인텐시파이어 펌프

인텐시파이어 선형 펌프는 워터젯 절삭에 있어 원천적이고 가장 일반적인 기술을 사용하는 펌프이다. 인텐시파이어 펌프는 물을 가압하기 위해 "강화 (intensification) 원리"을 사용하고 있다.

"강화 원리" 또는 비율은 압력을 강화 또는 증가시키기 위해 비스킷 - 플런저 영역에서 면적의 차이를 이용한다. 유압 오일이 강화된 후 저압 오일은 물을 밀어내는 고압 플런저의 면보다 면적이 20배 더 큰 비스킷을 밀어내게 된다. 따라서, 압력은 20배 더 "강화 (intensified)"된다. 즉, 20:1의 비스킷 면적과 플런저 면적의 비로 인하여 3,000 psi의 유압은 물에 대하여 60,000 psi의 압력을 발생시킨다.

전이 구역 및 스트리에이션 (Striations - 줄무늬)

커팅 헤드의 움직임이 부드럽고 정밀한 상태에서 워터젯 장비를 사용하여 절삭 작업을 진행할 경우, 부드러운 에지 (모서리)를 만들 수 있다. 절삭 속도가 최대 절삭 속도를 약 50% 초과할 경우 절단된 표면의 바닥에는 물결 무늬 모양이 나타나게 되고, 이를 스트리에이션 (Striations – 줄무늬)라고 부른다. 전이 구역은 매끈한 면에 줄무늬가 발생하게 될 때의 깊이이다. 최대 절삭 속도의 70%에서 전이 구역은 60%에서보다 절삭 표면이 더 높게 된다.

절삭력 밀도

워터젯의 절삭력 밀도는 얼마만한 면적에 얼만큼의 에너지를 가하는가와 관련이 있다. 이는 단면적이 더 작은 고압 스트림의 경우 스트림의 속도가 더 빠르게 된다는 의미이고, 또한 단면적이 더 넓은 저압/ 저속 스트림보다 출력 밀도가 더 커지게 된다는 의미이다.

제어 시스템

모션 시스템에서 제어 시스템은 프로그램, 속도 및 제트 on/off 명령에 대한 역할을 하고, 이를 전기 시스템이 이해할 수 있는 언어로 변경시킨다. 일반적으로, CNC (computer numerical control – 컴퓨터 수치 제어) 제어 시스템, PC 기반 제어 시스템 또는 이 두 가지를 결합한 하이브리드 시스템이 사용된다.

부연 설명 : 엔지니어나 설계자는 워터젯을 사용하여 절단할 사각형을 AutoCAD®와 같은 CAD (computer aided design) 프로그램을 사용하여 그릴 수 있다. 프로그래머는 (이는 동일인일 수도 있다) 이 사각형 그림을 .dxf 또는 .dwg 파일 형식으로 변환한 후 이를 CAM (computer aided manufacturing) 소프트웨어 패키지로 가져오게 된다.

이제 프로그래머는 워터젯에서 시작 및 정지 위치, 이동 방향, 절삭기 보정, 그리고 필요 시 이동 속도를 추가한다. 그 후 이 파일은 제어 시스템으로 전송되고, 여기서 작업자 (이 역시 동일 인물일 수 있다)는 장비 툴 제어 시스템에서 이 파일을 열어 커팅 헤드를 피삭재 위의 시작 지점에 위치시킨 후 부품을 절단하는 공정 사이클을 개시하게 된다.

그 후 제어 시스템은 절삭용 파일을 전기 신호로 변환하여 제어 시스템 드라이브로부터 장비 툴 모터로 전송하여 장비를 작동시킨다. 또한 제어 시스템은 물과 연마제의 작동을 시작 및 정지시키기 위한 디지털 신호를 출력한다.

쥬얼 오리피스

퓨어 워터젯 스트림을 만들기 위해 물의 압력을 속도로 전환시켜야 한다. 이러한 전환은 물이 작은 쥬얼 오리피스를 통과할 때 발생하게 된다. 사파이어, 루비 또는 다이아몬드 오리피스에 있는 작은 구멍의 크기는 0.003" ~ 0.020" (대부분 일반적으로 0.014")이다. 오리피스가 크면 클수록 압력을 유지하기 위해 더 많은 물과 더 높은 힘이 필요하게 된다.

오리피스의 크기는 최대 수압에 따라 변하지 않는다 – 최대 압력은 출력과 펌프의 설계가 결정하게 된다.

