Κοπή με πλάσμα

Διαδικασία

Η διαδικασία κοπής με πλάσμα περιλαμβάνει τη δημιουργία ενός ηλεκτρικού καναλιού υπέρθερμου ηλεκτρικά ιονισμένου αέριου, δηλαδή πλάσματος,  από την ίδια τη συσκευή κοπής με πλάσμα. Αυτό επιτυγχάνεται ως εξής: Αρχικά διοχετεύεται  με μεγάλη ταχύτητα μέσα από  μία μικρή οπή που βρίσκεται σε ένα  ακροφύσιο (nozzle) ένα συμπιεσμένο αέριο (οξυγόνο, αέρας, αδρανή και άλλα αέρια ανάλογα με το υλικό που πρόκειται να κοπεί) προς το κομμάτι που θα κοπεί. Στη συνέχεια  μέσα σ' αυτό το αέριο δημιουργείται ένα ηλεκτρικό τόξο, συνήθως μεταξύ ενός ηλεκτροδίου ενσωματωμένου στο ακροφύσιο και το κομμάτι εργασίας.  Δηλ. το κύκλωμα κλείνει ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο που βρίσκεται μέσα στο ακροφύσιο και το κομμάτι που πρόκειται να κοπεί, μέσω του σφιγκτήρα γείωσης. Το ηλεκτρικό αυτό  τόξο ιονίζει τα παραπάνω αέρια διασπώντας τα άτομα του αερίου σε θετικά φορτισμένα ιόντα και ηλεκτρόνια (τα οποία ως γνωστό είναι αρνητικά φορτισμένα)  μετατρέποντας τα σε πλάσμα. Δημιουργείται έτσι (λόγω της ύπαρξης ελεύθερων ηλεκτρικών φορτίων) μία ηλεκτρικά αγώγιμη διαδρομή μέσα από το αέριο. Το ηλεκτρικό ρεύμα, που ρέει στη συνέχεια μέσα από το πλάσμα, ανεβάζει τη θερμοκρασία του σε θερμοκρασίες πάνω από 20000 βαθμούς Κελσίου. Η στενή αυτή υπέρθερμη δέσμη πλάσματος, που εξέρχεται με ταχύτητα από την οπή του ακροφυσίου, κτυπάει  πάνω στο μέταλλο, το λιώνει και ταυτόχρονα το απομακρύνει από τη σχισμή φυσώντας το μακρυά. Η κοπή πλάσματος είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος κοπής τόσο λεπτών, όσο και παχέων υλικών. Χειροκίνητοι δαυλοί μπορούν συνήθως να κόψουν χάλυβα πάχους μέχρι και 38mm, ενώ ισχυρότεροι δαυλοί με έλεγχο από υπολογιστή, μπορούν να κόψουν χάλυβα πάχους έως και 150mm . Επειδή οι κόπτες πλάσματος παράγουν ένα πολύ θερμό και πολύ εντοπισμένο "κώνο" κοπής, είναι εξαιρετικά χρήσιμοι για την κοπή μεταλλικών φύλλων σε καμπύλα σχήματα ή για την κοπή γωνιών.

Ιστορία

Η κοπή πλάσματος προήλθε από  το πλάσμα συγκόλλησης στη δεκαετία του 1960.  Στη συνέχεια  στη δεκαετία του 1980 αναδείχθηκε σε ένα πολύ παραγωγικό τρόπο για την κοπή φύλλων μετάλλων. Είχε τα πλεονεκτήματα, σε σχέση με τον παραδοσιακό τρόπο κοπής "μέταλλο με μέταλλο", ότι δεν παράγει τσιπ μετάλλων, δίνοντας ακριβείς κοπές και παράγοντας καθαρότερα άκρα κοπής από την κοπή με οξυγόνο. Οι πρώτοι κοπείς πλάσματος ήταν μεγάλοι, αργοί και δαπανηροί, και ως εκ τούτου χρησιμοποιούνταν για την κοπή επαναλαμβανόμενων σχεδίων στη "μαζική παραγωγή".
Όπως και με  τις άλλες εργαλειομηχανές, η  τεχνολογία  CNC (computer numerical control) εφαρμόστηκε στις μηχανές κοπής πλάσματος στα τέλη της δεκαετίας του 1980 και στη δεκαετία του 1990, δίνοντας στις μηχανές πλάσματος μεγαλύτερη ευελιξία στην κοπή  διαφορετικών σχημάτων "on demand". Η κοπή  βασίζεται σε ένα σύνολο από οδηγίες (εντολές προγράμματος) που προγραμματίζονται στο μηχάνημα ψηφιακού ελέγχου. Ωστόσο αυτά τα CNC κοπής πλάσματος, περιορίζονταν στην κοπή σχεδίων σε επίπεδα φύλλα από χάλυβα, χρησιμοποιώντας μόνο δύο άξονες κίνησης (που αναφέρεται ως X, Y  κοπή).

