Najszybsza przecinarka plazmowa: STIGAL Dynamic Speed HQ

Od samego wynalezienia budzi ogromne emocje i rozpala wyobraźnię zarówno fizyków, jak i naukowców innych dziedzin. Temperatura łuku plazmowego jest wyższa niż temperatura powierzchni Słońca. Czwarty stan skupienia, czyli zjonizowana materia o ciekawych właściwościach elektrycznych, jest do dzisiaj przedmiotem badań i prac naukowych.

Czy wiecie, że opór elektryczny plazmy maleje wraz ze wzrostem temperatury? Dokładnie odwrotnie niż w metalach. Nie tylko naukowcy wciągnęli się w poznawanie tego zjawiska. Nasz czołowy pisarz science fiction, Stanisław Lem, też nie oparł się magii plazmy. W swojej wyobraźni stworzył wiele maszyn używających plazmy do różnych celów, wykorzystywanych w kosmosie przez bohaterów swoich powieści. Podobnie dzieje się na całym świecie.

Plazma ciągle ma swoje tajemnice mimo upływu ponad 100 lat od chwili pierwszych komercyjnych zastosowań. W zależności od natężenia przepływającego prądu w plazmie mamy do czynienia z trzema przedziałami: – „czarny prąd” – występuje przy bardzo małym natężeniu prądu. Nie widać świecenia; – przy większym natężeniu prądu plazma zaczyna wytwarzać światło – zjawisko wykorzystywane jest powszechnie w lampach jarzeniowych; – po przekroczeniu granicznej wartości powstaje łuk elektryczny – tę właściwość wykorzystujemy przy cięciu i spawaniu plazmą.

Żarówki używające plazmy do świecenia do dziś uważane są za nowoczesne, a przecież są rodem z początku XX w. Istnieją też teorie, według których efekt plazmowy używany był już w starożytnym Egipcie. Wskazują na to hieroglify przedstawiające lampy plazmowe i może się okazać (jeżeli zostanie to udowodnione), że zastosowanie plazmy ma ponad tysiąc lat.

Obecnie telewizory plazmowe, lampy, indykatory i maszyny do cięcia i spawania metali to rzeczywistość plazmy.

Najszybsza przecinarka plazmowa

Pretekstem do zajęcia się technologią plazmową w naszym piśmie były doniesienia o zbudowaniu najszybszej przecinarki plazmowej CNC. Tym bardziej cieszy, że przełomu dokonała polska firma STIGAL. Jest to o tyle interesujące, że jeszcze do niedawna powszechną była opinia o uzyskaniu kresu technologicznego rozwoju tego typu maszyn.

Przyjrzyjmy się zasadzie działania takiej przecinarki. Wszystkie mają podobną budowę – stół materiałowy, nad którym porusza się palnik plazmowy zasilany agregatem, stojącym w pobliżu. Cięcie odbywa się na zasadzie roztapiania materiału silnie skoncentrowanym łukiem plazmowym i wydmuchiwanie go z powstałej szczeliny.

Żeby uzyskać odpowiedni kształt łuku plazmowego, stosuje się gazy otaczające łuk, często poruszające się z wielką prędkością po spiralnym torze. Wynalezione ponad 70 lat temu przecinarki plazmowe od kilkunastu lat bazowały na tych samych rozwiązaniach technologicznych. Wszystkie borykały się z zasadniczymi problemami. Nie można było zwiększyć prędkości cięcia z uwagi na pogarszającą się jakość krawędzi i fałszowanie uzyskanych wymiarów. Miały na to wpływ dwa główne czynniki. Pierwszy można sobie łatwo uświadomić, zapalając zapalniczkę.

Zobaczmy co się stanie, gdy przesuniemy zapalniczkę w lewo lub w prawo. Płomień ma tendencję do zostawania w tyle. Podobnie dzieje się przy cięciu plazmowym w materiale. Na prostej nie ma problemu, ale każda szybka zmiana kierunku powodowała zmianę wymiaru na spodniej stronie materiału. Stąd aby uzyskać precyzyjne cięcie, należało zwolnić „na zakrętach”. Podobnie rzecz się ma z narożnikami. Wymyślono tzw. pętle. Żeby można było wykonać ostry i niezaokrąglony narożnik, trzeba wyjechać poza obrys ciętego detalu i zawrócić palnikiem w taki sposób, żeby kontynuować cięcie drugiej krawędzi narożnika z pełną prędkością. W efekcie należało uwzględnić na arkuszu większe odstępy pomiędzy detalami, biorąc pod uwagę owe pętle.

Zmiana kierunku to też wyzwanie dla maszyn, których budowa opierała się w znacznej części na ciężkich profilach i belkach stalowych. Gwałtowne zatrzymanie takiej maszyny jest bardzo trudne, gdyż podobnie jak samochód potrzebuje ona pewnej drogi hamowania, żeby zwolnić przed zmianą kierunku. To z kolei wpływa na prędkość cięcia oraz powoduje widoczne nadpalenia krawędzi, zmianę geometrii i dużą strefę wpływu ciepła.

