LIU-IEI-TEK-G--14/00620 SE

2014 Scandinavian Waterjet Association Linköpings universitet, IEI Simon Helgesson Rickard Johansson [Roughing with water jet] - a competitive process Linköping, 2014-06-04 LIU-IEI-TEK-G--14/00620 SE

i

Sammanfattning Examensarbetet som har utförts åt SWA har haft i uppgift att påvisa om vattenskärning är en konkurrenskraftig bearbetningsmetod jämfört med mer inarbetade metoder. Vattenskärningen har jämförts med plasmaskärning, laserskärning och oxyfuel/skärbränning både i teorin och med en konkret testdetalj som tagits fram. Teoridelen i rapporten ger en genomgång av de olika teknikernas funktion samt olika möjligheter och begränsningar för respektive metod. Utifrån teorin arbetades en testdetalj fram för att kunna jämföra snittytornas kvalitet efter bearbetning. När de fyra metodernas begränsningar vägts in återstod vattenskärning och plasmaskärning som möjliga alternativ för tillverkning. Slutsatserna i detta examensarbete påvisar att vattenskärning är en mycket konkurrenskraftig metod som håller ytterst hög kvalitet på skärsnitten samt har stor flexibilitet gällande möjligheten på skärbara material. Skärkostnaden per meter är högre än plasmaskärning, till följd av den lägre matningshastigheten. Utöver detta är vattenskärning en mycket miljövänlig bearbetningsmetod och ställer inte lika höga krav på ventilation- och skyddssystem som plasmaskärning. ii

iii

Abstract The work that has been done to the SWA has been called upon to demonstrate whether water jet is a competitive processing method compared to more established methods. Water cutting has been compared to plasma cutting, laser cutting and oxyfuel cutting both in theory and with a concrete test piece produced. The theoretical part of the report provides an overview of the different technologies function and different possibilities and limitations of each method. Based on the theory a test piece was worked out to compare the cutting surfaces after processing. When the four methods limitations were considered water jet cutting and plasma cutting were the possible alternatives for manufacturing. The findings in this thesis demonstrate that water jet is a very competitive method that has extremely high quality of the cut surfaces and has great flexibility regarding the possibility of cutting materials. The cut cost per meter is higher than plasma cutting, due to the lower feed rate. In addition to this, water jet is a very environmentally friendly processing method and does not require the same high standards for ventilation and protection systems as plasma cutting. iv

v

Förord Rapporten är ett resultat av ett examensarbete som utförts på Linköpings universitet på uppdrag av Scandinavian Waterjet Association. Examensarbetet har utförts av Rickard Johansson och Simon Helgesson som båda går sista terminen på det treåriga högskoleingenjörprogrammet med inriktning på maskin- och produktionsteknik. Examensarbetet omfattar 16 hp och har utförts under cirka 11 veckor. Ett stort tack vill vi ge till Anders Jönsson som varit vår kontaktperson på SWA och då hjälpt oss med uppgiftens omfattning och kontakt ut till företag. Jan-Anders Bengtsson på Widal Industri AB gav oss mycket matnyttig information vid studiebesöket där testdetaljen tillverkades och detta hjälpte oss mycket i vår arbetsgång. Även vår examinator, Mats Björkman, och handledare, Peter Bjurstam, ska ha ett stort tack för hjälp med de frågor vi haft under processen gällande rapportupplägg och tekniska frågor. vi

vii

Innehållsförteckning 1. Inledning... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Syfte... 1 1.3 Mål och effektmål... 1 1.4 Avgränsningar... 1 1.5 Frågeställningar... 2 1.6 Metod... 3 1.7 Diskussion kring källor... 4 2. Teoridel... 5 2.1 Vattenskärning... 5 2.1.1 Hur fungerar det?... 5 2.1.2 Pump... 6 2.1.3 Skärbord... 9 2.1.4 Skärhuvud... 9 2.1.5 Övrigt... 10 2.1.6 Abrasiv och icke abrasiv... 11 2.1.7 Begränsningar och möjligheter... 12 2.1.8 Beräkningsmodell... 13 2.2 Laserskärning... 14 2.2.1 Hur fungerar det?... 14 2.2.2 Begränsningar och möjligheter... 15 2.2.3 Beräkningsmodell... 15 2.3 Plasmaskärning... 16 2.3.1 Hur fungerar det?... 16 2.3.2 Begränsningar och möjligheter... 17 2.3.3 Beräkningsmodell... 18 2.4 Oxyfuel/Skärbränning... 19 2.4.1 Hur fungerar det?... 19 2.4.2 Begränsningar och möjligheter... 20 2.4.3 Beräkningsmodell... 20 2.5 Skärkvalitet... 20 2.5.1 ISO 9013... 20 2.5.2 Kantsprickor... 22 viii

