Technologie et applications jet d’eau

Cette technologie de découpe Très Haute Pression est parfaitement adaptée aux secteurs suivants :

– agroalimentaire (découpe thématique, portionnement multi-critères, tranchage…)
– cuir et matériaux souples (industries de premières et deuxième transformation)
– industriel (métallurgie, plastiques et matériaux modernes, roches ornementales, matériaux de construction…)

C’est à la fin des années soixante, aux USA, qu’a été  mise en évidence la possibilité de concentrer une grande quantité d’énergie, dans un filet d’eau de très faible diamètre à travers un orifice calibré et convenablement profilé.

De fait, cette technique s’avérait être un nouveau procédé d’usinage des matériaux par enlèvement de matière, enlèvement très réduit en raison de la localisation extrême de l’application de l’énergie.

Tout naturellement, ce procédé était amené à apporter une solution originale pour l’ensemble des problèmes de contournage ou de découpe dans l’industrie.

Principe :

Le principe de la multiplication de pression est connu depuis longtemps et ses lois ont été définies par Blaise PASCAL au XVIIème siècle.

Un groupe hydraulique de puissance génère un flux d’huile à 200 bars, dans un cylindre hydraulique de section Sh. Ce flux actionne le piston hydraulique qui agit sur un piston plongeur un cylindre haute pression de section Shp. Le rapport de section des sections est égal à 20:1. La pression de l’eau dans le cylindre haute pression s’élève à 4000 bars.

L’eau à 4000 bars est transportée jusqu’à l’orifice calibré (percé dans un cristal de saphir ou de diamant) à travers lequel un jet d’eau très fin (diamètre 0,10 à 0,30 mm ) est éjecté à près de 1000 m/s (Mach 2,5). La densité d’énergie dans le jet (Energie cinétique) est très élevée, conférant au jet sa puissance de découpe.

Description du jet d’eau haute pression

Un jet d’eau haute pression est obtenu à partir d’un équipement comprenant généralement :

·       l’unité de traitement de l’eau courante
·       le groupe générateur haute pression
·       la tête de découpe
·       le raccordement du groupe à la tête

L’unité de traitement de l’eau courante :

En amont du groupe, elle permet la filtration, l’adoucissement et le traitement ionique, si nécessaire, de l’eau courante dans le but de la protection du système contre les agents corrosifs ou obstruants.

Le groupe générateur :

Il agit selon le principe de multiplication de pression, décrit ci-dessus :

Le raccordement du groupe à la tête :

Il est constitué d’une série de tuyauteries, raccords et vannes manuelles éprouvés aux conditions de pression de travail.

La tête de coupe :

Elle est l’organe de contrôle spatial du jet d’eau et porte l’orifice calibré d’où est éjecté le jet d’eau : la buse. La tête contient en outre, et au plus près de l’orifice, un organe de fonction d’ouverture et de fermeture rapide du jet, permettant son contrôle temporel.

Le raccordement du groupe à la tête :

Il est constitué d’une série de tuyauteries, raccords et vannes manuelles éprouvés aux conditions de pression de travail.

L’extension jet hydroabrasif :

Un dispositif complémentaire, adaptable en bout de tête de coupe, comporte une chambre de mélange où s’effectue l’injection de particules abrasives, et un canon de focalisation où le jet d’eau accélère les particules et permet de créer un « fil » abrasif. Un dispositif de distribution des particules abrasives à débit réglable est associé au système. La découpe des matériaux durs, pour lesquels le jet d’eau pur est limité, est alors possible.


Figure 5 – La tête de coupe EUROCUTTING (Système hydroabrasif)

Caractéristiques

Un générateur jet d’eau haute pression est généralement caractérisé par :
·       sa puissance nominale
·       sa pression nominale de travail
·       son débit à cette pression nominale.

EUROCUTTING SERVICES a développé une gamme de pompe de puissance 10, 30, 50 et 60 CV, et de  débit respectif de 0,8 – 2 – 4 – et 4,8 l/mn. La pression de travail nominale en régime continu est de 3500 bars.

