastica (idroforming).

Storia del getto d'acqua

Esempio di lavorazione con il taglio ad acquaL'utilizzo dell'acqua come utensile per operazioni meccaniche di varia natura non è una scoperta particolarmente recente. Sin dai tempi antichi l'acqua veniva utilizzata per diverse operazioni: in Egitto, il letto del Nilo veniva deviato per asportare la terra presente nei giacimenti di metalli preziosi. Più tardi, nell'antica Roma, i romani posizionavano delle cisterne piene di acqua in cima alle colline. L'acqua spillata veniva direzionata verso i giacimenti di metalli preziosi ubicati nelle vallate: l'azione dell'acqua permetteva di rimuovere il materiale prezioso e di trasportarlo a valle, dove l'estrazione era più agevole. Nell'Unione Sovietica ed in Nuova Zelanda il getto d'acqua veniva utilizzato nelle miniere di carbone: l'acqua dei torrenti veniva raccolta ed utilizzata per separare il carbone dalla roccia. Questo metodo fu sviluppato anche nelle miniere d'oro del Sud Africa ove l'acqua veniva utilizzata per rimuovere le rocce dall'area di lavoro. In queste prime applicazioni non si può tuttavia parlare di getto pressurizzato. Gli impieghi più antichi di un getto d'acqua pressurizzato risalgono alla seconda metà del XIX secolo nel settore minerario (waterjet mining), laddove veniva utilizzato un getto d'acqua a bassa pressione (circa 10 MPa) ed elevata portata. Nel 1853 fu per la prima volta utilizzato in California per portare a valle le rocce tenere contenenti l'oro, presenti su alti dirupi. In questo modo, il rischio di venire ricoperti dalla caduta di massi, a cui erano sottoposti gli estrattori manuali, veniva eliminato. Nel 1867 Chausov sviluppò un dispositivo idraulico per potere utilizzare un getto a bassa pressione nei depositi d'oro presenti attorno al lago Baykal nella regione della Siberia. Successivamente il getto d'acqua a bassa pressione venne utilizzato anche in altri Paesi per l'estrazione di svariati metalli. Negli anni '20 del secolo precedente, getti d'acqua a bassa pressione vennero utilizzati in Prussia nelle miniere di torba per operazioni di taglio e successivamente, negli anni '30 nelle miniere di carbone in Russia. La produttività crebbe notevolmente rispetto alle tecnologie tradizionali. Negli anni '40 il getto a bassa pressione (circa 30 MPa con portata pari a 20-40 l/min) venne utilizzato, in alternativa al getto abrasivo pneumatico e all'uso di sostanze chimiche, nelle operazioni di pulizia, sverniciatura e decapaggio, in diversi settori industriali (waterjet cleaning). Con il tempo, la capacità dei sistemi, in termine di livello di pressione raggiungibile, crebbe; ciò consentì di applicare il waterjet cleaning anche a materiali più duri e di ridurre i costi di smaltimento dei rifiuti ottenuti durante la lavorazione di materiali classificati come pericolosi. Aumentando infatti la pressione era possibile ridurre la portata del getto e di conseguenza diminuire il volume di liquido da smaltire. Le due applicazioni citate sono storicamente i primi esempi di sfruttamento di un getto d'acqua pressurizzato come strumento per l'asportazione di materiale. La pressione d'esercizio per entrambe è comunque molto più bassa rispetto a tutte le altre tecniche a getto d'acqua, sviluppate successivamente. Il padre del waterjet industriale può essere considerato il prof. Norman Franz, ingegnere specializzato nella selvicoltura. Egli fu difatti la prima persona che pensò di utilizzare l'acqua ad alta pressione come utensile per le operazioni di taglio. La sua ricerca condotta durante gli anni '50 e '60 aveva come obiettivo di scoprire nuovi modi per tagliare gli alberi. Raccolse elevati volumi di acqua in una colonna e costrinse successivamente l'acqua a passare attraverso un orifizio