2.5.3 Kvalitetsindelning vattenskärning... 23 2.6 Redogörelse av arbetet... 23 2.6.1 Projektupplägg... 23 2.6.2 Tillvägagångssätt... 24 3. Resultat... 27 3.1 Vattenskärning... 27 3.1.1 Beräkningsresultat... 27 3.2 Laserskärning... 27 3.3 Plasmaskärning... 27 3.3.1 Beräkningsresultat... 27 3.4 Oxyfuel/skärbränning... 28 3.5 Sammanställning av egenskaper... 28 3.5.1 Skärkvalitet vattenskärning... 29 3.5.2 Skärkvalitet plasmaskärning... 30 4. Slutsatser... 31 5. Diskussion... 33 6. Referenslista... 35 6.1 Artiklar och litteratur... 35 6.2 Elektroniska... 35 6.3 Figurer... 37 Bilagor... 39 Bilaga 1, formler för vattenskärning... 39 Bilaga 2, konstanter för laser-, plasma- och oxyfuelskärning... 45 Bilaga 3, beräkningsformler för laserskärning... 47 Bilaga 4, beräkningsformler för plasmaskärning... 49 Bilaga 5, beräkningsformler för oxyfuelskärning... 51 Bilaga 6, G-kod och skärdata från Widal Industri... 53 Bilaga 7, Intervju Widal Industri AB... 61 Bilaga 8, utförda beräkningar för vattenskärning... 63 Bilaga 9, utförda beräkningar för plasmaskärning... 65 Bilaga 10, ritningsunderlag för testdetalj... 67 ix

1. Inledning 1.1 Bakgrund Scandinavian Waterjet Association, SWA, är en oberoende branschorganisation för vattenskärning med ambitionen att utforska och utveckla vattenskärningstekniken i de områden där deras medlemmar kan se mest nytta av det. SWA grundades 1996 och är en ideell organisation med ett brett nätverk av slutanvändare, leverantörer och underleverantörer. Idag finns cirka 80 verkande medlemsföretag i Skandinavien och ett brett kontaktnät inom forskning och utveckling och tack vare detta har SWA blivit skandinavisk vattenskärnings egen branschorganisation med stark legitimitet och självständighet. Examensarbetet grundar sig i en förfrågan från SWA gällande att ta fram material för företagen som är kopplade till SWA som de sedan kan använda för att marknadsföra bearbetning med vattenskärning jämfört med konventionella bearbetningsmetoder. Tanken är att arbetet ska undersöka om vattenskärning är en konkurrenskraftig metod. Vattenskärning är en metod som använder sig av sand och vatten som med högt tryck kan erodera material. Sanden kallas även för abrasivmedel. Vattenskärning används som en skärande metod och påverkar inte kringliggande material med värme eller mekanisk bearbetning. Vattenskärning är en relativt ny metod i förhållande till andra skärande bearbetningsmetoder. Vi kommer att vidare förklara metoden vattenskärning under teoridelen 2.1.1. 1.2 Syfte Ta fram underlag för kostnader och skärkvalitet vid bearbetning med vattenskärning. Underlaget grundar sig i ett konkret case som består av en specifik detalj. 1.3 Mål och effektmål Målet är att ta fram ett bra exempel som kan användas som underlag för att kunna utvärdera när vattenskärning är en lämplig bearbetningsmetod jämfört med traditionella bearbetningsmetoder. Förhoppningen är att företagen kan använda sig av materialet för att enklare kunna motivera vattenskärning som bearbetningsteknik på mässor, seminarier och direkt till kund. 1.4 Avgränsningar Enbart ett case kommer studeras där skärhastigheter, abrasiv- och vattenflöde ej kommer optimeras, utan beräknas enligt företagens skärdata. Dessutom kommer enbart en typ av detalj tillverkas där kvaliteten på snittytorna kommer jämföras. Beräkningarna kommer ske utifrån utvalda beräkningsmodeller. Antalet bearbetningsmetoder som kommer undersökas utöver vattenskärning för att bearbeta vår detalj är begränsat till laserskärning, plasmaskärning och oxyfuel/skärbränning. 1

