WATER JET MACHINING (WJM)

Water Jet Machining (WJM) merupakan mesin yang menggunakan pancaran air untuk memotong lembaran logam. Contoh prinsip pengerjaan dalam mesin WJM ini adalah apabila jari diletakkan pada ujung keran air, maka cucuran aliran dengan tekanan tinggi akan mencuci kotoran yang melekat secara efektif.

Dalam teori ilmu pengetahuan, bila pancaran air diarahkan pada suatu sasaran seperti misalnya menumbuk suatu permukaa, aliran kecepatan yang tinggi seolah-olah dihentikan tiba-tiba, kemudian sebagian besar energi kinetik dari air diubah menjadi energy tekanan. Kenyataanya pada permulaan bebera[a milidetik setelah tumbukan awal dari pancaran mengenai sasaran sebelum aliran lateral dari air dimulai, tekanan transein sesungguhnya yang ditimbulkan tiga kalinya tekanan stagnasi normal.
Erosi terjadi bila tekanan fluida setempat melebihi tegangan ikay dari material yang mengikat diri bersama sasaran. Dengan kata lain, pancaran cairan pemotong mengelupas material pertama-tama olehgayamekanis dari cucuran dengan kecepatan tinggi yang menimpa pada luasan kecil, dimana oleh tekanan tersebut melampaui tekanan aliran material terpotong.

Farmer dan attewell melaporkan hasil eksperimennya mengenai pancaran air menimpa batu pasir. System tersebut menggunakan pancaran bergetar dengan kecepatan 500 meter/detik dan pengaruh kecepatan terhadap penetrasi dilaporkan. Studi dari Brook dan Summers memikirkan mengenai pancaran air kontinyu menimpa sasaran batu pasir. Pengaruh dari SOD pada tekanan sampai 92 MN/m² untuk pancaran dengan atau tanpa bahan tambahan polymer. Pancaran air bergetar telah digunakan dalam penggalian batu dan permesinan alumunium dan tembaga. Fanz telah mencatat pentingnya memanfaatkan pancaran cairan koheren dan telah diberikan hasil eksperimennya pancaran cairan dengan bahan dan telah diberikan hasil eksperimennya pancaran cairan dengan bahan tambahan polymer. Penggunaan pancaran cairan untuk pemotongan material selain batuan adalah juga telah dipelajari oleh beberapa ilmuan peneliti. Kemapuan pemotongan pada tekanan sampai 10.000 atm telah dilaporkan untuk berbagai sasaran material yang sangat luas. Material yang sangat luas tersebut seperti kayu, tembaga, karet, alumunium, perunggu, dan baja. Studi yang baru telah dilaporkan oleh Neusen dan La Brush, pengelupasan material yang efektif adalah sebagai fungsi dari tekanan masuk nosel dan jarak antara nosel dan sasaran.

Peralatan Pemotongan WJM
Pompa sebagai sumber tekanan dan nosel sebagai pembentuk pancaran adalah bagian yang mendasar pada setiap system pemotongan dengan pancaran. Perlengkapan lainnya seperti perpipaan, fitting, dan valves. Adapun penjelasan dari peralatan-perlatan tersebut adalah sebagai berikut:

• Pompa

Penekanan cairan sebesar 1500 dan 4000 Mn/m² biasanya dilakukan oleh salah satu dari gerakan langsung secara mekanis terhadap  plumper berdiameter kecil atau dengan penguat (internsifier). Tekanan fluida yang cukup besar menggerakan piston berpenampang besar dimana pada langkah baliknya menggerakan ram berdiameter kecil yang menampakan fluida pemotong.
Pada tekanan tersebut permasalahan itamanya adalah mengatasi kebocoran (sealing) akibat tekanan tinggi dari ram, sedangkan masalah kerusakan komponen mekanis dapat dibatasi oleh unsure hidup dari perlatan tersebut. Beberapa cara penyelesaian telah diketemukan salah satu diantaranya  adalah memebrikan paking tekanan tinggi yang dapat digantikan secara cepat dengan kemudahan untuk mendapatkannya. Alternative lainnya conventional fabric back, paking karet sintetis dapat dilumasi dengan menambahkan seluble oil sampai 5% kepada air yang dipompakan. Namun oil ini mungkin tidak cocok dengan material yang dipotong dan pembuangan limbah fluidanya dapat juga menjadikan pertimbangan yang menyulitkan.