Remarque : Si le principe d’un générateur jet d’eau haute pression est simple, sa conception nécessite un savoir-faire spécifique, garantissant la fiabilité industrielle de l’équipement dans les domaines suivants :

Métallurgie :

Choix des matériaux et procédés de fabrication pour les sous-ensembles soumis aux extrêmes pressions statiques et à la fatigue (cycles 0-4000 bars) et principalement :

·       le cylindre haute pression
·       le piston haute pression
·       la vanne de commande rapide du jet
·       les tuyauteries

Usinage :

Finition et traitement de surface du cylindre et  du piston haute pression

Étanchéités :

Principalement, l’étanchéité dynamique du couple cylindre/piston haute pression ainsi que l’étanchéité du dispositif de commande du jet.

Mécanique des fluides :

Problème des régimes transitoires (coup de bélier)
Écoulement du jet en sortie d’orifice à 1000 m/s

TECHNIQUES DE MISE EN OEUVRE

Le jet d’eau est un outil ponctuel au même titre que le fil d’électroérosion, la buse d’oxycoupage ou de plasma, le point de focalisation du laser… Un « usinage » par jet d’eau s’effectuera par la réalisation d’un mouvement relatif de la matière à découper du jet d’eau, décrivant le contour de la découpe à réaliser. Une tête de découpe jet d’eau est très maniable et peut facilement être intégrée sur un système robotisé.

Finalement, toutes les configurations suivantes sont possibles et existent sur le terrain :

Découpe manuelle : La tête de découpe est montée sur potence et est utilisée à la manière d’une scie à ruban. La matière à découper est déplacée manuellement sous le jet.

Applications : détourage de pièces moulées – plastiques – polyester résine, etc…

Découpe manuelle : Un mouvement relatif de translation jet/matière permet des applications de découpe linéaire.

Découpe XY (2 D) : Systeme PROCUT EUROCUTTING. Une (ou tête jet d’eau montée sur chariot d’une table XY permet tout type d’application de découpe des matériaux en plaque, rouleaux ou nappes.
Applications : découpe par contournage de formes programmées (tous secteurs industriels).
Découpe 3 D : Une tête jet d’eau peut être facilement montée en bout de bras ou poignet d’un robot 5 ou 6 axes et permet la découpe dans l’espace de pièces en volume.
Applications : détourage et découpe de pièces moulées ou thermoformées (plastiques, composites, SMC, …).

DOMAINES D’APPLICATION

Les matériaux découpés au jet d’eau HP :

Jet d’eau pur :

·       papier, cartons
·       cuir
·       textiles et non tissés
·       matières synthétiques, films plastiques ou composites
·       matières plastiques, mousses plastiques
·       matériaux composites : stratifiés, verre, carbone, aramides, polyamides, SIC, etc.
·       bois, placages, contre-plaqués, panneaux de particules, liège
·       matériaux du bâtiment : amiante, fibrociment, plâtre, matériaux isolation, laine de verre, laine de roche, fibres céramiques, etc.
·       matériaux pour fournitures industrielles : caoutchouc, feutre, klingerit, élastomères
·       produits frais ou congelés dans les process agro-alimentaires.

Jet d’eau abrasif :

·       aciers (courants, inox, spéciaux, etc.).
·       métaux et alliages (zinc, cuivre, aluminium, titane, etc…
·       verre standard ou multifeuilleté
·       pierres ornementales
·       faïence et céramiques
·       composites sandwich

Les avantages de la découpe par jet d’eau HP :

Au regard du vaste éventail de matériaux que les techniques du jet d’eau haute pression et jet hydroabrasif permettent de découper, chacun comprend l’étendue des domaines d’application possibles.
Cependant, cette technique est d’une part généralement une technique de substitution, confrontée à un ensemble de techniques traditionnelles éprouvées, automatisées ou non, et d’autre part une technique parallèle à d’autres nouvelles techniques de découpe automatisée.
La technique de découpe par jet d’eau haute pression se diffuse donc aujourd’hui dans le tissu industriel, pour les applications où ses avantages sont incontestables.