Μεθόδοι εκκίνησης του τόξου

Οι κόπτες πλάσματος χρησιμοποιούν διάφορες μεθόδους για το ξεκίνημα του τόξου. Σε ορισμένες μονάδες το τόξο δημιουργείται με την επαφή του δαυλού με το κατεργαζόμενο κομμάτι. Κάποιοι κόπτες χρησιμοποιούν κυκλώματα υψηλής τάσης και υψηλής συχνότητας για να ξεκινήσει το τόξο. Η συγκεκριμένη μέθοδος έχει μια σειρά από μειονεκτήματα, όπως ο κίνδυνος ηλεκτροπληξίας, δυσκολία επισκευής, διατήρηση του κατάλληλου διάκενου και  μεγάλη ποσότητα εκπομπών  ραδιοσυχνοτήτων (οι οποίες δημιουργούν προβλήματα στη λειτουργία παρακείμενων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων). Kόπτες Πλάσματος που εργάζονται κοντά σε ευαίσθητες ηλεκτρονικές συσκευές, όπως CNC ή υπολογιστές, ξεκινούν το πιλοτικό τόξο με άλλο τρόπο. Το ακροφύσιο και το ηλεκτρόδιο είναι σε επαφή. Το ακροφύσιο είναι η κάθοδος, και το ηλεκτρόδιο η άνοδος. Τρίτη, λιγότερο συνηθισμένη μέθοδος είναι η χωρητική εκκένωση στο πρωτεύον κύκλωμα μέσω ενός  ελεγχόμενου ανορθωτή πυριτίου (Θυρίστορ).

Κοπείς πλάσματος Inverter

Οι αναλογικοί κοπείς πλάσματος, συνήθως απαιτούν περισσότερο από 2 κιλοβάτ και χρησιμοποιούν ένα βαρύ μετασχηματιστή. Οι κοπείς πλάσματος Inverter ανορθώνουν την τάση του δικτύου και την μετατρέπουν σε συνεχή (DC). Η συνεχής τάση τροφοδοτεί στη συνέχεια ένα τρανζίστορ inverter υψηλής συχνότητας, τυπικά μεταξύ 10 kHz και 200 kHz. Οι υψηλότερες συχνότητες μετατροπής επιτρέπουν τη χρήση μικρότερου μετασχηματιστή, με αποτέλεσμα τη μείωση του βάρους και του συνολικού μεγέθους.
Τα τρανζίστορ που χρησιμοποιήθηκαν αρχικά ήταν MOSFETs, αλλά τώρα χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο IGBTs. Με τη χρήση παραλληλισμένων  MOSFETs, αν ένα από τα τρανζίστορ ενεργοποιηθεί πρόωρα, μπορεί να οδηγήσει σε διαδοχική καταστροφή του ενός τετάρτου του μετατροπέα. Τα IGBTs, που είναι μεταγενέστερη εφεύρεση, δεν υπόκεινται σε αυτό το είδος αστοχίας. Τα IGBTs γενικά συναντώνται σε μηχανές μεγάλων ρευμάτων, όπου δεν είναι δυνατός ο παραλληλισμός αρκετών τρανζίστορ MOSFET .
Αν και ελαφρύτερα και πιο ισχυρά, κάποια Inverter κοπής πλάσματος, ειδικά εκείνα χωρίς διόρθωση συντελεστή ισχύος, δεν μπορούν να λειτουργήσουν από γεννήτρια (που σημαίνει ότι το απαγορεύει ο κατασκευαστής του Inverter, αλλά αυτό ισχύει μόνο για τις μικρές, ελαφριές, φορητές γεννήτριες). Ωστόσο νεότερα μοντέλα έχουν εσωτερικά κυκλώματα, που επιτρέπουν μονάδες χωρίς διόρθωση του συντελεστή ισχύος, να λειτουργήσουν με μικρές γεννήτριες.

