ΤΟΥ ΓΙΩΡΓΟΥ ΜΑΛΙΩΤΗ
Η κοπή των ελασμάτων είναι μια πολύ σημαντική κατεργασία για την κατασκευαστική βιομηχανία. Για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί πολλές καινοτόμες τεχνικές κοπής, οι οποίες μπορούν να δώσουν λύση σε ποικίλα προβλήματα κοπών. Τα βασικότερα από αυτά τα προβλήματα αφορούν αφενός μεν στο υλικό κατασκευής των προς κοπή ελασμάτων (ειδικά μέταλλα και κράματα), αφετέρου δε στις αυξημένες απαιτήσεις ακρίβειας κοπής και ποιότητας επιφάνειας. Ορισμένες από τις πιο ενδιαφέρουσες αλλά και ευρέως διαδεδομένες μεθόδους κοπής είναι δύο από τις μεθόδους «θερμικής» κοπής (κοπή με πλάσμα και κοπή με laser) και η υδροκοπή.
ΚΟΠΗ ΜΕ ΠΛΑΣΜΑ
Η κοπή με πλάσμα είναι μια μέθοδος που έδωσε λύση σε ορισμένες ειδικές περιπτώσεις κοπών, όπως η κοπή μη σιδηρούχων και υψηλής κραμάτωσης ελασμάτων και γενικά η κοπή ελασμάτων από δύστηκτα υλικά, για την οποία απαιτείται ιδιαίτερα καλή ποιότητα επιφάνειας.
Η κοπή επιτυγχάνεται με την ταχεία τοπική τήξη και εξάτμιση του σημείου εκείνου της επιφανείας του ελάσματος στο οποίο θα γίνεται η εκάστοτε αφαίρεση υλικού, από μια δέσμη αερίου κοπής που διαμορφώνεται μεταξύ του ακροφυσίου της μηχανής πλάσματος. Η δέσμη αυτή προκύπτει από την υπερθέρμανση του αερίου στην περιοχή του ηλεκτρικού τόξου που παράγεται μεταξύ του ακροφυσίου της μηχανής πλάσματος και της προς κοπή επιφανείας του ελάσματος. Το άεριο κοπής μέσα στη μηχανή πλάσματος διοχετεύεται στην περιοχή που περιβάλλει το ηλεκτρόδιο από το οποίο παράγεται το τόξο και καταλήγει στο ακροφύσιο. Το ακροφύσιο της μηχανής πλάσματος έχει μια ειδική διαμόρφωση τέτοια ώστε να αυξάνεται τοπικά στην περιοχή του τόξου η πυκνότητα ενέργειας κι έτσι δημιουργείται η δέσμη αερίου πολύ υψηλής ενέργειας.
Βλέπουμε λοιπόν ότι στις κατεργασίες «θερμικής» κοπής, η κοπή δεν γίνεται με μηχανική αποβολή υλικού, αλλά με τήξη μια μικρής ποσότητας υλικού και εξάτμιση ενός μέρους αυτής. Η υψηλή ενέργεια της δέσμης κοπής επιτυγχάνει μια εντοπισμένη σχεδόν σημειακή τήξη του μετάλλου και η υψηλή ταχύτητα ροής πλάματος διαμορφώνει κατάλληλη μηχανική συνθήκη διαχωρισμού του υλικού από τη μη προσβαλλόμενη από τη δέσμη επιφάνεια. Ο διαχωρισμός αυτός συνιστά μια σημειακή κοπή πολύ καλύτερης ποιότητας από αυτήν που επιτυγχάνεται με τη μηχανική αποβολή υλικού.
