Voda je trpezlivá umelkyňa. Od dávnych vekov pretvára horské masívy a obohacuje ich o prekrásne prírodné scenérie. V súčasnosti je aj nástrojom, ktorý pomáha technikom vytvárať budúcnosť tohto sveta.
Už tisícročia ľudstvo hľadá spojencov v prírodných silách, aby dokázalo ľahšie prežiť. Voda sa v tomto hľadaní osvedčila ako univerzálny prostriedok. Spoznávajúc jej možnosti ju ľudia skrotili a využívali jej kinetickú energiu vo svoj prospech.
Už na prelome letopočtov Plínius popisoval rímske stavby vodných nádrží nad zlatonosnými poľami v strednom Španielsku. Prúd vody z nádrží sa nasmeroval na nánosy skál a žľabmi sa voda privádzala do rýh, v ktorých sa zlatonosná ruda usádzala a hlušina sa odvádzala do mora. Z generácie na generáciu ľudia zdokonaľovali svoje poznatky o hydromechanike a začali využívať aj tok riek na dopravu dreva, ťažbu nerastov, pohon mlynov, tkanie textílií alebo výrobu elektrickej energie.
Vodný prúd v dejinách
Prvé použitie vodného prúdu sa pripisuje Edwardovi Mattisonovi, ktorý ho v roku 1853 využil na dobývanie rudy. Vodu privádzal do dýzy vyrezanej z dreva, napojenej na hadicu z kože. Neskôr sa dýza a potrubie začali vyrábať z kovu s pružnejším pripojením, čím sa umožnil väčší rozsah pohybu tohto nástroja. Tento spôsob umožnil efektívne hydrodobývanie aluviálnej železnej rudy prúdom vody s priemerom 18 cm na vzdialenosť 130 cm. Využívalo sa čerpadlo s výkonom 200 l/min pri tlaku 0,75 MPa. Podobná technológia sa používala aj pri ťažbe rubínov v Barme a tiež v období zlatej horúčky na Aljaške. Nevýhodou tohto spôsobu dobývania bola enormná spotreba vody. Príkladom môže byť baňa North Bloomfield v Ohiu, v ktorej podľa dochovaných záznamov spotrebovali denne 200 miliónov litrov vody.
V roku 1933 vyvinula spoločnosť Paper Patents Company vo Wisconsine stroj na delenie papiera vodným prúdom. Tieto rané aplikácie používali nízke tlaky a obmedzovali sa len na mäkké materiály.
V povojnovej ére vedci hľadali nové spôsoby efektívneho delenia materiálov. V roku 1956 Carl Johnson zo spoločnosti Durox International v Luxemburgu našiel spôsob tvarového delenia plastov. V roku 1958 technici vyvinuli systém využívajúci ultravysokotlakovú kvapalinu (690 MPa) na delenie nehrdzavejúcej ocele. Okrem ocele sa táto metóda použila aj na delenie laminátu pre vtedy vyvíjaný bombardér North American XB-70 Valkyrie, ktorý dosiahol až trojnásobnú rýchlosť zvuku. Pri jej aplikácii však často dochádzalo k delaminácii, čiže k strate súdržnosti materiálu, čo sa doteraz považuje za pretrvávajúci problém pri delení laminátov a kompozitných materiálov.
Nástup abrazíva
Veľkú výzvu pre technológov predstavovali nové materiály so špecifickými mechanickými vlastnosťami, ktoré nebolo možné dostupnými technológiami spracovať. Príkladom je tvarové delenie keramických doštičiek. Na to, aby bolo možné tento tvrdý materiál rozrušiť, obohacoval sa vodný prúd o drobné čiastočky tvrdých látok, tzv. abrazívum, a vznikla technológia abrazívny vodný prúd. Táto technológia sa pôvodne vyvíjala na delenie keramických obkladov od roku 1974. Tie slúžili ako vonkajší plášť pre raketoplány, pretože tento materiál je schopný odolávať extrémnym teplotám pri opätovnom vstupe do zemskej atmosféry. Do praxe sa táto technológia dostala v 80. rokoch minulého storočia. Jej prednosti rozsekli gordický uzol deliteľnosti materiálov a otvorili dvere do úplne nového sveta možností, pretože takýmto spôsobom je možné deliť takmer akýkoľvek materiál bez narušenia štruktúry a bez vzniku rázov.
V súčasnosti sa používajú technológie na delenie vodným prúdom s čerpadlami s pracovným tlakom 400 až 600 MPa. Je známa práca, podľa ktorej sa v laboratóriách v Hannoveri na tieto účely testovalo čerpadlo s tlakom 0,9 GPa. Diamantová dýza dokáže pri takýchto vysokých tlakoch premeniť rýchlosť vody na rýchlosť nadzvukovej stíhačky dosahujúcu trojnásobnú rýchlosť zvuku. Keď voda takouto rýchlosťou prechádza okolo otvoru, ktorým sa privádza abrazívum, vzniká Venturiho efekt (hydrodynamický paradox) pomáhajúci plynulému prívodu abrazíva. Ako abrazívum sa používa indický alebo austrálsky granát alebo olivín s tvrdosťou 7,5 podľa Mohsovej stupnice tvrdosti.