Μεθόδοι κοπής CNC

Μερικοί κατασκευαστές κοπτών πλάσματος κατασκευάζουν επίσης τραπέζια κοπής CNC που έχουν  ενσωματωμένο στο τραπέζι και τον κόφτη πλάσματος. Τα τραπέζια CNC επιτρέπουν σε έναν υπολογιστή να καθοδηγεί το δαυλό κοπής, παράγοντας καθαρές και οξείες κοπές. Σύγχρονα CNC κοπής πλάσματος είναι σε θέση να κάνουν πολυ-άξονική κοπή παχέων υλικών, επιτρέποντας να γίνονται ραφές συγκόλλησης, που δεν είναι δυνατόν να γίνουν αλλιώς. Για λεπτότερα υλικά, η κοπή πλάσματος σταδιακά  αντικαθίσταται από την κοπή λέιζερ, εξαιτίας κυρίως της υπεροχής της κοπής με laser στο άνοιγμα οπών.
Μια εξειδικευμένη χρήση κοπτών CNC Πλάσματος γίνεται στη βιομηχανία  HVAC.Το λογισμικό επεξεργάζεται τις πληροφορίες σχετικά με τον αγωγό και δημιουργεί επίπεδα σχέδια που θα κοπούν στο τραπέζι κοπής από το δαυλό πλάσματος. Η τεχνολογία αυτή έχει αυξήσει πάρα πολύ την παραγωγικότητα του κλάδου από την εισαγωγή της στις αρχές της δεκαετίας του 1980.
Κόπτες  Πλάσματος  CNC χρησιμοποιούνται επίσης,  σε πολλά εργαστήρια για τη δημιουργία διακοσμητικών μεταλλικών αντικειμένων. Για παράδειγμα τέχνη τοιχοποιίας, πινακίδες διεύθυνσης και υπαίθρια τέχνη κήπων.
Τα τελευταία χρόνια παρουσιάστηκε ακόμη μεγαλύτερη ανάπτυξη. Παραδοσιακά, τα τραπέζια κοπής πλάσματος ήταν οριζόντια. Τώρα όμως είναι διαθέσιμες κάθετες CNC  μηχανές κοπής πλάσματος, που  καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο, παρέχουν αυξημένη ευελιξία, βέλτιστη ασφάλεια και ταχύτερη λειτουργία.

Μορφές συσκευών πλάσματος CNC

Υπάρχουν βασικά 3  παραλλαγές CNC κοπής με πλάσμα που διαφέρουν σε μεγάλο βαθμό ανάλογα με την μορφές των υλικών και την ευελιξία της κεφαλής κοπής.

Κοπή Πλάσματος 2-Άξονων/2 Διαστάσεων

Αυτή είναι η πιο συνηθισμένη και παραδοσιακή μορφή  κοπής Πλάσματος με CNC. Παράγει επίπεδα προφίλ, όπου τα άκρα τους είναι 90 Μοίρες κάθετα προς την επιφάνεια του υλικού. Τα CNC πλάσματος υψηλής ισχύος αυτής της μορφής, είναι σε θέση να κόψουν μεταλλικά φύλλα μέχρι 150mm παχιά.

Κοπή Πλάσματος 3+ Αξόνων/3 Διαστάσεων

Πάλι είναι μια διαδικασία για την παραγωγή επίπεδων προφίλ από μεταλλικά  φύλλα, με την εισαγωγή όμως ενός επιπλέον άξονα περιστροφής, ώστε η κεφαλή κοπής του CNC Πλάσματος να μπορεί να περιστρέφεται  κατά την κίνηση της στο επίπεδο ΧΥ. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα κοπή σε άλλες γωνίες, εκτός από 90 Μοίρες σε σχέση με την επιφάνεια του υλικού, για παράδειγμα 30-45 Μοιρών. Αυτή η γωνία είναι συνεχής σε όλο το πάχος του υλικού. Αυτό συνήθως εφαρμόζεται στις περιπτώσεις όπου τα προφίλ που κόβονται πρόκειται να συγκολληθούν και η γωνιακή κοπή αποτελεί μέρος της προετοιμασίας συγκόλλησης. Όταν η  προετοιμασία για τη συγκόλληση γίνεται κατά τη διάρκεια της κοπής με  CNC πλάσματος, δευτερεύουσες εργασίες όπως τρόχισμα  ή άλλες κατεργασίες μπορούν να αποφευχθούν,  μειώνοντας το κόστος. Η δυνατότητα γωνιακής κοπής  των  πλασμάτων 3 Διαστάσεων μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία φρεζαρισμένων οπών  (countersunk holes) και για να στρογγυλοποιήσουν (chamfer) τα  άκρα οπών προφίλ.