Εγκατάσταση μηχανής πλάσματος
Μια εγκατάσταση μηχανής πλάσματος περιλαμβάνει βασικά μια μηχανή συνεχούς ρεύματος από την οποία παράγεται η αναγκαία για το ηλεκτρικό τόξο ηλεκτρική τάση, το ηλεκτρόδιο χάρη στο οποίο διαμορφώνεται σε συγκεκριμένη περιοχή το ηλεκτρικό τόξο και το ακροφύσιο χάρη στο οποίο διαμορφώνεται το πλάσμα αερίου που υλοποιεί και την κοπή. Αναγκαίες για τη λειτουργία της μηχανής πλάσματος είναι μια σειρά διατάξεων, όπως η διάταξη έναυσης ενός βοηθητικού τόξου που χρησιμοποιεί μια παμογεννήτρια, μιας διάταξη αντίστασης για τον περιορισμό του ρεύματος στο βοηθητικό τόξο, ένα πηνίο προστασίας και μια διάταξη που διοχετεύει νερό ψύξης στο σώμα της τσιμπίδας.
ΚΟΠΗ ΜΕ LASER
Η τεχνολογία κοπής με laser είναι από τις πιο σύγχρονες σε εφαρμογές μετάλλου, plexiglass, ξύλου και άλλων υλικών και έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται ευρέως λόγω των σημαντικών πλεονεκτημάτων που έχει σε σχέση με τις παλαιές μεθόδους. Συμβάλλει στην αύξηση της παραγωγικότητας αλλά και στη βελτίωση του σχεδιασμού των προιόντων που παράγονται. Η τεχνολογία laser έφερε εδώ και μερικά χρόνια μια νέα εποχή στην κατεργασία των υλικών, καθώς αντικατέστησε μεγάλο αριθμό συμβατικών κατεργασιών και απάλλαξε την κατασκευαστική διαδικασία από διάφορες επιβαρύνσεις.
Η τεχνολογία αυτή αξιοποιεί την πολύ μεγάλη πυκνότητα ενέργειας που έχει μια δέσμη laser. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας αυτής μιας δέσμης laser κοπής ελασμάτων μετατρέπεται σε θερμότητα με συνέπεια να προκαλεί τοπική τήξη. Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι δεσμών laser, η δέσμη διοξειδίου του άνθρακα, η δέσμη νεοδυμείου και η δέσμη που παράγεται από μια σειρά μικροσκοπικών διόδων.
Η δέσμη διοξειδίου άνθρακα είναι αυτή που χρησιμοποιείται κατεξοχήν στις μηχανές κοπής με laser και παράγεται εντός αερίου μίγματος, το οποίο αποτελείται κατά κύριο λόγο από ήλιο και δευτερευόντως από από διαοξείδιο του άνθρακα και άζωτο. Μόλις το 10% της ενέργειας της δέσμης μετατρέπεται σε φως με μήκος κύματος περίπου 10 μικρά, ενώ το υπόλοιπο 90% περίπου μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Η δέσμη νεοδυμείου παράγεται από ποσότητα του ομώνυμου χημικού στοιχείου, η οποία βρίσκεται μέσα σε ένα στερεό κυλινδρικού συνήθως σχήματος. Ο στερεός κύλινδρος ακτινοβολείται από λάμπες κρυπτού ή από ένα laser διόδων. Το παραγόμενο φως έχει μήκος κύματος περίπου 1 μικρό και η δέσμη νεοδυμείου μπορεί να μεταφερθεί σε οπτική ίνα. Η δέσμη διόδων έχει περιορισμένο ενδιαφέρον γιατί έχει πολύ χειρότερη ποιότητα από τις δύο προηγούμενες.
Μια μηχανή κοπής με laser χρησιμοποιεί μια δέσμη διοξειδίου του άνθρακα με διάμετρο δύο χιλιοστά στην εστία της. Η δέσμη οδηγείται στην περιοχή του ελάσματος, όπου θα γίνει η κοπή και εστιάζεται με φακό. Προτιμάται η εστίαση να γίνεται λίγο κάτω από την επιφάνεια του ελάσματος στην περιοχή της κοπής. Σε μια μηχανή κοπής με laser όπως ακριβώς και σε μια μηχανή πλάσματος το ακραίο σημείο εκτόξευσης της δέσμης προς το έλασμα είναι ένα κατάλληλα διαμορφωμένο ακροφύσιο. Το μέρος της ενέργειας της δέσμης που έχει μετατραπεί σε φως (περίπου 10%) ανακλάται από την επιφάνεια του μετάλλου.