Les avantages de la technique jet d’eau sont liés au procédé lui-même ainsi qu’à sa capacité d’automatisation :

Les avantages généraux du procédé sont:

  • outil ponctuel de très faible section et très énergétique
  • procédé d’usinage par enlèvement très localisé de matière soit :
    • vitesse de coupe élevée
    • bonne capacité de coupe en épaisseur
    • absence de dépouille
    • absence de déformation mécanique, pas d’écrasement de la matière
    • précision
  • procédé non thermique
  • procédé induit d’une technologie courante, facile à intégrer et à maintenir en situation industrielle
  • procédé très propre : La matière arrachée par le jet est entraînée par celui-ci et facilement collectable : absence de poussière, amélioration des conditions de travail
  • procédé facile à mettre en œuvre : Paramètres de découpe limités : pression, diamètre d’orifice, vitesse de coupe, granulométrie et débit d’abrasif dans le cas de la découpe hydroabrasive
  • procédé facile à intégrer dans le cadre d’un système de découpe robotisé (1 D – 2 D ou 3D) permettant la conception de systèmes performants, flexibles et polyvalents.

EXEMPLES D’APPLICATION ET ARGUMENTATION

DECOUPE  MANUELLE

Applications :

=> industrie de transformation des matières plastiques
·       Détourage de plastiques ou composites moulés ou thermoformés

Techniques opposées :

·       Meule diamant pneumatique

Avantages en faveur du jet d’eau :

·       Vitesse de coupe
·       Qualité et finesse de coupe
·       Elimination des problèmes de sécurité (peu de pollution de l’environnement)
·       Amélioration des conditions de travail

DECOUPE LINEAIRE

Applications :

=> Industries des produits d’hygiène
·       Découpe de changes complets pour bébés (profil de dégagement de jambe)

=> Industries papier/carton – produits d’isolation
·       Découpe de rives, débandage sur lignes de fabrication de carton ondulé
·       Découpe de rives, débandage sur lignes de fabrication laine de verre
·       Débitage de pains de mousse plastique en phase non stabilisée

=> Industries agro-alimentaires
·       Tranchage de produits en agro-alimentaire : poissons congelés, volailles, pâtisserie industrielle ou portions individuelles, plats cuisinés etc…

Techniques opposées :

·       Scies ou lames coupantes

Avantages en faveur du jet d’eau :

·       Vitesse de coupe (2 à 300 m/mn)
·       Meilleure qualité
·       Fiabilité
·       Elimination arrêts machine (changes complets),
·       Elimination des écrasements (carton ondulé)
·       Amélioration des conditions de travail (laine de verre)
·       Elimination des problèmes d’usure et de bourrage (pains de mousse).

DECOUPE XY (2 D),  JET D’EAU PUR

Applications 1 :

=> Industries du cuir
·       Découpe du cuir et de l’ensemble des matériaux de fabrication dans les manufactures : chaussure, maroquinerie, vêtement de peau, mobilier cuir, sellerie, sièges voiture, etc…

Techniques opposées :

·       Coupe Manuelle – tranchet
·       Coupe Manuelle – Presse/emporte-pièce
·       Couteau automatique ou Laser

Avantages en faveur du jet d’eau :

·       Productivité/qualité
·       Flexibilité (suppression des outillages)
·       Polyvalence : découpe du cuir mais aussi des renforts, cartons, textiles, synthétiques, semelles..
·       Aucune limite de complexité des contours à découper (à la différence du couteau)
·       Diminution des pertes de matière
·       Pas d’effet thermique ni de brûlage (à la différence du laser)

Applications 2 :

=>Industries Aéronautique et spatial, Automobile, S/T Mécanique, Chaudronnerie plastique, Manufactures de fournitures industrielles, Electronique …
·       Découpe de matières plastiques, stratifiés, matériaux composites, caoutchouc, élastomères …

Techniques opposées :

·       Manuelle (traçage/découpe)
·       Fraisage 2 D ou Laser

Avantages en faveur du jet d’eau :