Κοπή Πλάσματος Σωλήνων & Τεμαχίων

Χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία  σωλήνων. Η κεφαλή πλάσματος συνήθως παραμένει ακίνητη, ενώ το  προς κατεργασία κομμάτι κινείται από κάτω και περιστρέφεται γύρω από τον διαμήκη άξονα του. Υπάρχουν κάποιες περιπτώσεις όπου, όπως και με κοπή  Πλάσματος 3 Διαστάσεων, η κεφαλή κοπής μπορεί να κλίνει και να περιστρέφεται. Αυτό επιτρέπει να γίνουν κοπές υπό γωνία σε όλο το πάχος του σωλήνα ή του τμήματος και έτσι οι σωλήνες που έχουν κοπεί με κλίση είναι έτοιμες για συγκόλληση, σε αντίθεση με τις κάθετες κοπές.

Νέα τεχνολογία

Κατά την τελευταία δεκαετία οι κατασκευαστές δαυλών πλάσματος έχουν κατασκευάσει  νέα μοντέλα δαυλών με μικρότερο ακροφύσιο και λεπτότερο τόξο πλάσματος. Αυτό δίνει την δυνατότητα κοπών  πλάσματος με τομές που προσεγγίζουν την ποιότητα κοπών λέιζερ. Αρκετοί κατασκευαστές έχουν συνδυάσει  αυτούς τους δαυλούς με CNC ακριβείας, πράγμα που επιτρέπει την κατασκευή εξαρτήματων που χρειάζονται λίγο ή και καθόλου φινίρισμα.

Το κόστος

ΟΙ δαυλοί πλάσματος ήταν κάποτε αρκετά ακριβοί. Για το λόγο αυτό  συνήθως τους βρίσκαμε μόνο σε επαγγελματικά καταστήματα συγκόλλησης και σε πολύ καλά εξοπλισμένα ιδιωτικά γκαράζ. Ωστόσο, οι σύγχρονοι δαυλοί  πλάσματος γίνονται όλο και φθηνότεροι και τώρα είναι μέσα στις δυνατότητες πολλών ερασιτεχνών. Παλαιότερες συσκευές μπορεί να είναι πολύ βαριές, αλλά παρόλα αυτά είναι φορητές, ενώ μερικές νεότερες με τεχνολογία inverter  ζυγίζουν πολύ λίγο, αλλά οι δυνατότητες τους είναι ίδιες ή και υπερβαίνουν τις δυνατότητες των παλαιότερων.

Nέες τεχνολογίες

Κατά την τελευταία δεκαετία οι κατασκευαστές διατάξεων πλάσμα έχουν σχεδιάσει νέα μοντέλα με μικρότερα ακροφύσια και μικρότερο (λεπτότερο) τόξο πλάσματος. Αυτό επιτρέπει επιφάνειες κοπής ποιότητας σχεδόν laser. Έτσι αρκετοί κατασκευαστές έχουν συνδυάσει CNC ακριβείας  με αυτούς τους δαυλούς για την παραγωγή εξαρτημάτων που απαιτούν λίγο ή καθόλου φινίρισμα.

Κόστος

Τα μηχανήματα κοπής με πλάσμα ήταν κάποτε πολύ ακριβά. Για το λόγο αυτό, συνήθως υπήρχαν μόνο σε επαγγελματικά καταστήματα συγκόλλησης και πολύ καλά εφοδιασμένα ιδιωτικά συνεργεία αυτοκινήτων και καταστήματα. Ωστόσο, η σύγχρονη κοπή με πλάσμα γίνεται φθηνότερη, και τώρα είναι εντός του εύρους τιμών πολλών ιδιωτών. Οι παλαιότερες μονάδες μπορεί να είναι πολύ βαριές, αλλά εξακολουθεί να είναι φορητές, ενώ ορισμένες νέες με inverter τεχνολογία ζυγίζουν πολύ λίγο.