1.5 Frågeställningar Vad skiljer vattenskärning från andra kända metoder för skärande bearbetning? Med vilken kvalité kan de olika metoderna skära och med vilken hastighet, med tyngd på vattenskärning? Kan vattenskärningsmaskinen vara billigare än maskiner som använder sig av plasmaskärning, skärbrännare eller laser? Kan den detalj som vi utvecklat för tester göras billigare eller snabbare med någon annan av de fyra tidigare nämnda metoderna? 2

1.6 Metod I examensarbetets startskede skapades en strukturmall att arbeta utefter, se figur 1. Som grund i denna mall börjar vi med att bygga upp en teorigrund, dels för att bättra våra kunskaper inom vattenskärning och övriga bearbetningsmetoder och dels för hitta relevanta beräkningsmodeller för bearbetningskostnad. Utifrån den information som hittas kommer en detalj i CAD arbetas fram, som går att tillverka i vattenskärning men även med de andra bearbetningsteknikerna; exempelvis plasmaskärning och laserskärning. Ritningsunderlag för detaljen tas fram och kontakt med företag som har möjlighet att tillverka detaljen etableras. I samband med tillverkningen av detaljen är förhoppningen att kunna göra ett studiebesök och då intervjua operatör och andra inblandade för att diskutera skäroperationerna och parameterval. I första hand kommer en detalj vattenskäras. Detaljerna studeras sedan gällande kvalitet på snitten. Eftersom den vattenskurna detaljen tillverkas först är det denna detaljs skärytor som kommer försöka återskapas med de övriga bearbetningsteknikerna för att då kunna göra en god jämförelse mellan bearbetningskostnader, tillverkningstider etc. som då är nästa steg i arbetet. I beräknings-fasen används de beräkningsmodeller och formler som arbetats fram i teoriramen för att arbeta fram totaltkostnader för skäroperationerna. All fakta och data sammanställs sedan i rapporten. Teoriram Insamlingsprocess av teori kring bearbetningsmetoder och beräkningsmodeller CAD Framtagning av detalj till beräkningsunderlag Tillverkning av detaljer Beräkningar Utförande av beräkningar på bearbetade detaljer Sammanställning Sammanställning av projektets alla delar i en rapport Figur 1. Projektets upplägg. 3

