obrV súčasnosti zaznamenávame prudký rozvoj v oblasti delenia materiálov koncentrovanými zdrojmi energie – lúčovými technológiami. Ide o systémy pre delenie laserom, plazmou a vodným lúčom, pričom je pozorovateľný prudký rozvoj jednak v oblasti samotných zdrojov, ako aj v oblasti CNC riadenia a strojov, na ktorých sú tieto technológie implementované.


Možno konštatovať, že každá lúčová technológia má svoju typickú aplikačnú oblasť, ktorá je inou technológiou nedostupná a oblasť, ktorá je prienikom jednotlivých technológií (typ deleného materiálu, rozsah delených hrúbok, kvalita delenej plochy, šírka deliacej štrbiny). Aplikačné oblasti technológie delenia plazmou, laserom a vodným prúdom sú dnes relatívne stabilne vymedzené. Pre bližšie predstavenie jednotlivých technológií delenia uvádzame základné výhody a nevýhody jednotlivých technológií.
Vývojové trendy v oblasti technológií rezania/delenia materiálov sú stimulované požiadavkami strojárskej výroby, medzi ktoré jednoznačne patrí zvyšovanie produktivity, vysoká prevádzková spoľahlivosť, univerzálnosť, zvyšovanie kvalitatívnych parametrov a v neposlednom rade aj environmentálne kritériá.
Ku klasickým technológiám rezania materiálov pribudli technológie rezania s vysokou hustotou výkonu, ako napríklad plazmový oblúk, laserový lúč a hydroabrazívny vodný prúd. Vzhľadom na rôzne energetické zdroje bolo vykonaných množstvo experimentov súvisiacich s vhodnosťou ich použitia.
Je preto žiaduce pripomenúť, že tieto progresívne technológie rezania/ delenia materiálov nemajú konkurovať klasickým technológiám, ale rozšíriť možnosti získavania v mnohých prípadoch aj hotové dielce pre technológov, konštruktérov a používateľskej klientely.
Ani jedna technológia rezania materiálov nie je univerzálna, každá má limitovanú oblasť použitia. K rozhodnutiu o výbere vhodnej technológie rezania je potrebné poznať zákonitosti jednotlivých technológií delenia vo vzťahu veda – inžinierstvo – výroba – použitie.
Zvyšovanie produktivity výroby je želaním každého strojárskeho podniku, čo si však môže vyžadovať aj nemalé investície. Konkurencieschopnosť strojárskych podnikov závisí najmä na zvyšovaní kvality a znižovaní ceny výrobku. Popísané technológie rezania/delenia kovových materiálov obsiahnuté v tejto publikácii majú práve takého priority.

VÝHODY A NEVÝHODY REZANIA/DELENIA MATERIÁLU
Technológia rezania hydroabrazívnym vodným prúdom
Výhody:
• schopnosť deliť viaczložkové kompozitné materiály,
• zložité dvoj alebo trojdimenzionálne rezy, tvarová rôznorodosť,
• žiadna tepelne ovplyvnená oblasť,
• rezné hrany sú bez deformácie,
• minimálne zvyškové napätie v materiály,
• nie je narušená metalurgická štruktúra materiálu,
• rezná hrana má vyššiu pevnosť v dôsledku deformačného spevnenia abrazívom,
• nevznikajú žiadne výpary ani škodlivé plyny.
Nevýhody:
• nízka rezná rýchlosť,
• pri železných materiáloch oxidácia a korózia rezanej plochy,
• nutnosť povrchovej úpravy,
• zvýšená vlhkosť pracoviska.

obr1

Technológia tepelného delenia plazmovým oblúkom
Výhody:
• lepšia kvalita rezu pri rezaní hrubých materiálov (v porovnaní s plameňom),
• na rezanie tenkých plechov je lacnejšia ako laser,
• malý vplyv pracovného prostredia,
• pri hrubších plechoch so strednou požiadavkou na kvalitu hrán a ich presnosť,
• vysoká rezná rýchlosť (v závislosti od hrúbky materiálu),
• dosahuje sa dobrá drsnosť povrchu pre ocele a korózii vzdorné ocele,
• možnosť jednoduchej výmeny dýzy, elektródy, horáka,
• pomerne veľký rozsah hrúbok delených materiálov.
Nevýhody:
• hladina hluku rastie so zvyšovaním intenzity prúdu,
• nie je možné vytvárať malé zaoblenia reznej hrany ani úzke drážky,
• veľká šírka rezu,
• rozdielna kvalita hrán po delení/nevhodná strana je odpad),
• vznik škodlivých výparov (potrebné odsávanie).

obr2

Technológia tepelného delenia laserovým lúčom
Výhody:
• možnosť vyrezať kontúry veľmi veľké, ako aj kontúry veľmi malé a jemné,
• úzka rezná medzera, ktorú je možno udržiavať konštantnú,
• vysoká rýchlosť rezania,
• minimálna drsnosť reznej plochy, nie je potrebné ďalšie opracovanie,
• nie je nutnosť meniť nástroj – nevznikajú prestoje,
• minimálny odpad,
• možnosť ovplyvňovať kvalitu delenej hrany pomocou prídavného plynu,
• pomerne jednoduchá obsluha,
• veľmi malá tepelne ovplyvnená oblasť.
Nevýhody:
• vysoká cena laserov,
• potreba špeciálnych armatúr (dvojstupňové s kovovou membránou),
• potreba vysoko čistých plynov.

