Il taglio a getto d'acqua nasce all'inizio degli anni Settanta e si sviluppa commercialmente solo nel decennio successivo, trovando applicazione in un buon numero di campi.

Inizialmente con un getto di sola acqua espulso ad elevatissime pressioni (fino a 400 MPa) da un ugello di piccolo diametro (0,1 - 0,5 mm) era possibile tagliare una vasta gamma di materiali (cartone, stoffe, nylon, compensato, polietilene e prodotti alimentari) ma per diventare competitiva nei confronti delle tradizionali tecnologie di taglio, alla nuova tecnologia era richiesta la capacità di tagliare anche i metalli.

Un primo tentativo eseguito dagli studiosi fu quello di lavorare con pressioni dell'ordine dei 700 MPa per tagliare, con il getto di sola acqua, una lastra di alluminio di appena 0,5 mm di spessore. Questa strada fu subito abbandonata in quanto pressioni di questo ordine di grandezza sono difficilmente raggiungibili in ambito industriale.

Nei primi anni Ottanta vennero aggiunti al getto di sola acqua dei grani di abrasivo (tipicamente granato o sabbie silicee), ottenendo un incremento enorme della capacità di taglio.

Questo fatto, unito all'integrazione con impianti robotizzati e sistemi computerizzati, ha permesso la realizzazione di tagli complessi, tridimensionali e sui materiali più duri e difficilmente lavorabili con le tradizionali tecnologie di taglio (ad esempio titanio, acciaio inossidabile, marmo, vetro e materiali compositi) ottenendo prestazioni spesso irraggiungibili dagli altri sistemi di taglio.

Il presente progetto ha come obbiettivo l'individuazione, la progettazione e la messa a punto di un sistema in grado di controllare una particolare variabile di processo, ossia la portata di abrasivo.

Difatti gli effetti che le variazioni incontrollate della portata di abrasivo possono causare sulla qualità del taglio sono notevoli; essa infatti influenza tutti i parametri normalmente utilizzati per la valutazione della qualità del taglio AWJ, in particolare la profondità massima del solco di taglio, la rugosità media della superfici ottenute e la conicità del solco.

Gli attuali sistemi di taglio a getto idroabrasivo non sono dotati di sistemi di adduzione in grado di effettuare un controllo "attivo" della portata di abrasivo, lasciando quindi questa importante variabile del processo senza un adeguato controllo.

Da queste brevi considerazioni preliminari nasce la necessità di disporre di sistemi di controllo retroazionato della portata in grado di ridurre al minimo la variabilità che caratterizza questo parametro e quindi garantire al termine della lavorazione una maggiore uniformità del taglio.

Necessità di un sistema di regolazione

Il taglio mediante l'uso di un getto idroabrasivo (AWJ) è un processo di rapida erosione. La rimozione del materiale avviene a causa dell'impatto delle particelle abrasive con il materiale in lavorazione. Le particelle abrasive hanno una velocità supersonica ed il getto d'acqua gioca il ruolo di vettore di energia accelerando le particelle di abrasivo.

La tecnologia AWJ rappresenta un'alternativa molto interessante ad alcune tecnologie tradizionali sia per quel che riguarda problemi specificatamente tecnici sia per far fronte all'esigenza di concorrenza in un mercato che ha dato sempre più peso al processo di produzione industriale. La tecnologia AWJ è nata negli anni '70 e da allora si è sempre compiuto un costante sforzo con l'intento di comprendere a fondo i fenomeni che regolano il processo di taglio mediante getto idroabrasivo.

Nonostante siano trascorsi 30 anni, si può affermare che l'AWJ sia ancora una tecnologia con molte potenzialità da scoprire. Le principali difficoltà che ne hanno caratterizzato lo sviluppo risiedono nella presenza di parecchie variabili di processo in gioco. Proprio per questo, in un'ottica di continuo sviluppo tecnologico e qualitativo di questi sistemi, non si può più pensare di lasciare senza controllo una variabile fondamentale, come è la portata di abrasivo.