Existujú systémy, v ktorých sa využíva predpripravená zmes vody a abrazíva tzv. suspenzný abrazívny prúd. Abrazívum sa zmieša s vodou a potom sa čerpá ako suspenzia cez vysokotlakovú hadicu k dýze. Zaujímavým prípadom využitia tejto technológie je oddeľovanie pilierov ropných veží a ich súčastí. Deje sa tak pod morskou hladinou a tieto práce nepredstavujú nijaké environmentálne riziko. Systém so suspenzným abrazívnym prúdom vyvinutý nórskou firmou Halliburton použili ruskí a nórski potápači aj pri vyzdvihnutí ruskej ponorky Kursk, ktorá sa potopila v roku 2000 v Barentsovom mori do hĺbky 108 metrov. Na rozrušenie superštruktúry z elastomérnej vrstvy tlmiacej zvuk s hrúbkou 80 mm, ktorá bola pripevnená k vonkajšej strane oceľovej platne ponorky s hrúbkou 10 mm, využili suspenzný prúd s tlakom 100 MPa.
Abrazívny vodný prúd pomohol zachrániť malú Jessiku, 18-mesačné dievčatko, ktoré v roku 1987 spadlo do studne hlbokej 6,7 metra s priemerom 20 cm. Záchranári ju dostali zo studne vtedy relatívne novou technológiou vodného prúdu. Bežné nástroje na hĺbenie totiž neboli dostatočne účinné na to, aby čo najrýchlejšie a bez otrasov prenikli cez tvrdú horninu v okolí studne, a tak mohli vyhĺbiť paralelnú šachtu.
Kvalita rezu
V technickej praxi sa používa viac než 50-tisíc konštrukčných materiálov, toto číslo však rýchlo rastie. Množstvo nových materiálov je umelo vyrobených a navrhnutých vedcami, aby sa dosiahli požadované špecifické vlastnosti. Mnohé z týchto materiálov sú viaczložkové, ťažko deliteľné alebo ťažko spracovateľné konvenčnými metódami. Technológovia sú preto konfrontovaní s potrebou prispôsobiť existujúce technológie špecifickým vlastnostiam týchto materiálov alebo vyvinúť nové technológie dezintegrácie materiálov. Jedným z mála nástrojov schopných zvládnuť požiadavky technológov a prispôsobiť sa trendu vývoja nových materiálov je technológia vodného prúdu.
Delenie vodným prúdom sa v bežnej technickej praxi uvádza ako alternatívny spôsob rozrušovania materiálov. Princíp delenia spočíva vo vháňaní vodného prúdu rýchlosťou približne 1 000 m/s na povrch materiálu. Jeho pôsobením dochádza k rýchlej erózii. Permeát – očistená voda spolu s abrazívom, kde voda je nositeľom kinetickej energie abrazíva – odplavuje produkty úberu z miesta rezu a zabezpečuje chladenie. Práve z dôvodu chladenia je táto technológia delenia materiálov výhodnejšia ako bežné technológie. Pri väčšine ostatných postupov dochádza k nežiaducemu vnášaniu tepla do delených materiálov s následnou zmenou štruktúry, deformáciou a zmenou vzhľadu.
Strata materiálu pri delení vodným prúdom je od 0,3 mm pri delení tenkých a mäkkých materiálov až do 3 mm pri delení hrubých materiálov. V súčasnosti je možné deliť polotovary suspenzným vodným prúdom až do hrúbky 400 mm. V tomto prípade však nie je zabezpečená dostatočná kvalita rezu a problémom je strata výkonu v dôsledku rýchleho opotrebovania fokusačnej dýzy. Dosahovaná presnosť rozmerov vyrezaných detailov je rádovo v desatinách milimetrov pri menších a stredných hrúbkach, pri väčších hrúbkach je rádovo v milimetroch. Hydroabrazívny prúd sa v procese delenia pôsobením odporu deleného materiálu nespráva ako pevný nástroj, preto nie je možné dosiahnuť dokonale kolmú reznú plochu. Odchýlka kolmosti plochy je v rozsahu od jedného do siedmich stupňov a závisí od druhu deleného materiálu a faktorov, ako sú tlak, rýchlosť posunu, hmotnostný tok abrazíva alebo priemer dýzy a požadovanej kvality plochy.
prof. Ing. Sergej Hloch, PhD.
riaditeľ Ústavu progresívnych technológií
Fakulta výrobných technológií TUKE so sídlom v Prešove
Foto archív autora