오리피스의 위에는 매우 날카로운 에지 (모서리)가 있는데, 이는 워터젯 스트림을 균일하게 만들어 주기 위함이다. 거친 또는 무뎌진 에지는 제트가 흐트러지거나 제트에 와류가 발생하게 되는 원인이 되고, 의도하지 않은 기울어진 궤적을 보이게 된다. 오리피스는 두 가지 중요한 이유로 인하여 워터젯 내에서 파열된다. 먼저, 오리피스 내에 칼슘이 생성됨으로 인하여 오리피스가 파괴될 수 있다. 이는 즉각적인 오리피스의 실패의 원인이 될 수 있다. 두 번째로 오리피스의 에지가 무뎌지거나 입자의 충격으로 인하여 파괴될 수 있다. 워터젯에서 오리피스의 상태는 일반적으로 좋거나 나쁘다 – 일반적으로 오리피스는 점진적으로 기능이 저하되지 않는다. 물의 상태가 양호할 경우, 사용 조건 및 압력에 따라 사파이어 및 루비 오리피스는 40 ~ 200 시간 동안 사용할 수 있다. 다이아몬드는 8 ~ 10배 더 비싸지만 8 ~ 10배 더 오래 사용할 수 있다.

직접 구동 펌프

직접 구동 로터리 펌프는 전 세계에 설치된 시스템 중 20% 이상의 워터젯 시스템에서 사용되고 있다. 인텐시파이어 기반 펌프와는 다르게 직접 구동 펌프에는 유압 펌프가 없다. 때때로 트리플렉스 펌프라고도 불리는 이 펌프는 전기 모터가 세 개의 피스톤과 함께 크랭크를 회전시켜 용수에 초고압을 발생시킨다.

체크 밸브

워터젯 펌프에는 체크 밸브가 있다. 체크 밸브에는 어떤 물체 (여기에서는 물)를 한 방향으로만 통과시키는 일방향 출입구가 있다.

예를 들어, 저압 용수는 일반적인 저압 호스를 통하여 유입된 후 펌프 내로 들어가 가압되는 동안 대기하게 된다. 일단 가압되면 용수는 저압 체크 밸브를 통하여 유출될 수 없게 만드는데, 그 이유는 그렇게 될 경우 저압 호스가 즉시 파열될 것이기 때문이다. 그 대신 다른 체크 밸브가 개방돼 고압 용수를 안전하게 커팅 헤드로 향하는 고압 스테인리스 스틸 라인으로 유도하게 된다.

커팅 헤드

워터젯 커팅 헤드는 쥬얼 오리피스를 통과하면서 물의 압력이 속도로 변환되는 지점이다.

어브레시브 워터젯 절삭 작업의 경우, 커팅 헤드에는 혼합 챔버 및 혼합 튜브가 포함된다. 때로는 커팅 헤드에 on/off 밸브가 포함되기도 한다. 이 밸브는 오리피스의 바로 위에 위치하고 일종의 포핏 및 시트 구성품을 사용하여 작업자 또는 CNC 관리자가 워터젯 스트림의 작동을 시작 및 정지할 수 있게 해준다.

커프 (잘린 자국)

커프는 절단된 폭 또는 절단으로 인하여 발생한 홈 또는 슬릿으로 정의된다. 어브레시브 워터젯에서 커프의 절삭 폭은 혼합 튜브 지름에 의하여 직접적으로 영향을 받게 된다. 커프는 혼합 튜브의 지름보다 약 10% 더 크다.

따라서 0.030" 혼합 튜브의 경우, 커프는 0.033"가 된다. 물론 커프는 혼합 튜브가 커지면 커질수록 증가하게 된다. 튜브의 크기는 8 시간 제트를 사용할 때마다 약 0.001" 커지게 된다.

워터젯의 얇은 절단 폭은 중요한 특징이고, 이로 인하여 복잡한 작업이 가능하다. 퓨어 워터젯 스트림의 범위는 0.003" ~ 0.015"이고, 어브레시브 워터젯의 범위는 0.015 ~ 0.070" (일반적으로 0.040")이다.

프로그래밍 소프트웨어

프로그래밍 소프트웨어는 CAM (computer aided manufacturing) 소프트웨어라고도 부른다. 프로그래밍 소프트웨어는 일반적으로 PC에 설치되고, 이 역시 장비 툴을 통하여 기기에서 프로그램할 수 있다. 프로그래머는 이전에 만든 CAD 도면을 .dxf 또는 .dwg 형식 (또는 다른 형식)의 파일로 가져오거나 CAM 소프트웨어 패키지를 사용하여 새로 패턴을 만들 수 있다.

프로그래머는 시작 및 정지 위치, 이동 방향, 커터 보상 및 필요한 이동 속도를 추가하기 위해 워터젯 내에 있는 프로그래밍 소프트웨어를 사용한다.

피드백 시스템

모션 시스템에서 피드백 시스템은 위치 및 속도에 대한 데이터의 피드백을 CNC 제어 시스템에 제공한다. 또한 피드백 시스템은 제어 시스템에 장비가 명령을 받은 대로 작동하였다는 사실을 통보한다.