1.6.1 Metod för att hantera rapportupplägg och information För att få ett relevant upplägg på rapporten har vi i projektgruppen diskuterat oss fram till de rubriker vi väljer att ha med. Vi har valt relevanta rubriker som grundar sig på projektets frågeställningar. Sedan behandlar vi varje rubrik var för sig för att lättare kunna få en överblick över hela rapporten redan på ett tidigt stadium. Denna metod kallas Rubrikmetoden och kommer att underlätta för oss då vi kan strukturera upp arbetet på ett effektivt sett. Vi har sedan samlat råinformation under varje rubrik som vi har läst igenom noga. Den information vi sedan hittat relevant för vår rapport har vi bearbetat och byggt vår teoriram på. Teoriramen ligger sedan till grunden för våra diskussioner och slutsatser. Den empiriska delen i vår undersökning har bestått av ett företagsmöte på Widal Industri AB i Getinge. Där var vi på plats när den testdetalj vi utformat skars ut. En semistrukturerad intervju med kvalitet/miljö- och svetsansvarig, Jan-Anders Bengtsson utfördes där förberedde frågor utifrån beräkningsmodellerna besvarades men även nya frågor dök även upp under intervjuen och studiebesökets gång. Frågorna vi hade med oss var baserade på de beräkningar som vi, efter besöket, skulle göra. Se bilaga nummer 7 för frågorna vi ställde och svaren vi fick. Vår undersökning är av kvalitativ karaktär då vi valt att skära ut en testdetalj. Vi valde att använda oss av enbart en testdetalj för att kvalitén inte förändras särskilt mycket på ett litet antal skärningar. Eftersom testdetaljen är utformad på ett sådant sett att flera kvaliterer kommer att undersökas på samma detalj var det inte relevant att skära ut fler av den. Vi fick det resultat vi önskat med testdetaljen, nämligen att med en detalj kunna se vattenskärningens olika kvalitéer. 1.7 Diskussion kring källor Stora delar av den fakta som använts kring bearbetningsteknikerna och dess utrustning har tagits från hemsidor till företag som tillverkar och säljer anläggningar. Vi har bortsett från den säljande delen av informationen som där finns tillgänglig och använt de delar som innehållit ren fakta om den tekniska uppbyggnaden. Information på utslitningstider och reservdelskostnader har varit svåra att hitta på dessa hemsidor, så här har vi fått förlita oss på de intervjuer som utförts på samarbetande företag och från tidigare forskningsarbeten. Vi har även fått ett tidigare forskningsprojekt av vår handledare på SWA som belyser liknande frågeställningar som vårt projekt, gällande beräkningar av skärhastighet och kostnader för vattenskärning. Vi har utgått ifrån att dessa beräkningsmodeller är tillräckligt tillförlitliga. Formler och ingående parametrar samt källor har tydligt studerats för att säkerställa att forskningsprojektet har goda vetenskapliga grunder. På samma vis har även ett antal tidigare examensarbeten gällande kostnadsberäkning för plasma-, laser- och oxyfuelskärning analyserats och använts. Kontakten med företag har gett oss mycket matnyttig information, dels via möten där tekniker och problem har diskuterats och dels via material vi fått med oss efter besök. Även SWA har försett oss med sitt material kring vattenskärning, som vi då anser vara väldigt trovärdigt då de är Skandinaviens branschorganisation i ämnet. 4

2. Teoridel Här kommer de fyra olika bearbetningsmetoderna, vattenskärning, laserskärning, plasmaskärning och oxyfuel/skärbränning, undersökas och presenteras. Den tekniska uppbyggnaden av anläggningarna samt hur skärprocessen går till visas men även teorin bakom de valda beräkningsmodellerna läggs fram. 2.1 Vattenskärning En vattenskärningsanläggning består av ett antal huvudkomponenter; en pump, ett skärbord och ett eller flera skärhuvuden. Vattenskärningsanläggningen kan även utrustas med en hel uppsjö av tillbehör. Dessa detaljer och funktion samt skärprocessen kommer att beskrivas nedan [4-27]. 2.1.1 Hur fungerar det? Med hjälp av det höga trycket som vattenstrålen lämnar munstycket med kan material bearbetas helt utan värmepåverkan. Tack vare detta kan deformationer i skärområdet undvikas, vilket i metalliska material kan leda till mikrosprickor i kringliggande material. I så kallade sandwichmaterial, där olika material blandas lagervis, är en icke värmepåverkande skärmetod enda alternativet då materialen kan ha olika smältpunkt eller känslighet för värmepåverkan. Även i plast och komposit kan värmepåverkan förstöra kanterna då materialet bränns. Kvaliteten på skärytorna blir mycket god och någon efterbearbetande operation behöver därför inte vara nödvändig [2-4-8-9]. Vattenstrålen i sig har kraft nog att skära genom de flesta icke-metalliska material utan att tillsätta något abrasivmedel, dvs. sanden. Men för att kunna skära i metalliska och keramiska material måste abrasivmedel tillsättas i vattenstrålen [4-10]. Vattenskärning utnyttjar erosion i kombination med effekten av mikrobearbetning. Mikrobearbetning innebär att abrasiva partiklar avlägsnar små delar av materialet som bearbetas. Beroende på skärhastighet och skärkraft skapas vinklade strimmor i skärytan, vilket visas i figur 2. Vinkeln på dessa ökar i takt med skärhastigheten, tills vattnet ej längre klarar av att bearbeta genom materialtjockleken. Skärkraften beror på vattentrycket och abrasivmatningen [4-7-8-26]. Figur 2. Strimmorna som skapas i skärytan, högre skärhastighet ger mer vinkel. 5