·       Flexibilité
·       Suppression des déformations mécaniques et arrachement matière (à la différence du fraisage/ grignotage)
·       Pas d’effet thermique ni dégagement gazeux (à la différence du laser)
·       Enlèvement matière négligeable d’où économie  matière (à la différence du fraisage)
·       Aucune limite de complexité des contours à découper (à la différence du fraisage/grignotage)
·       Polyvalence : découpe des stratifiés et composites sous toutes leurs formes (bruts-préimprégnés-plaques
·       rigides), découpe des matières plastiques qu’elles soient souples, thermoplastiques (élastomères) ou rigides (PVC-PE-PU-PTFE…)
·       Amélioration des conditions de travail et environnement

Applications 3 :

Découpe de mousses plastiques : garnitures, emballages, etc…

Techniques opposées :

·       Manuelle – couteau – Presse/Emporte-pièce
·       Emporte-pièce/Presse autom
·       Découpe CN par fil

Avantages en faveur du jet d’eau :

·       Vitesse – Précision – Qualité
·       Flexibilité
·       Elimination des déformations et dépouilles en forte épaisseur (Pas d’effet diabolo)
·       Pas de limite de complexité des contours
·       Amélioration des conditions de travail (environnement) dans le cas de mousses friables

Applications 4 :

=> Menuiserie, marqueterie, jouet, maquettisme
·       Découpe de bois, aggloméré, contre-plaqué en faible épaisseur

Techniques opposées :

·       Presse/emporte-pièce
·       Fraisage
·       Laser

Avantages en faveur du jet d’eau :

·       idem découpe des matières plastiques
·       La marqueterie est industriellement possible du fait d’un enlèvement quasi nul de matière et l’absence de limite de complexité des contours.

Applications 5

=> Fournitures industrielles
·       Découpe de joints, caoutchouc, élastomères, amiante caoutchouc, fibres etc…

Techniques opposées :

·       Traçage/découpe manuelle
·       Presse/emporte pièce
·       Laser

Avantages en faveur du jet d’eau :

·       Les mêmes que précédemment

DECOUPE XY (2 D), JET HYDROABRASIF

Applications :

=> Sous traitance mécanique tous secteurs
·       Découpe de Métaux (mécanique générale)

=> Joints et fournitures industrielles
·       Découpe de joints armés et de joints métalliques

=> Miroiteries et industries de la pierre ornementale

Découpe du  Verre
·       Découpe de pierres

Techniques opposées :

·       Fraisage 2 D
·       Oxycoupage
·       Plasma
·       Laser
·       Fraise diamant (verre et pierre)

Avantages en faveur du jet d’eau :

·       Très grande polyvalence pour une seule machine et un seul outil
·       Suppression de l’affectation thermique sur les métaux et alliage : intérêt pour aciers spéciaux, cuivre, aluminium, titane.
·       Enlèvement matière limité
·       Vitesse de coupe performante (verre et pierre)
·       Pas de limite de complexité de contour
·       Flexibilité
·       Amélioration des conditions de travail.

DECOUPE 3 D

Applications :

=> Automobile – Aéronautique
·       Détourage et découpe d’ouvertures sur pièces moulées ou thermoformées :
·       éléments de carrosserie composite
·       tableaux de bord
·       pavillons/custodes
·       garnitures de portières
·       revêtement de sol
·       éléments d’isolation thermique/phonique du bloc moteur
composites SMC – composites stratifiés
PRV – PRC
moquettes/mousses – caoutchouc
matériaux isolants phoniques et thermiques

Techniques opposées :

·       Lames coupantes dans moules 3D
·       Fraisage 3 D
·       Laser 3 D.

Avantages du jet d’eau

par rapport aux lames :
·       Flexibilité : suppression des outillages, diminution des temps de lancement, diminution des temps de mise au point
·       Versatilité
·       Performances : vitesse, précision.

par rapport aux laser :
·       Mise en œuvre d’une installation et maintenance plus simple
·       Mises au point et réglages plus simples.