Η υπόλοιπη ενέργεια της δέσμης όπως είδαμε μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Ένα μικρό μέρος από αυτήν μεταδίδεται μέσα στο μεταλλικό τεμάχιο δια της θερμικής αγωγιμότητας αυξάνοντας τη συνολική θερμοκρασία του τεμαχίου. Ωστόσο το συντριπτικά μεγαλύτερο μέρος της δέσμης αξιοποιείται για την τοπική τήξη του μετάλλου. Οι μηχανές κοπής με laser διαθέτουν μια διάταξη προσαγωγής αερίου στο σημείο εστίασης της δέσμης. Το αέριο αυτό βοηθάει στην απομάκρυνση του τηγμένου μετάλλου και προστατεύει τους φακούς εστίασης από τους παραγόμενους ατμούς. Το αέριο κοπής παίζει λοιπόν καθοριστικό ρόλο στην ποιότητα της επιφάνειας κοπής.
Βλέπουμε λοιπόν ότι η κοπή ελασμάτων με laser όπως ακριβώς συμβαίνει και στη μέθοδο κοπής με πλάσμα αερίου έχει σαν πρώτο και βασικό βήμα της διαδικασίας κοπής την τοπική τήξη. Ωστόσο κατά τα λοιπά η μέθοδος είναι τελείως διαφορετική από τη μέθοδο κοπής με πλάσμα και οι δυνατότητές της είναι αφενός μεν βελτιωμένες σε σχέση με τη μέθοδο του πλάσματος, αφετέρου δε είναι και περισσότερες. Γιατί αναφορικά με τις διαδικασίες κοπής, η κοπή με laser προσφέρει μεγαλύτερη ακρίβεια κατεργασίας και ποιότητα επιφάνειας, αλλά παράλληλα η τοπική τήξη του μετάλλου από την πρόσπτωση μιας δέσμης laser πάνω σε αυτό, μπορεί να αξιοποιηθεί και για να εκτελεστεί μια συγκόλληση στη συγκεκριμένη περιοχή του μεταλλικού τεμαχίου.
Πλεονεκτήματα κοπής με laser
Η μέθοδος κοπής με laser προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα, τα οποία συμπυκνώνονται στο χαμηλό κόστος, στην ποιότητα κατασκευής και στην ευελιξία σχεδιασμού.
α) Μείωση του κόστους: Επιτυγχάνεται σημαντική μείωση του κόστους κατασκευής, η οποία οφείλεται στις παρακάτω παραμέτρους.
• Στην υψηλή ταχύτητα κοπής.
• Στην ταυτόχρονη εκτέλεση όλων των φάσεων που απαιτούνται.
• Στο ότι δεν απαιτείται οποιοδήποτε τρόχισμα των επιφανειών που προκύπτουν μετά την κοπή.
• Στην κατάργηση των μοντέλων και των καλουπιών.
• Στην κατάργηση των χαράξεων.
• Στην πολύ αυξημένη εκμετάλλευση του υλικού. Είναι χαρακτηριστικό ότι το σκραπ μπορεί να μειωθεί μέχρι και 80%.
β) Ποιότητα κατασκευής: Έχουμε υψηλό επίπεδο ποιότητας λόγω της μεγάλης ακρίβειας κοπής και της τέλειας επιφάνειας κοπής.
