Plasmasnijden: waar staan we vandaag?

Systematische verbetering van de snedekwaliteit

Op het vlak van nauwkeurigheid heeft het plasmasnijden al een lange weg afgelegd. Waar je in de begindagen gebonden was aan een minimale gatdiameter van 2 keer de plaatdikte, zit je vandaag aan een verhouding van 1 op 1, en in de middenrange zelfs nog iets daaronder (0,8). In die zin staat de sterk gestegen gatkwaliteit symbool voor de algemene verbetering van de snedekwaliteit bij het plasmasnijden. We overlopen de ontwikkelingen die aan de basis liggen van die evolutie, om uiteindelijk een accuraat beeld te geven van waar we vandaag staan. En dat blijkt heel dicht bij de laser te zijn.

Smelten versus branden

Als je gas door de toevoeging van energie opwarmt tot op het punt dat de atomen hun elektronen kwijtraken, wordt het geleidend. Plasmasnijmachines maken van dat principe gebruik om materiaal weg te smelten. Dit is meteen hét grote verschil met autogeensnijden, dat materiaal wegbrandt.

Tijdens het plasmasnijden zorgt de stroombron voor een vlamboog tussen de snijtoorts (de kathode) en het werkstuk (de anode). Het trekken van die boog gebeurt onder een wolk van inert gas of perslucht, dat onder hoge druk door de nozzle wordt geperst. Door de vlamboog stijgt de temperatuur van het gas tot 30.000 °C; heet genoeg om een deel van het gas in plasma om te zetten en het materiaal te doen smelten. De rest van het gas blaast de smelt weg.

Diverse evoluties

Een lasersnijmachine is nog altijd duurder dan een plasmasnijmachine en die laatste heeft daarnaast nog het voordeel dat het plaatdiktes aankan tot ruim 60 mm. Maar de technologie heeft natuurlijk ook minpunten, zoals een gebrek aan haaksheid van de snede en tolerantieproblemen bij kleine details en scherpe binnencontouren.

Toch is er op die vlakken al een lange weg afgelegd. Vergeet niet dat de eerste plasmabronnen nog stappengeschakelde transformatoren waren die een weinig stabiele snijstroom opleverden en dat er aanvankelijk slechts één snijgas werd gebruikt, met een hoekafwijking aan beide kanten van de snede tot gevolg. Die dagen van conventioneel plasma liggen al heel lang achter ons, dankzij diverse technologische evoluties die de nauwkeurigheid telkens significant hebben opgekrikt.

Diverse technologische evoluties hebben de nauwkeurigheid telkens significant opgekrikt

HD plasma

De eerste grote sprong voorwaarts kwam er met de High Definition-variant van het conventionele plasma. Daarbij zorgt een laag van sneldraaiend gas (wervelgas) rondom de eigenlijke plasmaboog voor een sterke focussering of insnoering.

Die vorm van extra atmosfeer rond de snijboog maakte vooreerst een einde aan de typische schuinheid die met het plasmasnijden gepaard ging. Met andere woorden: de kwaliteit en de haaksheid van de snede gingen er sterk op vooruit.

Daarnaast leidde ze tot een langere levensduur van de snijonderdelen. Ook dat aspect mag u niet onderschatten, want in vergelijking met een laser heeft het plasmasnijden nog altijd een tamelijk groot verbruik van slijtdelen in de plasmatoorts. Door de levensduur te verlengen, kon men die kosten enigszins terugdringen.

Betere gatkwaliteit

Een tweede probleem waar het plasmasnijden vroeger mee kampte, was de coniciteit van de gaten: de onderkant van het gat week dermate af van de ingestelde diameter dat een bout er niet in paste. Zowat alle fabrikanten hebben daar ondertussen technologie voor ontwikkeld.

Steeds gaat het om een complex samenspel van ingrepen; beginnend met de manier van inlopen, wat vooral een impact heeft op de kwaliteit van het gat op die plek. In plaats van in een rechte lijn van het midden naar de rand toe te werken, doet men dat nu in een soort van boogvorm.

Een bijkomend element is de snijsnelheid, die bij gaten verschilt van andere contouren. De machine maakt namelijk gebruik van niet één maar twee parameters in het programma: één voor de contouren en één voor de gaten. Een recent hoofdstuk in dit verhaal zorgt zelfs voor een almaar stijgende acceleratie tijdens het snijden, om nóg betere resultaten te verkrijgen.

Ten derde wordt voor het wervelgas een hoog gehalte aan zuurstof gebruikt, zodat het een actieve rol kan opnemen in het snijproces.

Tot slot berekent de sturing op basis van verschillende parameters (bv. plaatdikte, snijsnelheid …) het exacte punt waarop het de vlamboog moet stopzetten, opdat er op het einde van de cirkel geen vervormingspunt te zien zou zijn. Dat punt valt dus niet samen met het moment waarop de volledige 360° is afgelegd; er is sprake van een uitdooffase. De toegenomen procescontrole maakt dat mogelijk.

Parameteriseerbaarheid en procescontrole

Algemeen is het zo dat er bij het plasmasnijden een groot aantal parameters perfect op elkaar afgestemd moeten zijn om kwalitatief, productief en kostenefficiënt te werken. Zo hangt de kwaliteit van de snede af van de snelheid van de horizontale toortsbeweging en de toortshoogte; het gebruikte plasma en wervelgas hangen samen met het plaatmateriaal, en uiteraard moet de geleverde boogspanning (ampèrage en gasdruk) afgestemd zijn op de plaatdikte.