Αναλώσιμα

Το ηλεκτρόδιο και το ακροφύσιο του δαυλού του πλάσματος είναι αναλώσιμα και πρέπει να αντικαθίστανται μετά από κάποιες ώρες λειτουργίας. Τις πληροφορίες αυτές συνήθως τις παρέχει ο κατασκευαστής. Η διάρκεια ζωής των αναλωσίμων εξαρτάται από τις συνθήκες κοπής, από το εάν η κοπή γίνεται με το χέρι ή με μηχανή (CNC) και είναι μικρότερη, εάν η κοπή γίνεται με το χέρι. Έτσι π.χ. η διάρκεια ζωής μπορεί να είναι 3 περίπου ώρες για κοπή με το χέρι και 4 με 5 ώρες, εάν η κοπή γίνεται με μηχανή. Επίσης εξαρτάται από το πλήθος των διατρήσεων. Κατά την διάτρηση το πρόβλημα είναι το λιωμένο μέταλλο που πετάγεται προς τα πίσω, μέχρι να ολοκληρωθεί η διάτρηση. Το μέταλλο αυτό μπορεί να βραχυκυκλώσει το ακροφύσιο με το κομμάτι εργασίας, με αποτέλεσμα να περάσει μέσα από αυτό μεγάλο ρεύμα καταστρέφοντάς το. Για το λόγο αυτό, όπου είναι δυνατό, η κοπή ξεκινά από το άκρο του τεμαχίου. Διαφορετικά μετά το άναμμα του τόξου ο δαυλός ανυψώνεται σε ένα ύψος μεγαλύτερο από το ύψος του κατά την διάρκεια της κοπής, που λέγεται ύψος διάτρησης και μετά την διάτρηση κατεβαίνει στο ύψος κοπής. Συνήθως το ύψους διάτρησης μπορεί να είναι από 150% έως και το 400% του ύψους κοπής. Έτσι εάν π.χ. το ύψος κοπής είναι 1mm, το ύψος διάτρησης μπορεί να είναι από 1,5mm έως και 4mm και είναι τόσο μεγαλύτερο,όσο μεγαλύτερο είναι το πάχος του μεταλλικού φύλλου.

Ταχύτητα κοπής

Η ταχύτητα κίνησης του δαυλού εξαρτάται από το ρεύμα του τόξου, το πάχος του μεταλλικού φύλλου, το χρησιμοποιούμενο αέριο, αλλά και από το είδος του υλικού. Έτσι π.χ στο χαλκό που έχει μεγάλη θερμική αγωγιμότητα, με αποτέλεσμα να διαχέεται εύκολα η θερμότητα του τόξου, η ταχύτητα μετακίνησης του δαυλού κατά την κοπή είναι μικρότερη.

Αυτόματος έλεγχος του ύψους (AHC) κατά την κοπή με CNC.

Ο δαυλός κατά την κοπή κινείται σε χαμηλό ύψος. Έτσι μπορεί σε κάποιες περιπτώσεις το ύψος κοπής να είναι π.χ. 1mm.  Εάν όμως το τραπέζι ή το φύλλο δεν είναι εντελώς επίπεδα, τότε υπάρχει ο κίνδυνος σύγκρουσης του δαυλού με το φύλλο με κίνδυνο καταστροφής του δαυλού. Επίσης το σωστό ύψος του δαυλού, κατά την διάρκεια της κοπής, επηρεάζει και την ποιότητα της κοπής. Για τους λόγους αυτούς πρέπει να υπάρχει ένα σύστημα που να κρατά το δαυλό στο σωστό ύψος ανεξάρτητα από τις ατέλειες του τραπεζιού ή του τεμαχίου. Την λειτουργία αυτή την αναλαμβάνουν τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου του ύψους. 
Η λειτουργία τους έχει ως εξής: Η λειτουργία της κοπής με πλάσμα είναι λειτουργία σταθερού ρεύματος. Έτσι η τάση κοπής δηλ. η τάση ανάμεσα στο δαυλό και το τεμάχιο εξαρτάται από το ύψος του δαυλού. Αν αυξηθεί το ύψος αυξάνεται και η τάση. Αν μειωθεί μειώνεται. Έτσι μετρούμε τη τάση που αντιστοιχεί στο σωστό ύψος σε μία συγκεκριμένη δια μόρφωση κοπής (δηλ. τύπου δαυλού, ρεύματος, χρησιμοποιούμενου αερίου, πάχους και είδους υλικού κοπής). Την τάση αυτή θα την ονομάζουμε τάση αναφοράς. Υπάρχει και κάποιο ηλεκτρονικό κύκλωμα που παρακολουθεί την τάση κοπής, και εάν αυτή είναι μεγαλύτερη από την τάση αναφοράς κατεβάζει τον δαυλό, εάν είναι μικρότερη τον ανεβάζει, προσπαθώντας να τον διατηρήσει στο σωστό ύψος.