Découpe au Jet d'Eau de la Fibre de Carbone : Avantages, Inconvénients et Meilleures Pratiques

Qu'est-ce qu'un Jet d'Eau ?

Un jet d'eau utilise une pompe pour créer un jet d'eau à haute pression (jusqu'à 6 200 bars / 90 000 psi) qui peut couper n'importe quoi, de la mousse à l'acier de 20 cm+ d'épaisseur. Lors de la coupe de métal ou fibre de carbone, un matériau abrasif, comme le grenat, est utilisé pour aider le processus de coupe. (Voir les liens « Source » en bas du post pour plus d'infos sur le fonctionnement des jets d'eau.)

Regardons maintenant pourquoi un jet d'eau est un si bon outil pour couper la fibre de carbone.

Épaisseur de Pièce

Un énorme avantage du jet d'eau est qu'il peut couper des panneaux de carbone très épais avec une relative facilité. Avec une fraiseuse, les pièces épaisses nécessitent plus de passes ce qui prend du temps et cause plus d'usure sur la fraise. Vous devez aussi vous soucier d'évacuer les copeaux et la poussière des rainures profondes. De plus, avec le bon réglage, vous pouvez facilement couper de petits détails qui seraient impossibles sur une fraiseuse à cause de la profondeur.

Vitesse

La vitesse de coupe sur un jet d'eau, surtout pour les petits détails, est beaucoup plus rapide qu'en utilisant une fraiseuse. Avec une fraiseuse, la profondeur de coupe et le débit dépendent de la taille de votre fraise et de l'épaisseur de la pièce. Des fraises plus petites et des pièces plus épaisses nécessitent plusieurs passes, alors qu'un jet d'eau peut couper la même pièce en une passe et généralement avec un débit plus rapide.

Prévention de la Poussière

Un autre avantage majeur de l'utilisation d'un jet d'eau est le confinement de la poussière. L'une des principales préoccupations quand on travaille la fibre de carbone est la poussière. La poussière de carbone peut trouver son chemin dans les rouages de vos machines et causer l'usure prématurée des pièces. C'est aussi un irritant si inhalé ou peut causer des démangeaisons sur la peau. Avec un jet d'eau, toute la poussière de carbone est projetée dans le bac d'eau où elle est plus facile à gérer pour une élimination appropriée. Pas de systèmes d'évacuation de poussière coûteux requis.

Motifs de Coupe Serrés

Le diamètre du jet d'un jet d'eau peut être réglé à environ 0,635 mm, ce qui permet des designs avec de très petits trous ou caractéristiques internes à être coupés. Ce diamètre d'outil peut aussi être utilisé pour couper assez près d'une géométrie carrée interne.

Inconvénients

Bien qu'il y ait beaucoup d'avantages à utiliser un jet d'eau pour couper la fibre de carbone, il y a aussi quelques inconvénients. Les prochaines sections aborderont ces domaines.

Finition de Bord

Parce qu'un jet d'eau utilise un abrasif pour couper à travers les fortes fibres de carbone, le bord peut avoir une surface légèrement rugueuse. Cela peut être contrôlé avec la taille de maille du grenat (plus l'abrasif est fin, plus la finition est fine) et avec le débit. Bien que pour certaines pièces cette finition soit acceptable, d'autres pièces devront être poncées pour obtenir une finition plus lisse. Le temps passé à nettoyer le bord peut compenser une partie de l'avantage gagné en coupant les pièces au jet d'eau. Il y a un équilibre entre vitesse de coupe et complexité de la pièce à considérer si on fait un grand volume de pièces.

Retour de Jet (Blowback)

Un autre domaine de préoccupation lors de la coupe de fibre de carbone est le retour de jet qui vient du passage sur l'un des tasseaux. Le bac du jet d'eau utilise des tasseaux métalliques qui traversent la largeur du bac et fournissent une surface pour supporter votre matériau de travail. Quand le jet haute pression passe sur le tasseau en acier, le jet d'eau et d'abrasif peut être dévié vers le haut ce qui sable essentiellement le dos d'une pièce. Typiquement, cela ne serait pas perceptible sur une pièce métallique, mais pourrait ruiner une partie de la surface d'une pièce en carbone.

