Πτυχιακή εργασία. Τεχνολογία λειτουργίας και ελέγχου.

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανολογίας Πτυχιακή εργασία Σύγχρονες μη συμβατικές εργαλειομηχανές κοπής. Τεχνολογία λειτουργίας και ελέγχου. Σπουδαστής: Iτσόπουλος Σταύρος, ΑΜ:3422 Επιβλέπων Καθηγητής: Καρκάνης Αναστάσιος Καβάλα, Φεβρουάριος 2014 1

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το παρόν τεύχος αποτελεί την Πτυχιακή Εργασία που εκπονήθηκε στο Τμήμα Μηχανολογίας Καβάλας του Ανώτατου Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος Ανατολικής Μακεδονίας - Θράκης και αναφέρεται στη σύγχρονες μή συμβατικές εργαλειομηχανές κοπής, στην τεχνολογία λειτουργίας τους και τον τρόπο ελέγχου τους. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται οι βασικότερες τεχνολογίες μη συμβατικής κοπής και παραγωγής αντικειμένων. Οι τεχνολογίες μη συμβατικής κοπής που αναλύονται και για κάθε μία παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία και η αρχή λειτουργίας της, είναι: - η μέθοδος κοπής με LASER. - η υδροκοπή και κατεργασία με νερό. - η μέθοδος κοπής με ηλεκτοδιάβρωση-edm. - η μέθοδος κοπής με Πλάσμα. - η τρισδιάστατη εκτύπωση και παραγωγή πρωτοτύπων. Για κάθε μια από τις παραπάνω τεχνολογίες έχει αφιερωθεί ένα κεφάλαιο όπου αναλύονται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των εργαλειομηχανών που τις υλοποιούν καθώς και τα μειονεκτήματα και πλεονεκτήματα κάθε τεχνολογίας. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Επιβλέποντα Καθηγητή μου, Αναστάσιο Καρκάνη, για την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγηση που μου προσέφερε για την πραγματοποίηση της παρούσας Εργασίας, καθώς και τους γονείς και αγαπημένα πρόσωπά μου, τα οποία με στήριξαν σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Ιτσόπουλος Σταύρος Φεβρουάριος 2014 2

Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 1. Εισαγωγή... 7 1.1 Εισαγωγή στην Κατεργασία Προϊόντος... 7 1.2 Αριθμητικός Έλεγχος ΝC... 8 1.3 Υπάρχουσες τεχνολογίες μη συμβατικής κοπής παραγωγής αντικειμένων... 10 1.3.1 Κατεργασία & Κοπή με LASER... 10 1.3.2 Υδροκοπή και κατεργασία με νερό (waterjet)... 10 1.3.3 Κατεργασία Κοπής με Ηλεκτροδιάβρωση EDM (Electrical Discharge Machining)... 11 1.3.4 Κατεργασία Κοπής με Πλάσμα(plasma)... 11 1.4 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συμβατικών και μη συμβατικών σύγχρονων ψηφιακών εργαλειομηχανών... 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο 2. Μέθοδος Κοπής με LASER... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.1 Iστορικά... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.2 Αρχή Λειτουργίας... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.3 Μέθοδοι Κοπής με Laser... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.4 Παράμετροι που επηρεάζουν την Κοπή Laser... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.7 2.4.1 Η Ισχύς του Laser... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.4.2 Η Συχνότητα των Παλμών... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.4.3 Τύπος του Αερίου Κοπής... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.4.4 H Πίεση του Αερίου Κοπής... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.4.5 Διάμετρος και Τύπος του Ακροφυσίου (beck)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.4.6 Απόσταση μεταξύ του Ακροφυσίου Κοπής και της Επιφάνειας του Υλικού που Κόβουμε... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.8 2.4.7 Εστιακή Απόσταση των Οπτικών Εστίασης... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης. 2.4.8 Η θέση της Εστίας σε σχέση με το Υλικό... 19 2.4.9 Το Κεντράρισμα της Δέσμης σε Σχέση με το Ακροφύσιο... 20 2.4.10 Η Ταχύτητα Κοπής... 20 2.4.11 Οι Επιταχύνσεις του Συστήματος... 21 3

