Obróbka złożonych kształtów konstrukcyjnych nie zawsze jest prosta. Zakłady produkcyjne oraz producenci OEM serwisujący segmenty ze stali strukturalnej zwykle wykorzystują słabo zautomatyzowane rozwiązania, w których cięcie, znakowanie, dopasowywanie, dziurkowanie, przebijanie i/lub przecinanie belek konstrukcyjnych wymaga zastosowania wielu różnych maszyn. Przeciętnie na jeden zakład produkcyjny przypada maksymalnie siedem różnego typu urządzeń.

Postęp w dziedzinach technologii robotów oraz cięcia 3D zrewolucjonizował jednak ten proces, przyczyniając się do 5-7-krotnego wzrostu produktywności przy znacznym zmniejszeniu wymogów produkcyjnych, skróceniu czasu dostawy, poprawie dokładności części i ograniczeniu kosztów (patrz ilustracja 1). Mimo tak wielu zalet, technologia cięcia plazmowego 3D znajduje się nadal w fazie adaptacji i stanowi mniej niż 20% światowego rynku plazmy. Można jednak oczekiwać, że wkrótce – dzięki połączeniu wysoko wydajnego procesu plazmowego, ulepszonej technologii 3D i nowych adaptacji technologicznych w warunkach szybko wzrastającego rynku – sytuacja ta ulegnie zmianie, a technologia cięcia plazmowego stanie się integralną częścią procesu obróbki stali konstrukcyjnej.

Zautomatyzowane technologie plazmowe
Technologie plazmowe w połączeniu ze zautomatyzowanymi systemami 3D pozwalają w dużym stopniu wyeliminować maszyny mechaniczne z procesu produkcyjnego, redukując nawet o 80% obróbkę materiału konstrukcyjnego między operacjami. W osiągnięciu takiego poziomu automatyzacji pomocne są zwłaszcza technologie wysoko precyzyjnego cięcia, dokładnego wycinania otworów oraz precyzyjnego cięcia ukośnego.

Pierwsza z nich o nazwie HyDefinition – za sprawą większych gęstości prądu uzyskanych dzięki zastosowaniu wentylowanej dyszy – umożliwia cięcie kształtów konstrukcyjnych z bardzo wysoką precyzją (ilustracja 2). Opatentowana przez firmę Hypertherm technologia pozwala z jednej strony uzyskać bardziej ostrą krawędź górną i gładszą powierzchnię cięcia, a z drugiej – minimalną odchyłkę kątową i dłuższy okres eksploatacji dyszy. Większa objętość gazu w wentylowanej dyszy zwiększa ciśnienie, a tym samym przyczynia się do lepszego zacieśnienia łuku plazmowego, co pozwala z kolei stosować dysze o mniejszej średnicy i uzyskać większą gęstość energii. Dzięki pomysłowemu systemowi wentylacji i większemu przepływowi gazu wewnątrz dyszy jest ona lepiej chłodzona, co pozytywnie wpływa na jej trwałość. Dzięki temu HyDefinition zapewnia jednolitą jakość cięcia w długim czasie, znacznie zmniejszając koszty eksploatacji i czasy przestojów.

Jej uzupełnieniem jest technologia True Hole pozwalająca na wycinanie wysokiej jakości otworów w stali miękkiej. Wyjątkowa precyzja cięcia umożliwia w tym przypadku uzyskanie dużo lepszych wyników obróbki niż jakakolwiek inna metoda cięcia plazmą. Dostępna wyłącznie z systemami plazmowymi Hypertherm HPRXD z automatyczną konsolą gazu, True Hole jest uruchamiana automatycznie przez oprogramowanie do rozmieszczania lub oprogramowanie systemu CNC względem otworów o średnicy do 25 mm i współczynniku proporcji średnicy do grubości od 2,5:1 do 1:1. Dzięki temu można uzyskać wysokiej jakości otwory bez konieczności obróbki mechanicznej (ilustracja 3).
Do systemów plazmowych HPRXD dedykowana jest również technologia True Bevel umożliwiająca precyzyjne cięcie ukośne stali miękkiej. Metoda ta, dzięki wykorzystaniu gotowych tabel parametrów, eliminuje konieczność szacowania optymalnych parametrów cięcia w procesie ukosowania plazmą, a dzięki wykorzystaniu techniki cięcia 3D pozwala na uzyskanie niezwykle dokładnych cięć ukośnych (ilustracja 4). Tabele parametrów zawierają m.in. wartości napięć i naprężeń prądów oraz kątów cięcia z zakresu od 15° do 45°, a także wartości kątów górnego cięcia Y z zakresu od 22,5° do 45°. Tabela może również w każdej chwili zostać uzupełniona o dodatkowe dopuszczalne kąty i wymiary płaszczyzny pionowej. Tabele automatycznie dostarczają obliczone na nowo wartości wyjściowe kompensacji kąta, szczeliny, wysokości cięcia, szybkości cięcia i napięcia łuku.