드라이브, 모터 및 피드백의 해상도가 높으면 높을수록 워터젯 커팅 헤드의 움직임은 더욱 더 정밀해진다. 피드백 시스템의 모터에는 인코더를, 장비 프레임에는 이동 방향을 따라 또는 다른 방법으로 테이프 눈금 또는 유리 눈금을 부착할 수 있다.

혼합 튜브

어브레시브 워터젯 절삭 작업에 사용되는 혼합 튜브는 커팅 헤드에서 사용되는 마지막 부품이다. 물이 쥬얼 오리피스를 통과할 때 물의 압력은 속도로 전환된다.

이후 초음속 워터젯 스트림은 혼합 챔버 안으로 들어가게 되고, 여기에서 벤투리 효과로 인하여 연마제가 헤드 안으로 빨려 들어가게 된다. 그 후 물과 연마제는 혼합 튜브를 통과하게 되고 물, 연마제 및 약간의 공기의 혼합물이 분출된다.

혼합 튜브 내경의 범위는 0.015" ~ 0.070"이고, 길이의 범위는 1.5 ~ 6"이다. 여기에는 내부 수렴통 (entrance cone)이 장착돼 있다. 가장 일반적인 혼합 튜브의 내경은 0.040"이고 길이는 4 인치이다. 이 튜브는 일반적으로 80 메시 가넷 연마제를 사용한다. 정상적인 절삭 작업에서 고품질 소재의 혼합 튜브는 6 ~ 8 시간 동안 작동시켰을 경우 마모로 인하여 지름이 약 0.001" 증가하게 된다 (약간의 바인더를 함께 사용하는 나노 입자 합성 카바이드는 침식 내구성을 극대화시킨다).

초고압 (UHP- Ultrahigh-pressure)

워터젯 산업은 압력 레벨의 차이를 다르게 정의한다. 초고압은 40,000 psi (276 Mpa) ~ 75,000 psi (517 Mpa) 사이의 압력을 의미한다. 워터젯 절삭의 경우 대부분의 펌프는 55,000 ~ 60,000 psi (379 ~ 412 MPa) 사이에서 작동된다.

CFRP 복합재

CFRP는 Carbon Fiber Reinforced Plastic (탄소 섬유 강화 플라스틱)이다. 탄소 섬유는 테니스 라켓, 골프 클럽, 인공 삽입물 및 현대 항공기에 사용되는 복합재다. 이러한 정의에 대하여 우리는 상업용 항공기를 예로써 사용할 것이다. 보잉 및 에어 버스는 항공익, 스퍼 (원재), 스트럿 (지지대), 꼬리 부분에 알루미늄보다 우월한 소재로써 사용한다. 기존의 밀링을 사용한 복합재의 절삭이나 라우팅 가공은 박리, 마이크로 크랙, 위스커 및 파이버 당김과 같은 현상을 남기게 된다. 워터젯을 사용한 절삭 작업은 이러한 문제가 발생하지 않는다.

현대의 진보된 경량 복합재는 강철만큼 단단하고 견고하거나 고무만큼 유연하지만 초음속 비행 시 발생하는 응력을 견뎌낼 수 있다. 이러한 소재를 그렇게 견고하게 만드는 바로 그 특성으로 인하여 이러한 소재는 매우 절단하기 어렵다. 이러한 합성 기술은 기존의 가공 방법을 사용하기 어려운 새로운 소재의 조합을 지속적으로 개발하여 시장에 선보이고 있다.

최근까지 이러한 일반적이지 않은 소재에 대하여 다이아몬드 또는 카바이드 팁을 사용한 밀링이나 라우터, 띠 톱, 컷 오프 톱 및 연마 휠과 같은 기존의 절삭 방법을 사용해 왔다. 진보된 복합재의 합성 및 파이버의 방향으로 인하여 및 기존의 절삭 방법은 소재를 가열시키거나 모서리를 닳게 만들거나 박리시킴으로 인하여 복합재에 손상을 입히게 된다. 이러한 방법은 때때로 너무 느리고, 종종 박리 및 비용이 많이 드는 재작업과 같은 문제를 남기게 된다.

복합재는 다양한 형태로 제작된다. 고온이 발생하는 엔진은 세라믹 파이버를 사용하여 강화된 금속을 사용한다 (금속 매트릭스 복합재). 일반적으로 엔지니어들은 보다 강도가 높고, 유연성이 매우 크거나 또는 내열성이 있으면서 중량은 감소시킬 수 있는 소재를 찾고 있다. 이러한 소재는 생산 공장에 적합하고, Flow 워터젯을 사용하여 빠르고 정밀하며 소재의 온전성을 유지하면서 절단할 수 있다.