2.1.2 Pump Pumpen till anläggningen väljs enligt några parametrar som måste klara av att uppfylla de krav tillverkningsprocessen kräver, exempelvis tillräckligt vattenflöde för att kunna driva fler skärhuvuden. Två olika typer av pumpar används i vattenskärningsanläggningar; direct drive och intensifier [26]. 2.1.2.1 Effekt Effekten, i samverkan med vattentrycket och vattenflödet, avgör om det är möjligt att uppnå vald ytfinhet på kanterna, skärhastighet, toleranser och övriga produktionstekniska krav för att få en kostnadseffektiv process [26]. Dessa tre faktorer i samverkan avgör hur stort munstycke du kan använda och hur många munstycken du kan köra samtidigt, vilket har en avgörande roll på bearbetningshastigheten och vilken tjocklek på material som kan bearbetas [26]. Effekten på pumpen anges i antingen hästkrafter eller kilowatt, hk respektive kw. Denna storhet visar den elektriska motorns effekt, och det är alltså denna som skapar kraften för att trycksätta vattnet [26]. 2.1.2.2 Tryck Pumptrycket står i direkt korrelation till skärhastigheten för en vald munstyckesstorlek och antal skärhuvuden. Högre tryck ger högre skärhastighet och vice versa, se figur 3. Dock innebär ett högre tryck även att pumpen får jobba hårdare, och därmed ökar behovet av tätare serviceintervall. Servicekostnaderna får balanseras mot skärhastigheten för att uppnå en ekonomisk avvägning. Pumptrycket anges i bar eller PSI (Amerikanska tillverkare). Grafen nedan visar effekten på skärhastigheten av ökat pumptrycket [26]. Figur 3. Ökat tryck ger ökad skärhastighet. 6

2.1.2.3 Vattenflöde Pumpens effekt och tryck ger oss vattenflödet. Vattenflödet ökar linjärt med effekten, exempelvis en 50 hk-pump ger vid 4137 bar (60 000 PSI) ett vattenflöde på 3,79 liter/minut (1 gallon/minut). En dubbelt så effektfull pump ger också det dubbla flödet, dvs. 7,58 liter/minut [26] Flödet avgör hur många skärhuvuden som maximalt kan användas i kombination med vald pump. Pumptillverkarna anger Maximum Output Pressure och Operating Output Pressure och kopplar dessa till olika vattenflöden. Maximum Output Pressure är det maximala trycket pumpen kan leverera medan Operating Output Pressure är det trycket man kan förvänta sig under en kontinuerlig tillverkningsprocess, och vattenflödet begränsas då av detta. Därför bör pumpvalet baseras på den senare parametern [26]. 2.1.2.4 Munstyckesstorlek och antal skärhuvuden Munstyckets maximala diameter begränsas av hur högt tryck och flöde pumpen kan leverera. Ett större munstycke ger en högre skärhastighet, eftersom ett större volymflöde av vatten då kan uppnås, vilket även innebär att en större mängd abrasivmedel kan transporteras [26]. Fler skärhuvuden innebär att fler detaljer kan skäras samtidigt. Antalet skärhuvuden begränsas också av pumpens kapacitet. Beroende på vilken typ av pump som väljs kan skärhuvudena arbeta med olika detaljer, eller vara tvingade att arbeta parallellt med samma detalj [4-26]. 2.1.2.5 Direct Drive En direct drive-pump får sin drivkraft från en elektrisk motor, som är kopplad till en vevaxel vilken överför sin roterande rörelse till kolvarnas linjära rörelse, se figur 4. Kolvarna trycksätter vattnet likt kompressionscykeln i en bilmotor. Ett högre varvtal ger ett högre vattentryck och flöde [26]. Dessa pumpar har betydligt högre pumpfrekvens än en intensifier. Varvtal upp mot 1750 varv per minut förekommer jämfört med 50-60 pumpslag per minut för en intensifier. Dock används direct drive oftast i anläggningar med lägre tryck (<3800 bar). Möjligheten att använda flera skärhuvuden begränsas av att skärhuvuden kopplade till en direct drive måste skära samma detalj samtidigt då pumpen alltid är trycksatt [10-26]. Både servicekostnader och tidsåtgång för serviceåtgärd är betydligt högre än för en intensifier, då en direct drive har en komplexare uppbyggnad med många rörliga delar som slits. Pumparna har dock en högre effektivitet och låga tryckvariationer [26]. Figur 4. Funktion av en direct drive-pump. 7