Heureusement, il existe des solutions pour résoudre ce problème. Chez Elevated Materials, nous coupons nos pièces sur un panneau Rhino. Le panneau Rhino est composé de « pailles » en PEHD qui permettent au jet de passer sans souffler vers le carbone. Sa petite taille de cellule nous permet de couper des pièces petites et complexes sans souci qu'elles tombent dans le bac.

Pour les projets de haut volume de pièces relativement grandes, nous créons des fixations qui dépassent du fond du bac assurant que le jet ne coupera que sur l'eau. Les pièces sont ensuite maintenues en place à l'aide de ventouses. Avec ces fixations, nous avons coupé plus de 1000 de la même pièce sans avoir à changer de composants majeurs.

Délamination

Un autre défi de la coupe de fibre de carbone au jet d'eau est le perçage des trous. Le jet d'eau haute pression peut manger la résine entre les couches de fibre de carbone et causer une séparation ou délamination, ce qui affaiblit la pièce.

Beaucoup de fabricants pré-percent les trous sur une autre machine puis amènent la pièce sur le jet d'eau pour la coupe. L'inconvénient de cette méthode est bien sûr le risque de mal aligner votre trajectoire de coupe jet d'eau avec les trous que vous avez pré-percés.

Chez Elevated Materials, nous avons investi beaucoup de temps et ressources à perfectionner notre méthode de perçage de fibre de carbone pour prévenir la délamination. La technique a tout à voir avec la baisse de la pression du jet à environ 690 bars (10 000 psi) et s'assurer que le grenat sort de la buse avant l'eau haute pression. Nous utilisons une valve d'assistance par vide qui tire le grenat à travers la buse avant que le jet ne s'allume, assurant que le grenat frappe la pièce avant toute eau. Si l'eau haute pression frappe la pièce par elle-même, votre pièce délaminera.

Nous avons percé et coupé des pièces de plus de 2,5 cm d'épaisseur sans aucune délamination.

Bords Coniques (Tapered Edges)

Une autre préoccupation qui doit être travaillée avec la coupe au jet d'eau est les bords coniques. Puisqu'un jet d'eau est un flux haute pression passant par une buse, il s'élargit plus il voyage loin de la buse. Selon à quelle distance votre pièce est de l'extrémité de la buse détermine à quel point votre jet est élargi quand il atteint la pièce que vous coupez. Plus la pièce est loin, plus votre jet peut s'élargir. Un jet élargi laisse un aspect sablé et une coupe de qualité inférieure, vitesse plus lente.

La conicité du bord peut être ajustée en accélérant ou ralentissant votre débit. Elle peut aussi être contrôlée en utilisant une tête à inclinaison ou un système de contrôle de tête dynamique. L'image ci-dessous montre certains problèmes de conicité possibles auxquels vous pouvez faire face si vous n'avez pas la bonne pression ou débit.

Coût

Intéressant, le coût s'avère similaire entre fraisage et coupe au jet d'eau. D'un côté vous avez les fraises à remplacer continuellement et l'extraction de poussière à gérer avec le fraisage vs matériau abrasif et consommables comme fixations, buses et orifices sur un jet d'eau. Si vous considérez l'achat d'une table de fraisage ou jet d'eau, le jet d'eau sera plus cher. Les occasions vont de 23 000 € à 55 000 € sur le bas de gamme, jusqu'à 180 000 €+ pour un neuf. De nouveaux jets d'eau de bureau ont récemment été introduits sous 4 600 €. https://www.wazer.com/. Les fraiseuses d'autre part sont dans la communauté maker depuis bien plus longtemps et peuvent commencer à 1 400 € pour un modèle de bureau. Pour une machine plus rigide et industrielle capable de couper en axes multiples, les centres d'usinage commencent autour de 37 000 € et peuvent aller bien au-delà de 90 000 € pour une machine 5 axes.

Sources :
Bases du Jet d'Eau : https://www.flowwaterjet.com/Learn/How-Waterjet-Works.aspx#basics
Panneau Rhino : https://www.rhinoboardwj.com/
Bords coniques Omax : https://www.omax.com/news/blog/controlling-taper