Usinage par jet d'eau abrasif : principes, applications et impact industriel

La découpe par jet d'eau est une technologie de spécialité utilisée dans de nombreuses industries, de l'exploitation minière à l'agroalimentaire, depuis ~1850. Dans les années 1960-70, de grandes avancées ont eu lieu tant en technologie/conception qu'en méthodes de fabrication de ces pompes haute pression. Vers 1990, un jet d'eau haute pression fut mélangé à un abrasif : l'usinage par jet d'eau abrasif était né. L'ajout d'abrasif (grenat) transforma ce jet en outil de meulage précis capable de tailler TOUT matériau au contact. Sur la décennie suivante, le processus fut affiné en technologie de coupe de précision pour non seulement la tôle mais littéralement n'importe quel matériau. Le waterjet traite acier, aluminium, plastiques, bois, moquette, mousse, carreaux, pierre, et littéralement tout ce que vous pouvez toucher.

Limites de la découpe waterjet

Malgré ses avantages, quelques règles et conditions matériaux sont à noter. Premièrement, le waterjet doit traverser COMPLÈTEMENT le matériau — le gravage ou l'usinage abrasif à profondeur contrôlée n'est généralement pas possible avec précision. Les coupes interrompues (vides entre parois, tubes) ne conviennent généralement pas car le jet n'est plus contrôlé en sortant du premier mur vers l'espace — créant un large motif « fusil à pompe » sur le mur opposé.

Les stratifiés sont problématiques, mais seulement au perçage. Le jet, en creusant/usinant (trou borgne), tente aussi de décoller les couches. Bien qu'il existe des approches basse pression, elles ne sont pas 100 % fiables. La meilleure méthode : percer un trou de départ pour l'usinage de stratifiés. Verre trempé, céramiques fragiles et matériaux similaires sont aussi problématiques car ils éclatent quand la contrainte est libérée par l'action de coupe.

Avantages des machines de découpe waterjet

Hormis ce qu'il faut éviter, le reste du monde manufacturier et des matériaux est grand ouvert et facilement usiné par jet d'eau abrasif. La facilité d'utilisation rend le waterjet très attractif pour ateliers novices et experts. Typiquement, seule info requise : fichier de forme en DXF simple — l'opérateur entre type, épaisseur, précision désirée. Par sa simplicité et flexibilité, de nombreuses entreprises remplacent ou complètent leurs méthodes existantes par waterjet : méthode précise, sans fumées ni déchets dangereux, et PAS un procédé thermique. Ainsi, pièces en matériaux thermosensibles (majorité plastiques) ne sont pas endommagées. Aujourd'hui, technologie waterjet capable de pressions > 90 000 PSI (90 kpsi).

Les waterjets sont définis par trois facteurs majeurs :

1. Taille table/courses ou capacité ;
2. Pression de coupe ;
3. Puissance de coupe (hp).

Un système waterjet typique : table 5' x 10' ou 6' x 12', pression 60 000 psi (60 kpsi), pompe hydraulique électrique 30 HP. Pression pompe — et volume d'eau à cette pression — impactent majoritairement performance ET coûts d'exploitation. Pompe 40 kpsi : quelques $ de moins/heure mais peut prendre 2x plus de temps pour couper même pièce à même qualité qu'à 60 kpsi, doublant le coût de fabrication. Autre exemple : pompe 60 kpsi à 30 HP produit 0,6 GPM (gallons/min) d'eau sous pression. Même machine 60 kpsi mais pompe 60 HP produit 1,2 GPM, permettant d'augmenter les vitesses de coupe de 40 % pour même pièce, mêmes tolérances.

Pompes

Deux types majeurs de pompes pour waterjet. Les pompes intensificatrices (Intensifier) sont plus populaires grâce à vitesses de coupe accrues, pression constante et fiabilité. Description des types pour eau pure et abrasif :

Entraînement direct (Direct Drive)

Typiquement 3 plongeurs entraînés par moteur électrique (ou essence/diesel) — vilebrequin produisant jusqu'à 55 kpsi. Avantages majeurs :

• Coût d'investissement inférieur,
• Pas d'eau de refroidissement requise,
• Pas de perte de performance par transmission huile hydraulique,
• Volume d'eau haute pression créé supérieur à pompe intensificatrice.

Inconvénients : pression décline graduellement heure par heure dès mise en route (usure joints/composants internes), affectant vitesse et finition. Plus de composants d'usure internes → maintenance légèrement plus coûteuse et fréquente.

Intensificatrice (Intensifier)

Moteur électrique (ou essence/diesel) produit pression huile hydraulique ~3 kpsi ou plus. Huile pressurisée transférée à cylindre actionnant piston aller-retour. Piston connecté à plongeur 20x plus petit. Joints haute pression séparent huile (chambre piston) de l'eau (chambre plongeur). Ratio diamètres piston/plongeur crée intensification : 3 kpsi huile → 60 kpsi eau. Avantages : pression plus grande et constante → vitesses coupe accrues, finitions fiables. Inconvénient : nécessite eau de refroidissement pour huile hydraulique, efficacité électrique légèrement inférieure.

Les deux types peuvent couper eau pure ou abrasif. Toute machine abrasif peut servir d'eau pure en supprimant l'abrasif. Mais machines conçues pour eau pure peuvent nécessiter modifications significatives pour l'abrasif. Applications types :

• Eau pure : Applications coupables au couteau/ciseaux : agroalimentaire, papier, moquette, mousse, isolation fibre de verre, joints, etc.
• Jet abrasif : Métaux, plastiques, carreaux, pierre, granits, et tout matériau difficile à couper.
• Matériaux traités : Acier, aluminium, inox, cuivre, laiton, plastiques, mousse, joints, isolation, moquette, verre, carreaux, pierre, bois, etc.

Fabricants waterjet populaires : Bystronic, Calypso, Esab, Flow, Omax, Jet Edge, Ward Jet, Hydra Jet, Romeo Engineering, Wardjet, KMT. Pour en savoir plus sur waterjets ou autres machines de fabrication, consultez la ressource ci-dessous ou contactez-nous.