2.1.2.6 Intensifier Den mest förkommande pumpen i en vattenskärningsanläggning är en så kallad intensifier. Namnet kommer ifrån det engelska ordet för förstärkning, då pumpen utnyttjar areaförhållande och tryckförstärkningen som uppstår [10-26]. Hydrauliskt oljetryck appliceras på pumpkolvens ena sida som då får kolven i rörelse. Kolvens andra sida, som har mindre area, komprimerar vattnet. Förhållandet mellan dessa areor ger pumpens förstärkningsfaktor, vilket oftast är 20 gångers förstärkning. Pumpfrekvensen för en intensifier är oftast 50-60 slag per minut vid full kapacitet [26]. Som man kan se i figur 5 arbetar pumpen åt båda hållen. (A) Hydraulolja in och (B) hydraulolja ut. Areaförhållande mellan kolvarna (C). (D) vatten in och (E) trycksatt vatten ut. (H) är kolven som rör sig åt höger och (G) är kammaren för vattnet. Oljan förflyttas från ena sidan av kolven till den andra via en växlingsventil när full slaglängd åt ena hållet uppnåtts. Kolven byter då riktning och komprimerar vatten i den andra kammaren. Vattentrycket byggs upp mot munstycket i skärhuvudet och kan bibehållas så länge munstyckets diameter ej överskrider gränsen för hur stort flöde pumpen kan leverera. Överskrids diametern försöker pumpen arbeta snabbare än vad den är designad för och en så kallad over stroke kan uppstå. Ett munstycke med liten diameter ger att pumpfrekvensen blir lägre för att uppnå samma kontinuerliga tryck [26]. Även läckage mellan pumpen och skärhuvudet innebär att trycket vid munstycket minskar, och att pumpen därmed får arbeta hårdare än vad som är nödvändigt [26]. Figur 5. Funktion av en intensifier-pump. 8