γ) Ευελιξία σχεδιασμού: Η μέθοδος προσφέρει μεγάλη ευελιξία στις αλλαγές σχεδιασμού, διότι λόγω της σχεδίασης σε υπολογιστή, η οποιαδήποτε αλλαγή στο σχέδιο κοπής μπορεί να γίνει ευκολότατα και ταχύτατα. Η μέθοδος κοπής με laser έχει απεριόριστες ουσιαστικά δυνατότητες και ανοίγει νέους ορίζοντες στη σχεδίαση κατασκευών. Στην πράξη δεν υπάρχουν όρια για τη σχεδίαση οποιασδήποτε κατασκευής. Πρέπει να σημειωθεί πως το εύρος εφαρμογής των συστημάτων που χρησιμοποιούν laser επεκτείνεται από την κοπή στις διατρήσεις και στη χάραξη.
δ) Αντικατάσταση των περισσότερων μεθόδων κοπής και για ένα πολύ μεγάλο εύρος εφαρμογών κοπής ελασμάτων. Αυτό σημαίνει ότι η επένδυση μιας κατασκευαστικής μονάδας ή εργαστηρίου σε μια μηχανή με laser τους επιτρέπει να καλύπτουν μεγάλο εύρος παραγωγικών αναγκών. Συγκεκριμένα η κοπή με laser μπορεί να αντικαταστήσει τις παρακάτω μεθόδους κοπής:
• Την κοπή με παντογράφο οξυγόνου.
• Την κοπή με παντογράφο πλάσματος.
• Την κοπή με ψαλίδι, ζουμποψάλιδο (punching, nibbling).
• Την κοπή με πρέσα.
• Την κοπή με τροχό.
• Τη διάτρηση με δράπανο.
• Τις εργασίες φρέζας.
• Τις εργασίες τόρνου.
ε) Διευκόλυνση των κατεργασιών των υλικών. Η κοπή με laser διευκολύνει τις κατεργασίες των υλικών διότι τις απαλλάσσει από:
• Πολυδάπανα καλούπια.
• Μη αποδεκτές επιφάνειες από οξυγονοπές.
• Χρονοβόρες διατρήσεις με δράπανα.
• Μεγάλο όγκο σκραπ.
• Μη ακριβείς κοπές με πρέσσες και ψαλίδια.
SeparatorBetweenMainTexts Εφαρμογές κοπής με laser
Οι μηχανές που χρησιμοποιούν laser μπορούν να επιτύχουν πολύ καλής ποιότητας κατεργασίες κοπής, διάτρησης και χάραξης ελασμάτων.
1) Κοπές: Η μέθοδος μπορεί να κατεργαστεί μια πληθώρα υλικών όπως:
• Λαμαρίνες από χάλυβα πάχους από 0,7 ως 20 χιλιοστά.
• Λαμαρίνες από ανοξείδωτο χάλυβα πάχους από 0,7 ως 15 χιλιοστά.
• Λαμαρίνες από κράματα αλουμινίου πάχους από 0,7 ως 10 χιλιοστά.
• Κράματα τιτανίου πάχους από 0,7 ως 10 χιλιοστά.
• Λαμαρίνες χαλκού πάχους από 0,7 ως 3 χιλιοστά.
• Φύλλα πλεξιγκλάς πάχους από 0,7 ως 8 χιλιοστά.
Οι διαστάσεις των φύλλων κοπής κυμαίνονται συνήθως από 2,0 ως 4,0 μέτρα. Οι σωλήνες που μπορούν να κοπούν φτάνουν σε διαμέτρους μέχρι 400 χιλιοστά. Εκτός από τα παραπάνω υλικά και άλλα υλικά όπως ξύλο, κεραμικά, γραφίτης λάστιχο κ.λ.π από μικρά ως μεγάλα πάχη κόβονται με ακρίβεια χωρίς κανέναν απολύτως περιορισμό στο μέγεθος και στο σχήμα τους. Οι ακμές των κατεργασμένων κομματιών παραμένουν ποιοτικά τέλειες και χωρίς θερμική ή μηχανική ζώνη καταπόνησης.