Te problemy powodowały bariery uniemożliwiające rozwój przecinarek w zakresie zwiększenia prędkości cięcia. Polska firma STIGAL podeszła do tematu nieszablonowo. Zbadała czasy potrzebne na wycięcie całego arkusza z wieloma detalami i okazało się, że można przyspieszyć produkcję w różnych fazach pracy maszyny.

Fazy pracy przecinarki plazmowej:

ustalenie ułożenia arkusza blachy na maszynie,
ustalenie punktu startowego (rozpoczęcia cięcia),
przejazd palnika do poszczególnych początków cięcia,
podnoszenie i opuszczanie się palnika przy każdorazowym przebiciu materiału,
cięcie plazmowe według nowych standardów przyjętych przez firmę STIGAL.

Ten ostatni punkt kryje w sobie rewolucyjne rozwiązania, które łamią dotychczas ustalone reguły.

Czy można wyciąć detal mający narożniki, otwory i skomplikowane kształty bez zwalniania zadanej prędkości cięcia?

Można. Wprawdzie nie do końca, bo maszyna zwalnia, ale robi to w ułamku sekundy, praktycznie niezauważalnym dla obserwatora. Przykładem tej nowej zasady działania jest przecinarka DYNAMIC Speed HQ, która tnie cały arkusz praktycznie z jednakową prędkością, a na dodatek nie wykonuje pętli na narożnikach. Zaraz, zaraz. Jak można zmienić kierunek pod kątem prostym w miejscu, bez zwolnienia? Przecież to przeczy prawom fizyki. Co się dzieje z energią kinetyczną rozpędzonego portalu?

W przecinarce DYNAMIC Speed HQ zastosowano specjalne systemy kompensacji energii kinetycznej, które umożliwiają maszynie wykonywanie takich trudnych manewrów.

Co uzyskano? Idealną krawędź przy zachowaniu prawie stałej prędkości cięcia. Inaczej mówiąc, jeżeli standardowa przecinarka tnie z prędkością np. 6 m/min, to DYNAMIC Speed HQ z taką samą zadaną prędkością wytnie detal dużo szybciej. Tradycyjna musi rozpędzić się do zadanej prędkości, wyhamować na łukach i zakrętach. W efekcie jedynie na odpowiednio długich prostych odcinkach uzyskuje zadaną prędkość. Przy małych i skomplikowanych elementach nigdy nie uzyskuje zadanych prędkości. Im bardziej złożony detal, tym większą przewagę uzyskuje nowa maszyna firmy STIGAL.

W tej ciekawej maszynie zastosowano szereg innych rozwiązań dla skrócenia czasu każdej z faz pracy maszyny. Zarówno ruch palnika w górę i w dół, jak i detekcja materiału zostały przyspieszone i zaoszczędzono kolejne sekundy.

Każdy kto miał do czynienia z technologią plazmową wie, jakie zapylenie potrafi spowodować. Jedną z najciekawszych cech tej maszyny jest jej stół materiałowy, który posiada sekcje sterowane elektronicznie. Przy tej szybkości normalne systemy mechaniczne nie zdałyby egzaminu. Prędkość maszyny jest tak duża, że sekcja musi być wentylowana jeszcze jakiś czas, mimo że cięcie może odbywać się już w innej części stołu. Taka konstrukcja była już testowana w poprzednim modelu przecinarki plazmowej DYNAMIC i sprawdziła się znakomicie. Zapylenie i zadymienie podczas pracy przecinarki nie występuje. Jest to kolejna niezwykła cecha.

Efekty cięcia plazmą

Sumaryczne pomiary dokonane dla różnych detali wycinanych z pełnych arkuszy różnych wielkości i grubości dały następujące wyniki. Dla blach cienkich maszyna DYNAMIC Speed tnie od 200 do 300% szybciej. Dla blach grubszych zysk jest mniejszy i wynosi od 30 do 100%.

Inżynierowie pracujący nad maszyną określili te osiągnięcia jako wyznaczające nowy kierunek, co może sugerować, że nie jest to ich ostatnie słowo. Zgrali ze sobą oprogramowanie i mechaniczne rozwiązania wykonane specjalnie dla tej maszyny. Co ciekawe, dobra współpraca z producentem agregatów plazmowych zaowocowała powstaniem agregatu przystosowanego specjalnie dla maszyny polskiego producenta. Seryjnie produkowane źródła plazmy nie potrafiły sprostać wszystkim wymaganiom stawianym przez wysokie parametry maszyny. Dzięki temu usunięto niekorzystne zjawiska pojawiające się przy szybkim cięciu.

Warto wspomnieć, że przyspieszenie cięcia zmniejsza strefę wpływu ciepła, a krawędź detalu jest dużo lepszej jakości i w zasadzie nie wymaga dalszej obróbki. Opisywana maszyna zdecydowanie przyśpiesza proces produkcji. Szybsza realizacja zadań pozwoli przyjąć dodatkowe zlecenia, a korzyści z posiadania tak nowoczesnej maszyny widoczne są już po pierwszym dniu pracy. Szybsza maszyna oznacza więcej wykonanych zamówień i krótsze terminy realizacji. Dzięki większej wydajności inwestycja w nową technologię zwraca się znacznie szybciej.