obr3

NÁVRH EXPERIMENTU
Kvôli porovnaniu jednotlivých technológií rezania/delenia oceľových plechov, v tomto prípade oceľového plechu ISO Fe510 troch rôznych hrúbok 8 mm, 12 mm a 15 mm, boli vyhotovené vzorky štvorca s veľkosťami strán 80x80 mm pri automatickom nastavení stroja. Za automatické nastavenie stroja sa považuje také nastavenie, ktoré zvolí riadiaci systém po zadaní parametrov deleného materiálu (druh a hrúbka materiálu). Pri delení vzoriek technológiami lasera, vodného prúdu a plazmového oblúka boli zaznamenané časy výroby každej vzorky a rýchlosť posuvu, ako aj parametre nastavenia jednotlivých strojov.
Pri delení materiálu vzniká drsnosť materiálu v mieste delenia a závisí najmä od rýchlosti posuvu rezacej hlavice. Kvalitu delenej plochy výrazne ovplyvňuje aj niekoľko parametrov súvisiacich s nastavením stroja, použitých komponentov, ako aj kvalita deleného materiálu. Zvyšovaním rýchlosti posuvu rezacej hlavice dochádza ku zaostávaniu deliaceho oblúka, respektíve lúča. V dôsledku toho, ako je zrejmé z nameraných hodnôt drsnosti v jednotlivých plochách, sa drsnosť v mieste delenia v danej zóne mení od najmenšej (na hornej ploche) až po najväčšiu (na dolnej ploche).

TECHNICKO-KVALITATÍVNE POROVNANIE
K najdôležitejším technicko-kvalitatívnym charakteristikám pri lúčových technológiách delenia materiálov patria:
• kvalita rezu, tvar a šírka rezu, maximálne delené hrúbky, deliteľnosť, materiálov – charakteristiky závislé najmä od metódy delenia a materiálu,
• tepelné ovplyvnenie deleného materiálu – charakteristika závislá najmä od metódy a parametrov delenia,
• rozmerové a uhlové tolerancie delených dielcov (ako celku) a zvarových plôch,
• flexibilita deliaceho zariadenia, programovanie zariadenia, možnosť tvarového delenia a pod.
V tomto prípade boli porovnávané len dosiahnuté rýchlosti a časy pri delení materiálu (tab. 1) a kvalita delenej hrany (tab. 2), kde bola hlavným kritériom drsnosť delenej plochy.

tab1
Z týchto údajov je zrejmé, že najkratší čas a teda najvyššia rýchlosť rezania/delenia pre jednotlivé hrúbky materiálov bola dosiahnutá plazmovým oblúkom a laserom. Najpomalšie prebiehalo delenie vodným prúdom, kde bola rýchlosť delenia materiálu niekoľkonásobne nižšia, ako predchádzajúce technológie.
Porovnanie priemerných drsností delených plôch:

obr4

Z nameraných hodnôt drsností boli vypočítané priemerné hodnoty drsnosti hornej a dolnej plochy – Rai pre všetky vzorky.
Porovnanie týchto drsností je uvedené v tab. 2. Pre jednoduchšie porovnanie boli zhotovené grafy pre hornú (obr. 5) a dolnú (obr. 6) plochu.

tab2
obr5
obr6

 

Z týchto nameraných a vypočítaných hodnôt je možné dôjsť k niekoľkým záverom. Podobne ako v predchádzajúcom zhodnotení rýchlosti delenia materiálu, aj v tomto porovnaní priemerných drsností hornej a dolnej delenej plochy je zrejmé, že najkvalitnejšia oddelená plocha bola dosiahnutá technológiou delenia plazmovým oblúkom.
Pre delenie materiálu laserom je zrejmé, že pozorovaný priemerný parameter drsnosti Ra so stúpajúcou hrúbkou materiálu rástol. Nárast hodnoty drsnosti je zreteľnejší u pozorovanej dolnej hrany, keď pri zväčšení hrúbky deleného materiálu z 8 mm na 15 mm stúpla táto hodnota takmer dvojnásobne. Dá sa teda predpokladať, že toto stúpanie s pribúdajúcou hrúbkou materiálu bolo zapríčinené menším výkonom laserového zariadenia. Z týchto zistení je jasné, že metóda delenia laserovým lúčom je určená pre menšie hrúbky materiálov.
Pri delení technológiou vodného prúdu sa kvalita delenej hrany so zvyšujúcou hrúbkou materiálu mierne zlepšuje, no napriek tomu nedosahuje kvalitu drsnosti akú dosahuje plazma. Ak porovnáme priemernú hodnotu drsnosti hornej delenej plochy a priemernú drsnosť dolnej delenej plochy zistíme zaujímavú skutočnosť. Hodnota drsnosti pre hornú a dolnú delenú plochu u jednotlivých vzoriek je takmer rovnaký.
Výhody delenia laserom sú: veľmi presné tvarové delenie, úzka rezná štrbina a taktiež kolmosť delených hrán. Naopak pri delení plazmou nám vznikne pomerne veľká teplotne ovplyvnená oblasť, nie je možné dosiahnuť tak presných tvarov ako pri použití lasera a delené hrany vykazujú značnú odchýlku od kolmosti. Napriek tomu z technicko-kvalitatívneho porovnania tohto experimentu jednoznačne vyplýva, že najlepšou voľbou pre delenie ocele ISO Fe510 bolo v tomto prípade delenie plazmovým oblúkom. Okrem technicko-kvalitatívneho porovnania je dôležitým kritériom pre vhodnosť a výber technológie aj porovnanie z hľadiska ekonomického.

