découpe par jet fluide à très haute pression

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Pr Pré sentation sentation du du 26 septembre 2013 26 septembre 2013 par par Yves GODEFERT Yves GODEFERT www.critt-tjfu.com Centre de entre de R echerche d echerche d ’I nnovation et de nnovation et de T ransfert de ransfert de T echnologie echnologie T echniques echniques J et et F luide et luide et Usinage sinage D D é é coupe par jet fluide coupe par jet fluide à à T T r r è è s s H H aute aute P P ression ression

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Yves Godefert Centre de Recherche d'Innovation et de Transfert de Technologie - Technique Jet Fluide et Usinage (CRITT-TIFU) Présenté lors de "l'Usinage et assemblage des matériaux composites" - 26 septembre 2013 - Chambre des Métiers - Luxembourg

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Page 1: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

PrPréésentationsentation dudu 26 septembre 201326 septembre 2013 parparYves GODEFERTYves GODEFERT

www.critt-tjfu.com

CCentre deentre de RRecherche decherche d ’’IInnovation et dennovation et de TTransfert deransfert de TTechnologieechnologieTTechniquesechniques JJetet FFluide etluide et UUsinagesinage

DDéécoupe par jet fluidecoupe par jet fluideàà TTrrèèss HHauteaute PPressionression

Page 2: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

Le CRITTLe CRITT TJFUTJFU -- ICEELICEEL

LES FLUIDES A TrLES FLUIDES A Trèès Haute Pressions Haute PressionLE JET FLUIDE T.H.P.LE JET FLUIDE T.H.P.

LA DECOUPE PAR JET FLUIDE T.H.P.LA DECOUPE PAR JET FLUIDE T.H.P.

LE JET DLE JET D’’EAU PUREEAU PURE

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGE

LES PARAMETRESLES PARAMETRESRecherche & DRecherche & Dééveloppementveloppement

Historique de la technologieHistorique de la technologie

Page 3: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LES C.R.I.T.T.LES C.R.I.T.T.Présentation

Page 4: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LeLe ICEEL,ICEEL, un outil pour innoverun outil pour innover

INSTITUT CARNOTÉNERGIE ET ENVIRONNEMENT EN LORRAINE

Page 5: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

Recherche et Transfert De TechnologieRecherche et Transfert De TechnologieExemples industriels

Marines :Marines :TechnilorTechnilor : aide au projet de: aide au projet decrcrééation dation d’’une unitune unitééde traitement de pontsde traitement de pontset caret carèènesnes

NuclNuclééaire :aire :COGEMACOGEMA –– DDéémantelementmantelementTechnilorTechnilor –– aideaide àà un projet de dun projet de dééveloppementveloppementdd’’un outil de dun outil de déécapage automatiquecapage automatiqueValidation de lValidation de l’’innocuitinnocuitéé du jet pour le CEIDREdu jet pour le CEIDRE

Industrie pIndustrie péétrolitrolièères connexes :res connexes :COFLEXIPCOFLEXIP –– STENA OFFSHORESSTENA OFFSHORESDDéémantmantèèlementlement et valorisationet valorisation

EADSEADS –– SAFRANSAFRAN –– THALES : Etude dTHALES : Etude d’’interactionsinteractionsValidation du procValidation du procééddéé dans la mise au point de produitsdans la mise au point de produits

AeronautiqueAeronautique

ARE, GIAT optimisation desARE, GIAT optimisation desconditions dconditions d’’usinageusinageDCN : Etude dDCN : Etude d’’intintéégration jet dgration jet d’’eaueauDDééminageminage

ArmementArmement ::

Page 6: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

19601960 : D: Déébut de la dbut de la déécoupe par jet dcoupe par jet d’’eau treau trèès haute pressions haute pressiongrâce aux travaux de Dr Norman Franz auxgrâce aux travaux de Dr Norman Franz aux ÉÉtats Unistats Unis

19691969 : D: Déécoupe de contreplaqucoupe de contreplaquéé pour une usinepour une usinedd’’aaééronautiqueronautique

1971 : 11971 : 1èèrere entreprise de fabrication de pompesentreprise de fabrication de pompesindustrielles.industrielles.

1974 :1974 : 11èèrere machine en France de dmachine en France de déécoupecoupede cartons.de cartons.