2)Διατρήσεις: Υπάρχει η δυνατότητα διατρήσεων στα παραπάνω υλικά με πολύ μεγάλη ακρίβεια (από 0,08 χιλιοστά), χωρίς οι οπές να χρειάζονται περαιτέρω κατεργασία.
3)Χάραξη: Υπάρχει δυνατότητα αποτύπωσης πάνω στα κομμάτια ανεξίτηλων σχημάτων, κωδικών ή ακόμα και χάραξη μονάδων πάνω σε μετρητικά όργανα με μεγάλη ακρίβεια. Με τη χρήση της τεχνολογίας αυτής είναι δυνατό να γίνει σχεδίαση των αντικειμένων σε Η/Υ και προκοστολόγηση των προϊόντων.
Τα σύγχρονα μηχανήματα κοπής με laser έχουν αναπτύξει ξεχωριστές δυνατότητες. Για παράδειγμα μηχανήματα κατηγορίας High Speed προσφέρουν ιδανικό συνδυασμό πηγής ισχύος, τεχνολογίας “flying optic”, ταχύτατου υπολογιστή (Control), ταχύτητας μετακίνησης(170 m/min ταχύτητα ελεύθερης μετακίνησης) και κοπής καθώς και διαχείρισης – αποθήκευσης εργοτεμαχίων.
Ο υπολογιστής μέσω του οποίου γίνεται ο έλεγχος της κατεργασίας ελέγχει την πηγή, τους ενισχυτές, κατ’ επέκταση τους ψηφιακούς κινητήρες και τέλος το αυτόματο σύστημα διαχείρισης λαμαρίνας.
Η ακρίβεια τοποθέτησης των αξόνων μπορεί να φτάσει στα 0,015 μm και η ακρίβεια κοπής με την μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα κοπής μπορεί να φτάσει στα ± 0,02 mm.
Μεγάλη είναι η εξέλιξη στον τομέα των πηγών laser. Στις πηγές τελευταίας τεχνολογίας είναι δυνατόν κάθε Kw να είναι αυτόνομο και ανεξάρτητο από τα άλλα. Υπάρχουν ειδικές διατάξεις πηγών στις οποίες τα Ηλεκτρόδια της πηγής βρίσκονται στην περιφέρεια της σωλήνας σε ελικοειδή μορφή και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ομοιόμορφη κατανομή ενέργειας, ο συντελεστής της οποίας αγγίζει την μονάδα.
ΥΔΡΟΚΟΠΗ
Εκτός από τις «θερμικές» μεθόδους κοπής ελασμάτων υπάρχει και μια μηχανική μέθοδος για κοπές ελασμάτων υψηλών απαιτήσεων και αυτή είναι η υδροκοπή. Η μέθοδος αυτή επιτυγχάνει ακριβείς και ποιοτικές κοπές σε περιπτώσεις κοπής δύσκολα κατεργάσιμων υλικών αλλά και ελασμάτων ιδιαίτερα μεγάλου πάχους.
Η κοπή του περιγράμματος του ελάσματος που επιδιώκεται να αφαιρεθεί με την υδροκοπή γίνεται με την εκτόξευση μιας πολύ λεπτής δέσμης νερού με πολύ μεγάλη ταχύτητα στα σημεία του υλικού που θέλουμε να κόψουμε. Για να μπορέσει όμως να διαμορφωθεί αυτή η δέσμη αλλά και να εφαρμοστεί με ακρίβεια στο υπό κοπή περίγραμμα, χρειάζεται αφενός μεν το νερό που θα εκτοξευθεί να βρεθεί σε συνθήκες πολύ υψηλής πίεσης (της τάξεως χιλιάδων ατμοσφαιρών), αφετέρου δε να υποχρεωθεί να διέλθει μέσα από ένα κατάλληλα διαμορφωμένο ακροφύσιο.