EKONOMICKÉ ZHODNOTENIE
Ako pri mechanických metódach delenia tak aj pri lúčovom delení základom na určenie výrobných (celkových i jednotkových) nákladov sú náklady:
• kapitálové (investície, odpisy prípadne úroky z úveru),
• na pracovný priestor (plochu),
• na energie,
• na opravy a údržbu,
• mzdové (priame a nepriame),
• režijné náklady (náklady na technické plyny, nástroje a iný spotrebný materiál).
Priame a nepriame mzdové náklady sú pri týchto technológiách približne rovnaké. Výška kapitálových nákladov a tým aj celkových nákladov je výrazne závislá od zvoleného spôsobu delenia materiálu. Aby mohli byť presne a zodpovedne vypočítané celkové náklady príslušného spôsobu delenia, je nevyhnutné presne definovať všetky čiastkové náklady, ktoré proces ovplyvňujú.
Vo všeobecnosti platí, že s vyšším využitím stroja klesajú výrobné náklady. Na základe poskytnutých údajov firiem v ktorých bol experiment prevedený a firiem zaoberajúcich sa laserovým, plazmovým a delením materiálu vodným prúdom, boli spriemerované náklady vynaložené za určitých prevádzkových podmienok. Z týchto prieskumov boli zistené hodinové náklady na pracovisko pri dvojzmennej prevádzke (tab.3).

tab3

Z ekonomického porovnania vyplýva, že ekonomicky najvýhodnejšia je technológia delenia vodným prúdom, potom technológia delenia plazmovým oblúkom a ekonomicky najnáročnejšia je technológia delenia laserom. Hodnotenie technicko-kvalitatívne a ekonomické nie sú totožné, preto konečný výber vhodnej technológie delenia materiálu tak musí byť akýmsi kompromisom medzi technicko-kvalitatívnym a ekonomickým zhodnotením.

ZÁVER
Každá z prezentovaných metód lúčového delenia materiálov má svoje prednosti a záleží len na konkrétnych podmienkach danej firmy, pre ktorú alternatívu sa rozhodne. Pri rozhodovaní treba vziať do úvahy v prvom rade celkovú stratégiu firmy, požiadavky existujúceho i potencionálneho zákazníka, na tvarovú a rozmerovú presnosť a opakovateľnosť výroby, orientáciu výrobného programu a nadväzujúce spracovateľské technológie.
V neposlednom rade je dôležité mať zariadenie, čo možno maximálne využité. Pre stredné hrúbky ocelí si v praxi čoraz častejšie nachádza uplatnenie metóda delenia plazmou s využitím kyslíka ako plazmového plynu. Delenie laserom postupne získava širšie uplatnenie najmä pri delení tenších plechov, delení Cr-Ni ocelí, hliníka a jeho zliatin. Hlavné výhody sú dve: vysoká produktivita a presnosť delenia pri minimálnych tepelných deformáciách. V prípade rezanie vodným prúdom je hlavná výhoda možnosť delenia širokého spektra nekovových materiálov.

Použitá literatúra
[1] DŽUBÁK, S.: Návrh optimálneho spôsobu delenia oceľových plechov bežnými metódami v strojárstve, Diplomová práca, 2007
[2] HATALA, M.: Optimalizácia automatizovaného riadenia zariadenia pre delenie výrobkov plazmovým oblúkom, Dizertačná práca, 2005.
[3] BUSCHOW, J.: Encyklopédia of materials: Science and technology, volume 7. Elsevier, London, 2001, ISBN 0-08-043152-6.
[4] LEXIKON TECHNICKÝCH MATERIÁLOV. časť 3, diel 4, oceľ triedy 11, 2002,
[5] NORMY: STN EN 12584 Chyby rezov zhotovených kyslíkovým plameňovým rezaním, laserovým rezaním a plazmovým rezaním; Terminológia.

TEXT/FOTO DOC. ING. MICHAL HATALA, PHD., TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ SO SÍDLOM V PREŠOVE, ING. ĽUBOMÍR OLEXA, PHD., TVIC, S. R. O., PREŠOV

Odborný príspevok recenzoval: doc. Ing. Ondrej Híreš, CSc.