1985 : la Finlande d1985 : la Finlande déécoupe des filets de saumoncoupe des filets de saumon

1988 :1988 : crcrééation du CRITT jet dation du CRITT jet d’’eaueau11erer centre technique en Europecentre technique en Europe àà BAR LE DUCBAR LE DUC

2000 : la technique2000 : la technique éévolue elle est plusvolue elle est plusssûûre plus fiable et moinsre plus fiable et moins ononééreusereuse

2007 : apparition des premi2007 : apparition des premièères pompes azote liquideres pompes azote liquideàà 4000 bar et4000 bar et --180180°°CC

2008 : apparition des premi2008 : apparition des premièères pompesres pompes6000 bar pour la d6000 bar pour la déécoupe jet dcoupe jet d’’eaueau

2012 : miniaturisation, mod2012 : miniaturisation, modéélisationlisation

Page 7: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

stockage d’énergie

traitement desémulsions

fongicide

viscositécohérence du jet

productivité

chantiers mobiles

sources distantes

Applications

accumulateursCompressible

polymères adjuvantsépaississants

miscible acide citrique

« sels »

nombre d’outilpartageable

citernetransportable

conduites &flexibles

canalisable

Fluide

Mise en oeuvreNaturePropriété

LES FLUIDES A TrLES FLUIDES A Trèès Haute Pressions Haute PressionPropriétés

Page 8: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LES FLUIDES A TrLES FLUIDES A Trèès Haute Pressions Haute Pression

découpeagro-alimentaire.

décapage-chirurgie

laser jet d’eau

chirurgie – décapage cryo - ZAT

récupération

décapage, polissage

Découpe

découpe, traitement de surfacehydroformage, …

Applications

hautesfréquences

ondulatoireacoustique

pression, débithydrodynamique

Vecteurabrasifs

Particules mousse chargée

résidus decoupe

bactérietraitement à haute

pressionbiologique

photonsguide d’ondeoptique

caloriestempératurethermique

ÉlémentsNaturePropriété

Page 9: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LE JET FLUIDE T.H.P.LE JET FLUIDE T.H.P.Les applications

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Chirurg

ie

Nettoya

ge

Assist

ance

à l'u

sinag

e

Décontam

ination

Sciage d

e roch

e

Décap

age

Hydro

démoliti

on

Déman

tèlem

ent

nano-part

icules

Hydro

form

age

Perçag

e

Découpe

Synthès

e moléc

ulaire

Pasca

lisati

on

Pres

sion

s(B

ar)

Page 10: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LA DECOUPE PAR JET FLUIDE T.H.P.LA DECOUPE PAR JET FLUIDE T.H.P.L’installation

Page 11: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LA DECOUPE PAR JET FLUIDE T.H.P.LA DECOUPE PAR JET FLUIDE T.H.P.Les pompes à multiplicateurs

Page 12: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LA DECOUPE PAR JET FLUIDE T.H.P.LA DECOUPE PAR JET FLUIDE T.H.P.Les pompes à multiplicateurs

Page 13: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

Moteur : Thermique ouélectrique

Eau basse pression Eau Haute Pression

LA DECOUPE PAR JET DLA DECOUPE PAR JET D’’EAU T.H.P.EAU T.H.P.Les pompes à action directe

Page 14: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LE JET DLE JET D’’EAU PUREEAU PUREL’outil

Fluides : eau + additifs

Buse :Saphirdiamantrubis

Ø0.02 – 0.5 mmDébit : 0.02 – 8 l/minJet supersonique600 m/s à 800 m/s

Page 15: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LE JET DLE JET D’’EAU PUREEAU PURELes paramètres

PRESSION

Additif DosageTempérature

Ecoulement

Débit

Angled'incidence

Distancede tir

Matière etcaractéristiques

Supportde coupe

Diamètrede buse

Vitessed'avance

EpaisseurNb de

couchessens

orientation

Page 16: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LE JET DLE JET D’’EAU PUREEAU PUREJet tournant – décapage – extraction

Page 17: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LE JET DLE JET D’’EAU PUREEAU PUREJet tournant – Les paramètres

Page 18: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

LE JET DLE JET D’’EAU PUREEAU PURELes additifs

Avec additifs :Avec additifs :Sans polymSans polymèères :res :