Die kennis, die je vroeger bij de operator moest zoeken, zit nu opgeslagen in uitgebreide databanken waarin de optimale combinaties voor specifieke toepassingen staan opgesomd. De afhankelijkheid van de operator is daardoor een stuk minder. Behalve de volledige integratie van de database in de plasmabron, biedt de sturing alsmaar meer tools om de machine te monitoren en slimmer te maken in de omgang met data die tijdens het snijden worden verzameld. Dat vertaalt zich onder meer in betere nestingsoftware en realtime feedback aan de operator.

Multitalent
Plasmasnijmachines worden steeds vaker uitgebreid met extra tools. Omwille van de traceerbaarheid willen veel gebruikers hun werkstukken bijvoorbeeld markeren (met argon). Zowel de sturing als de nestingsprogramma’s van plasmasnijmachines zijn daarop voorzien. Dankzij de regelbaarheid van de stroom kunnen bovendien de diepte en de breedte van de graveerlijn alsmaar fijner worden afgesteld, waardoor de graveerkwaliteit varieert van erg fijn tot uiterst grof. Als alternatief voor de plasmabron valt een plasmasnijmachine ook makkelijk te combineren met een inkjet, maar dat hoeft dus zeker niet. Markeren is overigens slechts een van de vele mogelijke combinaties. Evengoed gaat het om autogeensnijden, boren, tappen of buizen snijden. Veel meer dan de laser is een plasmasnijmachine dus een multitalent dat de gebruiker in staat stelt om complexere stukken aan te bieden.

Bevelsnijden

Als lasvoorbereiding is bevelsnijden een populaire optie onder de gebruikers van plasmasnijmachines. Het zorgt wel voor een bijkomende complexiteit, waarbij het softwarematige compenseren van de hoek en het correct regelen van de snijhoogte de twee grootste uitdagingen vormen.

Snijhoogte

Onder een hoek van 45° zal een hoogteafwijking van 1 mm resulteren in een maatafwijking van 1 mm op het werkstuk. In het geval van een constante hoek valt dat nog wel op te lossen: fabrikanten gebruiken dan de boogspanning om de afstand tussen de toorts en het materiaal te berekenen. Maar bij een variabele hoek is die boogspanning niet langer constant, waardoor het veel moeilijker wordt om ze als referentiepunt te nemen, maar niet onmogelijk.

Van sommige fabrikanten staat de software inmiddels zo ver dat zij ook bij een variabele hoek in de sturing kunnen compenseren, op basis van de boogspanning. Anderen kiezen bij een variabele hoek voor een onafhankelijke hoogtemeting met lasersensoren. Dergelijke meetapparatuur moet dan wel kunnen omgaan met de verschillende lichtfrequenties en storingen die de plasmaboog uitstuurt.

Hoewel lastig, kom je in de praktijk steeds vaker gevallen tegen waarbij er onder een variabele hoek bevel wordt gesneden.

Snijhoek

Naast de snijhoogte verdient dus ook de hoek en de maatvastheid de nodige aandacht, rekening houdend met de fysische eigenschappen van het materiaal. Hier doet men een beroep op compensatiewaardes, die afhankelijk zijn van onder meer de snijdikte en het materiaal. Belangrijk in deze is nog de bepaling van het Tool Center Point: het punt waarrond de toorts kan draaien. Na een botsing kunnen er natuurlijk mechanische afwijkingen optreden. De bevelkop moet dan opnieuw worden gekalibreerd; ofwel manueel, ofwel automatisch via een kalibreerstation.

Aluminium snijden

Nog een geval apart is aluminium (en in mindere mate rvs en edelstalen). Bij aluminium ijlt de plasmaboog sterk na, wat de beheersing van het snijproces bemoeilijkt. Daarnaast heeft dit een lager smeltpunt dan andere metaalsoorten. Om de warmtebeïnvloede zone te minimaliseren, kan je in de plaats van een wervelgas een waterstraal gebruiken. Ook die snoert de vlamboog in en de straal heeft als bijkomend voordeel dat de warmte beter wordt afgevoerd. Met name in de middenrange kan het gebruik van watermist soelaas bieden. Weet wel dat het water heel zuiver moet zijn, met een specifiek kalk- en ijzergehalte, en dat je ook andere – lees: duurdere – filterpatronen nodig hebt. Overigens, om de invloed van warmte helemaal uit te schakelen, heb je natuurlijk nog de optie om onder water te snijden.

Conclusie

Alle geschetste ontwikkelingen hebben ertoe geleid dat plasmasnijden vandaag een snijkwaliteit haalt die voldoet aan de ISO 2-norm in dunne plaat en ISO 3 in dikkere. Daarmee doet het even goed als de laser, wat best indrukwekkend is als je ziet vanwaar de technologie komt. Bovendien boekt men ook vooruitgang op heel specifieke domeinen, zoals het bevelsnijden en het snijden van aluminium. Maar dat neemt niet weg dat er nog altijd beperkingen zijn. De kleine details en scherpe binnencontouren die mogelijk zijn met een laser, mag je van het plasmasnijden niet verwachten. Omgekeerd botst de laser vanaf ongeveer 15 mm op zijn limieten als het aankomt op bevelsnijden. Kortom, vooralsnog blijven beide technologieën mooi uit elkaars vaarwater.

Met medewerking van De Tollenaere, Haco, Hypertherm, Messer Cutting Systems, Plasma Solutions en Wouters Cutting & Welding