Ram untuk gerak bolak-balik (reciprocating ram) dapat dilingkupi dengan fitting sleeve tertutup yang panjang. Dengan rancangan yang benar dan pembuatan yang presisi kebocoran fluida melewati kelonggaran seal dapat dikurangi serendahnya 2% dari unit pengiriman rata-rata pada tekanan 30KN/cm². Membuat komponen dari logam keras menjadikan seal mempunyai umur hidup yang panjang dan cocok untuk berbagai jenis fluida pemotong termasuk air murni. Metode lain adalah menggunakan dua seal berkelonggaran kecil pada ram. Melalui gerak pemakanan (feeding) pada ruang antara seal dan oli yang sangat kental pada tekanan tinggi, kebocoran dapat terkurangi, namun sebagian kecil oli akan tak terelakkan keluar fluida pemotong melalui seal bagian dalam (innerseal).

• Perpipaan (Tubing)

Pipa tekanan tinggi yang digunakan untuk mengirim fluida dari satu system ke komponen lainnya adalah berdinding tebal dengan perbandingan antara diameter luar dan diameter dalam sedikitnya 5 dan kadang-kadang lebih tinggi dari 10. Pipa dapat dibuat dari baja stainless bor dinding pejal atau dinding kompsit dengan baja stainless didalamnya dan baja karbon sebagai kulitnya. Perpiapaan dapat digunakan untuk melawan fluida pda tekanan lebih tinggi dari pada tegangan yield material pipa melalui pemakian proses yang dikenal dengan autofrottaging atau self hooping.

• Penyambung Pipa (Tube Fitting)

Garis kontak antara logam dengan logam adalah teknik yang biasa dipakai untuk mendapatkan penyekatan fluida dalam penyambungan pipa tekanan tinggi, yang diberikan oleh penarikan bentuk konis masuk kedalam rongga yang melingkupinya (Rounded socket). Konis mungkin dikerjakan langsung pada pipanya atau bentuk konis yang dipasangkan dapat dipakai. Pada tekanan yang lebih tinggi, rancangan konis yang replaceable adalah yang kebanyak digunakan.

• Valves

Kebanyak valves untuk tekanan tinggi adalah tipe jarum (needle type). Aliran utama yang melewatinya dikontrol oleh bentuk konis yang terpasang tetap pada ujung jarum terhadap dudukannya. Seal kelenjar (Gland Seal) biasanya dibutuhkan untuk mengurangi kebocoran sepanjang batang tangkai.

• Nosel

Nosel berari mengubah tekanan tinggi dari cairan menjadi pancaran dengan kecepatan tinggi sesuai dengan berbagai keinginan dari perancang. Untuk erosi minimum maka material nosel harus sangat keras, sebaliknya untuk memberikan bentuk kontur yang halus material harus ulet dan mudah dikerjakan. Nosel dapat dibuat dari sintered diamond atau sappire dan dapat digunakan untuk bagian yang dipasangkan pada pemegang baja yang jelas membutuhkan tegangan dan keuletan. Diamond, tungsten carbide, dan baja special telah digunakan untuk membuat nosel yang berkualitas. Suatu nosel dengan diameter keluar 0,05 – 0,35 mm akan memberikan pancaran koheren dengan panjang sampa 3 – 4 cm. Metode untuk menaikan panjang pancaran adalah dengan menambahkan kepada air pemotong sebanyak 1% bahan polymer dengan mata rantai panjang (a long chain polymer) seperti polyethylene- oxide dengan berat molekuler 4 milyar, yang akan menghasilkan viskositas fluida yang sangat tinggi.

Dengan bahan penambah seperti itu pancaran koheren akan sampai mencapai panjang 600x diameternya. Melewati titik pisah (break-up point)  beberapa gaya pemotongan masih memungkinkan dikonsentrasi inti cairan dengan pancaran berlubang melingkupinya.

Rincian Proses
Air dan polymer dicampur secara tepat dan campuran tersebut dikirm ke intensifier dimana tekanan dinaikan. Penguat hidrolis (hidrolik intesifer) menaikan intensitas tekanan air dan memberikannya ke akumualtor hidrolis (penampung reservoir), selama itu energy tidak dibutuhkan secara kontinyu. Selama periode tak ada proses (idle-periode) energy disimpan didalam akumualtor dan diberikan keluar selama pemotongan.