2.1.3 Skärbord Storleken på skärborden kan variera ganska mycket. Från bord med mått på 0,5 x 0,5 meter till bord som kan skära detaljer som är 14 meter långa och 4 meter breda. Men det finns lösningar för att skära större delar, då används bord som har rullband eller liknande. Rullband används då oftast till skärning med enbart vatten, alltså utan abrasivmedel [4]. Inom den tvådimensionella vattenskärningen med abrasivmedel läggs materialet på ett speciellt skärbord. Eftersom vattenstrålen är mycket kraftfull är det viktigt att stoppa strålens skärande funktion. För att stoppa upp strålen använder man sig av en bassäng med vatten. Vattnet kommer att absorbera skärstrålens energi på ett effektivt sätt [4]. Då materialet som ska skäras behöver ligga vid bassängens vattenyta krävs att det hålls upp av ett galler. Gallret kommer förstås också att bli påverkat av skärstrålens kraft. Därför kan det vara viktigt att inte alltid skära på samma ställe på skärbordet då gallret snabbt blir slitet. Gallret kommer alltså att behöva bytas med jämna mellanrum på grund av slitage från strålen. För att underlätta monteringen av det material som ska skäras på skärbordet kan man sänka vattennivån i bassängen. Det gör att det blir lättare att fixera materialet i gallret med hjälp av tvingar. Efter monteringen höjer man vattennivån igen för att de skärande munstyckena ska ligga under vattenytan. Det görs för att ljudnivån blir mycket lägre och abrasivmedlet dammar inte lika mycket i omgivningen som det skulle göra om munstyckena vore över vattenytan. Det koordinatsystem som maskinen använder sig av ligger inte permanent i skärbordet utan kan nollställas då det material som ska skäras monteras på skärbordet. Det görs för att maskinen inte alltid ska starta sitt skärande på samma ställe då det sliter mycket på det underliggande gallret. 2.1.4 Skärhuvud Skärhuvudet är den del i anläggningen som skärmunstycket sitter monterat på. Huvudet sitter i sin tur på skärbordets rörliga axlar. 2.1.4.1 Fleraxlighet Att frångå de tvådimensionella skärborden och istället montera vattenskärmunstyckena på en robot som kan arbeta i flera axlar kan vara en bra idé för att öka flexibiliteten med avseende på vad för produkter man kan skära. Ett problem man då får är att strålen inte kan bromsas upp i bassängen som vanligen finns på den tvådimensionella anläggningen. Därför behöver anläggningen en inkapslad cell för att den ska bli säker för omgivningen [4]. Det finns även skärbord som har möjlighet att skära med en viss vinkel, det kan användas då man ska skära ut bitar som senare ska fogas ihop. Här kan även kompensering för den lilla vinkelavikelsen som uppkommer i snittet då man skär tjockt material användas. 2.1.4.2 Flera skärhuvuden Då man vill förbättra produktiviteten på ett skärbord kan flera skärhuvuden monteras. Det vanligaste är att skärhuvudena arbetar parallellt med varandra. Alltså att de sitter på samma positioneringssystem och då kopierar vad det andra skärhuvudet gör. Antalet skärhuvuden bestäms av pumpens maximala flöde vid ett önskat vattentryck. Ju fler huvuden desto högre flöde måste pumpen leverera för att kunna hålla samma tryck [4-27]. 9

Sedan finns det applikationer som göra att man kan styra vart och ett av skärandehuvudena separat, det gör att man kan skära ut samma detalj med två olika skärhuvuden. På stora detaljer kan det göra att produktiviteten ökar, eller så skär man på samma tid men med bättre snittkvalité [27]. 2.1.5 Övrigt 2.1.5.1 Styrenhet och mjukvara Styrenheten till anläggningen innehåller allt från styrsystem till användargränssnitt. Det är här som skärprocessen programmeras, CAD-filer omvandlas till G-kod, material- och skärdata väljs och styrsystemet använder datan för att styra skärbordets axlar, se figur 6. Många tillverkare erbjuder en mängd funktioner i sina styrenheter, exempelvis direktuppkoppling mot teknisk support så diagnostik av anläggningen kan skötas utifrån för att uppträcka fel. Även dataloggning av anläggningens användning av abrasivmedel, vattenåtgång och tid tills service kan visas [26-27]. Mjukvaran programmeras via ett operatörsgränssnitt, där koordinatsystemet för materialet som placerats på skärbordet definieras. Speciella mjukvaror kan användas för så kallad nesting, som innebär att detaljer packas samman på materialets yta för att få så lite spill som möjligt, se figur 6 [26-27]. Figur 6. Bilder på styrskåpet, operatörsgränssnittet samt nesting-mjukvara. 2.1.5.2 Extrautrustning För att kyla pumpen används vatten. Ibland kan det vara nödvändigt att kunna återcirkulera detta vatten, dvs. ej släppa ut det direkt för att minska vattenåtgången etc. Då finns det särskida kylare som då kylar ner vattnet och därmed kan återanvända det [26-27]. Abrasivmedlet blir förorenat med material som bearbetats bort och för att slippa behöva köpa ny sand efter enbart en skärning går det att rena sanden i återvinningssystem. WARDjet hävdar att 60 % av det abrasivmedel som använts går att återanvända. Vid skärning vid hög abrasivmatning kan en investering i ett återvinningssystem vara mycket lönsam [26-27]. Även vattnet kan återanvändas i skärprocessen, men för att undvika att skadliga partiklar tar sig in i pumpsystemet kan ett reningssystem för vattnet krävas. Reningen av vattnet ökar pumpens livslängd, då tätningar etc. ej slits lika hårt och vattnet till och med kan hålla högre kvalitet efter rening än kranvatten [26-27]. 10