Breve descrizione fisica del processo

L'acqua, eventualmente additivata con un polimero a catena lunga per migliorare la coerenza del getto, viene aspirata in un intensificatore di pressione e portata alla pressione desiderata (fino a 400 MPa); successivamente viene spinta in un accumulatore che funge da attenuatore della pulsazione di pressione, così da arrivare all'ugello con una pressione abbastanza uniforme.
Per ragioni di sicurezza l'intensificatore viene in genere posto lontano dalla stazione di taglio.
L'ugello primario è il punto nel quale avviene la trasformazione dell'energia di pressione in energia cinetica del getto. Questo componente ha dimensioni che variano da 0,1 a 0,5 mm, e la velocità dell'acqua in questo punto può raggiungere i 900 m/s, ovvero circa tre volte la velocità del suono.

Lo spessore del materiale che si può tagliare aumenta col crescere del diametro dell'ugello e della pressione imposta dall'intensificatore, mentre diminuisce con l'aumentare della velocità relativa fra testa e pezzo.

Generale la qualità del taglio è tanto maggiore quanto maggiore è l'energia spesa per unità di lunghezza tagliata.

Seguendo il flusso del getto, dopo l'ugello primario si trova la camera di miscelazione, dove il getto d'acqua incontra l'abrasivo e lo trascina con sé attraverso un focalizzatore che mantiene collimato il getto dirigendolo contro il pezzo in lavorazione.

L'aggiunta di abrasivo al getto di sola acqua rende possibile il taglio dei metalli; inoltre, a parità di spessore tagliato, aumentando la quantità di abrasivo miscelata si possono realizzare tagli con velocità di avanzamento della testa maggiori e quindi ciò consente un notevole miglioramento della produttività del sistema.

Al fine di conoscere meglio le caratteristiche, le possibili applicazioni e le potenzialità di questa affascinante tecnologia, ne vengono di seguito brevemente elencati i principali vantaggi e svantaggi:

¨ flessibilità del sistema: intesa sia come capacità di tagliare una gamma di materiali molto vasta sia come capacità di realizzare un taglio omnidirezionale nel piano e tridimensionale, soprattutto se interfacciata con sistemi di tipo CAD/CAM, il tutto unito dalla possibilità di iniziare il taglio da qualunque punto del materiale, senza dover realizzare un foro di partenza con altri mezzi;

¨ superfici ottenute: le superfici ottenute presentano limitatissimi danneggiamenti termici nella zona di taglio grazie all'azione refrigerante dell'acqua e danneggiamenti meccanici quasi inesistenti, grazie alle ridotte forze di interazione meccanica (dell'ordine di poche decine di Newton);

¨ fissaggio del pezzo: le ridotte forze di interazione pezzo-utensile consentono di semplificare notevolmente il fissaggio del pezzo;

¨ larghezza del solco: si ottiene una larghezza del solco di taglio minima, con una diminuzione degli sfridi di processo ed un'asportazione istantanea del truciolo assieme all'acqua e all'abrasivo;

¨ usura dei componenti: ugello primario e focalizzatore, durante il processo subiscono una rapida usura; il loro costo, dal momento che non vengono sostituiti al cambiare della lavorazione, può essere ripartito su un elevato numero di pezzi, inoltre si ottiene un notevole risparmio per quanto riguarda i tempi di attrezzaggio;

¨ rumorosità: il sistema presenta una elevata rumorosità, dovuta al fatto che il getto d'acqua uscente dalla testa di taglio ha velocità supersoniche, soprattutto nel caso di taglio con sola acqua; questo inconveniente può essere risolto con la tecnica getto sommerso, ovvero innalzando il livello dell'acqua nella vasca fino alla completa copertura della tavola portapezzo, del pezzo stesso e di parte della testa di taglio;

¨ produzione di polveri: la produzione di polveri è causata dall'impatto particella-pezzo che devia le particelle in ogni direzione, diffondendole nell'ambiente e depositandole sugli organi della macchina; per ovviare questo problema si può intervenire utilizzando dei sistemi di aspirazione e di depolveratori;

¨ smaltimento dell'abrasivo: le quantità di abrasivo industrialmente utilizzate sono molto elevate; l'abrasivo dopo essere stato utilizzato nella lavorazione deve essere smaltito come rifiuto industriale, quindi conferibile ad una discarica e non smaltibile come rifiuto solido assimilabile agli urbani.