Air bertekanan yang datang dari akumulator dikontrol oleh papan control darimana air itu pergi ke nosel setelah melewati valves pembuka dan penutup (stop-star). Aliran pancaran keluar dari nosel memotong benda kerja, dan selanjutnya dikumpulkan dalam system saluran.

Keuntungan-Keuntungan WJM

1. Air adalah murah, tidak beracun, langsung dapat digunakan dan tidak menjadikan masalah pembuangannya.
2. Pancaran air mendekati secara ideal dengan pahat bermata potong satu.
3. Berbagai bentuk / kontur dapat dibuat. Lagipula operasi memungkinkan dilaksanakan pada bidang horizontal maupun vertical.
4. Proses memberikan hasil pemotongan yang bersih dan tajam.
5. Tidak seperti metode permesinan konvensional, metode ini tidak menimbulkan panas.  Konsekuensinya tidak ada kemungkinan adanya welding dari material dibelakang pemotongan sebelumnya. Juga tidak membahayakan terhadap degradasi panas material.
6. Dustless atmosphere – terutama menguntungkan untuk pemotongan material isolasi seperti fiberglass dan asbestos yang menhasilkan debu.
7. Suara dapat diminimumkn bila unit daya dan pompa dijauhkan dari titik pemotngan.
8. Tidak ada komponen yang bergerak sehingga mengurangi perawatan yang dibutuhkan.
9. Pancaran membawa keluar semua sisa pemotongan sehingga tidak ada permasalahan polusi.
10. Fluida dapat digunakan kembali (re-used) dengan menyaring keluar bahan padat yang terbawa.
11. Hanya jumlah sedikit fluida yang dibutuhkan (sekitar 100 – 150 liter/jam).

Pemakaian Praktiks WJM
Penambagan batu bara telah dilakukan dirusia, cina, polandia, cekoslowakia, kanada dan jerman. Sementara eksperimen-eksperimen yang berhubungan degan masalah tersebut telah dilaksanakan di negara-negara lain. termasuk inggris. Pada kebanyakan tambang pemakaian tekanan air dibawah 3,5 KN/cm² dikombinasikan dengan nosel berdiameter lebar. Sejumlah ebrsar air yang digunakan juga membantu membawa pecahan batu bara dari permukaan. Dari tambang di kanada, dicatat bahwa dua orang pekerja dpat menghasilkan 2.250 ton batu bara dalam satu shift dengan menggunakan cara penambangan hidrolis.

Pengembangan selanjutnya diarahkan pada pengkombisian pancaran air dengan metode mekanis untuk pemotongan batu bara dan batuan. Pancaran tekanan tinggi memotong tempat yang lemah dari material, hal ini memudahkan proses pemotongan (relative terhadap pemtongan konvensional) untuk memcahkan batu vara atau batuan. Sebagai contoh ESSO (perusahaan minyak) ,menggunakan pahat pengebran berputar (roller drilling bits) konvensional dimana ditambahakan pancaran dalam beberapa pengetesan sumur minyaknya dua sampai tiga kali  leapt akan dicapat kenaikan kecepatan pengeboran dengan memakai 6 nosel masing-masing berdiameter 3,3 mm, beroperasi pada tekanan 7 – 10 Kn/cm². Sementara pahat bor berdiamater 222 mm.

Sarjana perkeretaapian Jepang telah melakukan pengetesan bor perkusif (Percussive Drill) yang dioperasikan bersama 2 – 4 nosel berdiamter 0,2 – 0,4 mm dioperasikan pada tekanan 40 KN/cm² untuk mencapai lubang berdiameter 35 – 215 mm dengan kecepatan pengeboran 2 – 5 kali kecepatan normal. Pemerintah jepang tertarik pada metode ini untuk memantu pengeboran lorong-lorong bawah tanah bagi pembangunan jaringan rel kereta api kecepatan tinggi. Metode yang hampir sama telah digunakan untuk membongkar konstruksi, beton bertulang memotong alur anti selip dilandasan pesawat terbang atau dijalan-jalan raya, membuat parit dan pemasangan kabel.