Η υψηλή πίεση εξασφαλίζει την πολύ μεγάλη ταχύτητα που είναι μια από τις προϋποθέσεις για να αναπτυχθεί τοπικά η αναγκαία δύναμη αποβολής του υλικού. Το ακροφύσιο εξασφαλίζει τη διαμόρφωση της δέσμης που είναι αφενός μεν είναι κι αυτή απαραίτητη συνιστώσα του μηχανικού σχεδιασμού της κοπής, αφετέρου δε εξασφαλίζει μια πολύ μεγάλη ακρίβεια κοπής.
Για να μπορέσει να λειτουργήσει σωστά μια μηχανή υδροκοπής πρέπει να διαθέτει παράλληλα διάταξη ασφαλούς απορρόφησης και διασκορπισμού της ενέργειας της δέσμης του νερού, μετά την αφαίρεση τμήματος του ελάσματος.
Η υψηλή πίεση του νερού επιτυγχάνεται με αντλίες υψηλής πίεσης, οι οποίες είναι πάντοτε αντλίες θετικού εκτοπίσματος. Συνήθως είναι εμβολοφόρες και λειτουργούν με πίεση λαδιού και μπορούν να επιτύχουν πιέσεις μέχρι 4000 ατμόσφαιρες. Ο έλεγχος της πίεσης του νερού γίνεται μέσω του ελέγχου της πίεσης του λαδιού.
Οι μηχανές υδροκοπής όταν πρέπει να κατεργαστούν σκληρά υλικά, συχνά χρειάζεται να χρησιμοποιήσουν μια δέσμη νερού εμπλουτισμένη με λειαντικό υλικό σε κόκκους.
Εφαρμογές
Οι μηχανές υδροκοπής είναι κατάλληλες για κοπή πολλών υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ενός ευρύτατου φάσματος τελικών προιόντων, όπως χάλυβας, ανοξείδωτος χάλυβας, αλλά και γυαλί, μάρμαρο, ξύλο, ελαστικό κλπ.
Η τεχνολογία μηχανών υδροκοπής έχει εξελιχθεί σημαντικά ώστε να προσφέρει ποιότητα κατασκευής σε συνδυασμό με αυξημένη λειτουργικότητα. Οι διαστάσεις των μηχανών μπορούν να κατασκευάζονται κατά παραγγελία και η δυναμικότητα τους να προσαρμόζεται στην εκάστοτε ζητούμενη κατεργασία. Οι διαστάσεις του τραπεζιού κοπής μπορούν διαμορφώνονται ανάλογα με τη ζήτηση, η αντλία υψηλής πίεσης που διαθέτουν μπορεί να έχει μεγάλη ιπποδύναμη (30 ίππων ή και μεγαλύτερη), ενώ η καθοδήγηση του τραπεζιού μπορεί να γίνεται ψηφιακά από εξωτερικό control (CNC).
Η ακρίβεια θέσης που επιτυγχάνεται μπορεί να φτάσει τα +/- 0,035 mm, η ταχύτητα κίνησης τα 25 m/min και το πάχος κοπής τα 300mm.
Οι σύγχρονες μηχανές υδροκοπής επιτυγχάνουν κοπές με δέσμη νερού σε συνδυασμό με ειδική πούδρα (abrasive), καθώς και κοπές τριών αξόνων ψηφιακά καθοδηγούμενες από CNC control
Στις σύγχρονες μηχανές υδροκοπής έχουν δοθεί πρωτοπόρες λύσεις, τόσο στο σύστημα κίνησης και οδήγησης των μηχανών, όσο και στις κεφαλές κοπής και τις πνευματικές βαλβίδες. Σε ειδικές πατέντες μηχανών υδροκοπής έχουμε υψηλής απόδοσης κεφαλές κοπής που αποτελούνται συνολικά από 3 στοιχεία. Αυτό έχει σαν συνέπεια να υπάρχουν λιγότερα υλικά εκτεθειμένα σε φθορά, μικρότεροι χρόνοι καθυστέρησης για αλλαγές, αλλά και υψηλότερη ποιότητα κοπής.