molto stretto. In questo modo ottenne elevate pressioni nell'acqua (molto superiore ai livelli attualmente in uso) che gli permisero di tagliare il legno. Tuttavia, i componenti che utilizzava per ottenere le alte pressioni, avevano una durata dell'ordine di grandezza dei minuti. Il prof. Franz dimostrò quindi che un getto di acqua focalizzato ad alta velocità possedeva un'elevata potenza di taglio , potenza che venne in seguito utilizzata in un numero di applicazioni di gran lunga superiore ai sogni dello stesso inventore. Ironicamente, il taglio del legno con il getto d'acqua rappresenta oggi un'applicazione minore. Il salto di qualità che consentì al waterjet di diventare una vera e propria tecnologia industriale di lavorazione meccanica lo si ebbe solo tra la fine degli anni '60 e l'inizio dei '70 grazie alle ricerche, e alla successiva applicazione dei getti ad alta pressione. Nel 1972 la McCartney Manufacturing System (ora una divisione della Ingersoll-Rand), in collaborazione con il prof. Norman Franz, installò il primo sistema industriale di taglio con getto d'acqua ad alta pressione e bassa portata (400 MPa, 4 l/min) presso la Alton Box Board Company. Successivamente, una nuova società, la Flow Industries, cominciò ad immettere sul mercato sistemi ad alta pressione industriali. Le applicazioni si ampliarono molto rapidamente: il taglio comprese una vasta gamma di materiali quali espansi, gomma, nylon, materie plastiche, fibra di vetro, alcuni tipi di materiali compositi, prodotti alimentari, tessuti, pellami, etc. L'aggiunta dell'abrasivo al getto avvenne inizialmente nelle applicazioni di cleaning su materiali metallici al fine di ottenere una migliore rimozione di materiale. Successivamente la Flow adottò questa tecnica ai sistemi di taglio. In questo modo, la testa di lavorazione si arricchì di una camera di miscelazione a cui veniva fatto pervenire, mediante un tubo flessibile, l'abrasivo, e di un focalizzatore, un tubicino di carburo sinterizzato, avente lo scopo di migliorare la coerenza del getto. Nacque così la tecnologia del getto idroabrasivo (Abrasive Water Jet, AWJ) in grado di lavorare moltissimi materiali, tra i quali acciaio, alluminio, titanio, leghe di nichel, ceramici, vetro, lapidei, etc. Il primo sistema di taglio AWJ venne introdotto nel 1983 nel settore del vetro. L'adozione del controllo numerico ai sistemi di taglio, avvenuta negli anni '70, rappresentò un'ulteriore innovazione che permise di aumentarne vertiginosamente gli utilizzi. Nel  1986 la British Hydromechanics Research Association annunciò un importante passo in avanti: crearono un sistema nel quale l'abrasivo veniva immesso al fluido a monte dell'ugello primario. Questa variante permetteva di tagliare materiali metallici e ceramici con pressioni inferiori ai sistemi già esistenti in quanto il trasferimento dell'energia alle particelle abrasive risultava essere più efficiente grazie all'eliminazione dell'aria entrante. Tuttavia, i grani abrasivi, attraversando l'ugello primario, ne causavano un'usura accelerata riducendone considerevolmente la vita. Numerosi sforzi sono stati effettuati a livello mondiale sia dagli istituti di ricerca che dai produttori, volti da un lato ad ottenere una migliore comprensione del meccanismo di asportazione del materiale, dall'altro all'ottimizzazione dei parametri di processo delle varie lavorazioni ed al miglioramento della qualità ottenibile. Ciò ha consentito di realizzare numerosi miglioramenti e di offrire soluzioni impiantistiche molto diverse, ampliando le applicazioni e coprendo così nuovi mercati.

Per maggiori informazioni sulla tecnologia waterjet clicca:
WATER JET, A FLEXIBLE TECHNOLOGY

Di: MONNO MICHELE; ANNONI MASSIMILIANO; RAVASIO CHIARA

POLIPRESS Editore