Skärhuvudet kan förses med en mängd olika sensorer för att underlätta tillverkningen och även undvika att fel uppstår. Höjd- och kraschsensorer kontrollerar avståndet mellan munstycket och materialet och detta minskar risken för att förstöra munstycket tillföljd av att man kör för nära. Vid skärning av tredimensionell detalj (med exempelvis ett femaxligt skärhuvud) är det extra viktigt med en höjdsensor. Annars kan de snitten som ej är tvådimensionella bli av mycket dålig noggrannhet [26-27]. 2.1.6 Abrasiv och icke abrasiv 2.1.6.1 Munstycken Det abrasiva munstycket består av flera olika delar vilket kan ses i figur 7. Vattnet med högt tryck kommer in i det primära munstycket och koncentreras med hjälp av ett mycket hårt material, se figur 8 för närbild på detta munstycke. Ofta används en safir, rubin eller diamant för att koncentrera strålen. Strålen kommer sedan in i blandningskammaren där abrasivmedlet tillförs. I blandningskammaren bryts vattenstrålen upp till små droppar som i sin tur överför sin rörelseenergi till abrasivmedlet som accelereras till mycket höga hastigheter. Den abrasiva vattenstrålen fokuseras sedan i abrasivmunstycket till en skärande sand och vattenstråle. Den abrasiva vattenstrålen består av ca 4 % vatten, 1 % abrasivmedel och resterande mängd luft [4-7-10]. Både vattenmunstycket och det abrasiva munstycket kommer att slitas och behöver bytas ut med jämna mellanrum. Även andra delar i munstycket kommer att slitas. Det är alltså mycket viktigt att munstyckena ligger i linje med varandra för att vattenstrålen inte ska tappa kraft. Vattenmunstycket väljs mindre än abrasivmunstycket. Ett diameterförhållande mellan de två munstyckena ligger oftast på 3 eller något över [10]. Figur 7. Visar de olika delarna i ett abrasivt skärhuvud. 11

Figur 8. Vattenmunstycket i närbild. 2.1.7 Begränsningar och möjligheter Vattenskärning är en skärmetod som inte arbetar termiskt, dvs. ej utnyttjar värme för att bearbeta materialet. Materialet i snittytorna får därmed ingen värmepåverkan som kan påverka materialets egenskaper negativt, utan det ingående materialet till skäroperationen har samma egenskaper som det utgående. Bearbetningen har ingen mekanisk påverkan på materialet, eftersom ingen fysisk kontakt förekommer, tillskillnad från exempelvis fräsning där skärstål nöter mot materialet och där kan skapa påfrestningar och spänningar i materialet [2-4-8-9-10-21-22]. Snittytorna får hög kvalitet vilket innebär att efterbearbetning oftast ej är nödvändig. Inget slagg eller smält material behöver tas bort. Kvaliteten på dessa snitt håller lika hög kvalitet som ISO 9013 bästa kvalitet, som finns att läsa mer om under 2.5 Skärkvalitet [2-4-8-9-10-21-22]. Ett visst vinkelfel kan uppstå på snitten, men i en korrekt inställd skäroperation är dessa försumbart små och kräver inga efterbearbetande operationer [7-9-20]. Då inga gaser används vid skärning och inget material värms till sådana temperaturer att de förångas förekommer inga skadliga gaser och ångor som skulle kunna skada operatör och miljö [4-6-10]. Vid service av skärhuvudet, där vatten- och abrasivmunstycke exempelvis byts, krävs ingen väntetid för att maskinen ska svalna så delarna får hanterbara temperaturer. Servicen går därmed att utföra direkt efter skäroperation och stilleståndstiden blir därmed minimal. Vattenskärning klarar att skära nästintill alla material, ett av de få undantagen är härdat glas. Även så kallade sandwich-material går utmärkt att bearbeta. Dessa material är flera olika material som är sammansatta i skikt, t.ex. cellplast mellan aluminiumplåtar. En termisk skärprocess skulle smälta cellplasten, och därmed helt förstöra materialet [4-6-8-9-10-21]. 12