Zone de fluxZone de fluxLaminaireLaminaire

Jet cohJet cohéérentrent

30 m

m

70 m

m

Page 19: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGEL’outil

Buse

Canon

Page 20: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGELes paramètres

Nombre depasse

Fluide detransport

Le jet standard :0.1 l/min d’abrasif2 l/min d’eau50 l/min d’air

Page 21: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGELes fluides

Découpe à l’azotesupercritique chargé

Page 22: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGELes opérations – découpe

Rc :Retard de coupe

Vf : vitesse d’avance

Ep

canon

Rc

Le retard de coupeLe retard de coupe

Page 23: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGELes paramètres – La vitesse d’avance

VITE

SSE

QUAL

ITE

6 00010 00015 000

3 0005 00010 000

2 0002 5005 000

1 0001 5002 000

aluminiumKevlarépoxy

Carboneépoxy

DDéébits surfaciquesbits surfaciques

Page 24: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGELes opérations – température de coupe

Page 25: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGELes paramètres : dureté des abrasifs

Mohs : 4Knoop : 700

2,2 à 2,65Dioxyde de siliciumSable de

silice

Mohs : 6,5Knoop : 1100

3.3Oxyde de manganèseDioxyde de silicium

Olivine

Mohs : 7,5Knoop : 1350

3,4 à 4,3Tri silicates d'alumine,

magnésie, calcite, oxyde de fer,manganèse, ou oxyde de chrome

Grenat

Mohs : 8,5 à 9,3Knoop : 2100

3,95 à 4Oxyde d'aluminiumCorindon

Mohs : 9,7Knoop : 2500

3.2Carbure de siliciumSiC

DURETEDENSITECOMPOSITIONABRASIF

Page 26: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGELes paramètres – le débit d’abrasif

Vitesse de découpe en fonctiondu débit d'abrasif

0

200

400

600

800

1000

1200

0 10 20 30Débit (Kg/h)

Vf (m

/min

)

Débit optimal

Débitéconomique

Page 27: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGELes paramètres – La distance de tir

Page 28: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGELes paramètres : l’épaisseur du matériau

Page 29: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGELes opérations – le perçage

Matériauxfragiles

Matériauxductiles

Éclats – dépoli- écaillage

Délaminage - fissuration

ÉclatsBavures

Collage – vulcanisation

Fluage– déformation -échauffement

Page 30: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

TECHNOLOGIE DU JET CHARGETECHNOLOGIE DU JET CHARGEQuelques chiffres

ou sur mesureGrenatTypes d’abrasif

Concassés oualluvionnaires

formes desd’abrasifs

Pas d’usure dans le casdes abrasifs ci-dessous

60 à 150 mmLongueur du tube defocalisation

(Largeur approximativede la saignée de coupe)

Ø0.8 à 2 mmDiamètre du tube defocalisation

0.5 l/min à 15l/min

Débit d’eau /tête pourla découpe

Ø > 0.4 : haut débitØ0.15 à 0.7 mmDiamètre des buses

(suivant matériaux, etqualité)

500 à 6000 barsPression de perçage

3000 à 6000 barsPression de découpe

ObservationsValeurs

standardslimites

Paramètresstandards

Page 31: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

Recherche & DRecherche & DééveloppementveloppementFluide Azote Liquide T.H.P.

Page 32: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

Jet dJet d’’azote T.H.P.azote T.H.P.Propriétés

Les propriétés spécifiques du jetcryogénique à Très Haute Pression

effet de souffle, protection des oxydations,effluents gazeux décontaminablesDétente gazeuse

pas d’eau hors condensation pour vitesse faiblepas de collage lors de la coupe des produitscongelésretraitement facilité des abrasifs : effluents secs

Hygrométrie

présence d’azote sur et dans les zones coupées :limitation des oxydations, formation alumine, …

neutralité

T° de coupe -120 à -180°C : dilatation différentielledu décapage, TTHThermique

jet stérile, pureté de l’azote T.H.PStérile

Observationscaractéristiques

Page 33: Découpe par jet fluide à Très Haute Pression

Recherche & DRecherche & DééveloppementveloppementLaser – Jet d’eau

Le jet d’eau se comportecomme une fibre optique delongueur variable pourguider l’onde laser

Le jet éjecte les déchets decoupe

Il refroidi la pièce pendantla coupe

Extrait de : Water jet guided Laser - Synova