Palniki do cięcia plazmą
Nowe technologie cięcia plazmą wymagają również zastosowania nowoczesnych palników cechujących się zwiększoną ochroną przed odkształceniami i nieograniczonymi możliwościami obrotu. Oprócz nich na rynku dostępne są również mniejsze palniki z giętkimi przewodami, przystosowane do pracy w ograniczonych przestrzeniach (ilustracja 5). Są one pozbawione złącza szybkiego odłączania, które zastąpiono prostą konstrukcją wykorzystującą przednią sekcję zespołu palnika i przewodów (np. w palniku HPRXD firmy Hypertherm). Dzięki wyposażeniu w skrzynkę podłączeniową palniki tego typu są proste w instalacji, a ich naprawa nie wymaga wymiany całego odcinka przewodu od konsoli zapłonowej, co znacznie zmniejsza koszty serwisu.

Nowe technologie w norgate metals
Jedną z pierwszych firm, która na szeroką skalę wdrożyła technologię plazmową 3D, były zakłady Norgate Metals w kanadyjskim Quebecu. Zastosowane w nich rozwiązania dostarczone przez firmę Hypertherm pozwoliły na rezygnację z wieloetapowego ręcznego procesu cięcia na rzecz procesu jednoetapowego, w którym wszystkie czynności wykonywane są przez roboty. System może obrabiać stal konstrukcyjną o długości do 18 m oraz masie do 900 kg przy znacznym obniżeniu wymogów przestrzennych oraz wydatków. Przygotowane do obróbki belki są transportowane na przenośniku wprowadzającym je do komory cięcia 3D, w której 6-osiowy robot wyposażony w palniki plazmowe HyPerformance, poruszając się wokół belki, wykonuje w jednym etapie wszystkie niezbędne cięcia.

Przed wprowadzeniem zautomatyzowanej technologii plazmowej proces cięcia realizowany był na trzech stanowiskach, co wymagało wielokrotnego transportu belek wewnątrz zakładu. Na jednym stanowisku wiercono otwory na śruby, na drugim przeprowadzano cięcie, a na trzecim przy pomocy palników paliwowo-tlenowych i stempli numerujących wykonywano dopasowanie, ukosowanie, szczeliny, nacięcia oraz oznaczenia. Nowa technologia pozwoliła całkowicie wyeliminować maszyny do wiercenia, cięcia i dziurkowania oraz palniki paliwowo- tlenowe i zastąpić je jednym palnikiem plazmowym. Palnik przesuwa się szybko od cieńszych elementów do grubszych kołnierzy, wycina otwory na śruby zgodne z normami EN-1090-2 i AISC oraz ukosuje bez udziału operatora.

Wdrożenie takiego rozwiązania pozwoliło zaoszczędzić średnio ponad 19 minut na każdym cięciu belki, co w skali całego cyklu produkcyjnego przełożyło się na ogromne oszczędności czasowe. W obróbce ręcznej wykonanie jednego cięcia ukośnego zajmowało ok. 20 minut, z czego większość stanowił czas potrzebny na przeniesienie belki, odczytanie i zinterpretowanie rysunku i przeprowadzenie pomiaru. Obecnie proces ten trwa ok. 25 sekund. Skróceniu uległ również czas wycinania dopasowań w belce (z 10 minut do 45 sekund) oraz cięcia szczelin (z 6 minut do 7 sekund).
Doświadczenia firmy Norgate Metals pozwalają lepiej zrozumieć wzrastającą tendencję do odchodzenia od rozwiązań tradycyjnych na rzecz nowoczesnych technologii cięcia plazmowego 3D. Wdrożenie nowych systemów przekłada się bezpośrednio na skokowy wzrost efektywności produkcji, skutkujący wytwarzaniem od 5 do 7 razy więcej wyrobów w tym samym czasie przy znacznym ograniczeniu kosztów oraz poprawie jakości i powtarzalności cięcia.