2.4.12 Το Υλικό... 21 2.4.13 Η Επιφάνεια και το Σχήμα που Κόβουμε... 22 2.4.14 Το Πάχος του Υλικού... 24 2.4.15 Σύστημα Στήριξης της Λαμαρίνας ή του Φύλλου του Υλικού... 24 2.5 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Κοπής με Laser... 24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο 3. Υδροκοπή και Κατεργασία με Νερό (waterjet)... 27 3.1 Ιστορικά... 27 3.2 Αρχή Λειτουργίας... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.8 3.3 Καθαρή Υδροκοπή... 32 3.4 Yδροκοπή με χρήση Λειαντικού Υγρού... 34 3.5 Κατασκευαστική δομή μιας εργαλειομηχανής υδροκοπής... 36 3.5.1 Σταθερές Εργαλειομηχανές με κίνηση σε μια Διάσταση... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.7 3.5.2 Εργαλειομηχανές με κίνηση σε δύο διαστάσεις (x y)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.8 3.5.3 Εργαλειομηχανές με κίνηση σε 5 Αξόνες για Τρισδιάστατη Κοπή (3D)... 40 3.6 Τα Πλεονεκτήματα και τα Μειονεκτήματα της Υδροκοπής... 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο 4.1 Ιστορικά... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.3 4.2 Αρχή Λειτουργίας... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.3 4.3 Τεχνολογίες Ηλεκτροδιάβρωσης... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.5 4.3.1 Ηλεκτροδιάβρωση Σύρματος (wire EDM)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.5 4.3.2 Ηλεκτροδιάβρωση Αποτύπωσης (sinker EDM)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.8 4.4 Εργαλειομηχανή Ηλεκτροδιάβρωσης... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.50 4.4.1 Γεννήτρια Τροφοδότησης Ρεύματος... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.51 4.4.2 Διηλεκτρικό Υγρό... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.3 4.5 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα της Κοπής με Ηλεκτροδιάβρωση... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο 4

5. Μέθοδος Κοπής με Πλάσμα(Plasma)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.5 5.1 Iστορικά... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.5 5.2 Ο Ορισμός-Συνθήκες Δημιουργίας του Πλάσματος... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.5 5.3 Δομή και λειτουργία μηχανής Κοπής με Πλάσμα (Plasma)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.6 5.3.1 Εκκίνηση Κοπής με Πλάσμα... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.59 5.3.2 Τοποθέτηση του πυρσού στη σωστή απόσταση από το προς κατεργασία υλικό Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.61 5.4 Οι Μεταβλητές της Διαδικασίας Κοπής... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.2 5.4.1 Η Καθαρότητα του Αερίου... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.2 5.4.2 Η Πίεση και η Ταχύτητα Ροής του Αερίου... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.3 5.4.3 Το Αυλάκι Κοπής (Kerf)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.3 5.4.4 Η Τάση του Τόξου... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.4 5.4.5 Χρησιμοποιούμενα Αέρια στην Κοπή με Πλάσμα. Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.5 5.5 Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Κοπής με Πλάσμα... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο 6 Εργαλειομηχανές Τρισδιάστατης Εκτύπωσης (3D Printing)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.67 6.1 ιστορικά... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.67 6.2 Αρχή Λειτουργίας... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.68 6.3 Οι Τεχνικές της Τρισδιάστατης Εκτύπωσης... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.1 6.3.1 Στερεολιθογραφία (Stereolithography)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.1 6.3.2 Selective LASER Sintering (SLS)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.3 6.3.3 Laminated Object Manufacturing (LOM)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.4 6.3.4 Fused Deposition Modeling (FDM)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.6 6.3.5 Solid Groynd Curing (SGC)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.77 6.3.6 3D ink-jet Printing... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.78 6.4 Από την ταχεία κατασκευή πρωτοτύπων στην ταχεία κατασκευή εργαλείων και την ταχεία παραγωγή.... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.80 6.5 Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Τρισδιάστατης Εκτύπωσης... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ο 5

7. Επίλογος... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.5 7.1 Κατεργασία με χρήση υπερήχων (Ultrasonic Machining, USM)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.5 7.2 Ηλεκτροχημική λείανση ( Electrochemical Grinding, ECG)... Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.6 Bιβλιογραφία.. 89 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα πτυχιακή εργασία γίνεται μελέτη των σύγχρονων μη συμβατικών εργαλειομηχανών κοπής, στην τεχνολογία λειτουργίας τους και τον τρόπο ελέγχου τους.. Η εργασία αναπτύσσεται σε εφτά κεφάλαια στα οποία περιλαμβάνονται τα εξής : Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στην κατεργασία προϊόντος και στον αριθμητικό έλεγχο (NC) των εργαλειομηχανών. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα των συμβατικών και μη συμβατικών σύγχρονων ψηφιακών εργαλειομηχανών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέθοδος κοπής με LASER. Αναλύεται η αρχή λειτουργίας της εργαλειομηχανής κοπής, οι μέθοδοι κοπής και οι παράμετροι που επηρεάζουν την κοπή. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα της συγκεκριμένης τεχνολογίας κοπής. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υδροκοπή και κατεργασία με νερό. Αναλύεται η αρχή λειτουργίας της εργαλειομηχανής κοπής και τα χαρακτηριστικά της κάθε μεθόδου κοπής. Στην συνέχεια αναλύονται οι διαφορετικές δομές των εργαλειομηχανών υδροκοπής και στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα της κοπής με νερό. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέθοδος κατεργασίας με ηλεκτοδιάβρωση-edm. Αναλύεται η αρχή λειτουργίας της εργαλειομηχανής και τα χαρακτηριστικά της κάθε μεθόδου που χρησιμοποιεί αυτή την τεχνολογία. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την παρουσίαση των πλεονεκτημάτων - μειονεκτημάτων της κατεργασίας με ηλεκτροδιάβρωση. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μέθοδος κοπής με Πλάσμα. Δίνεται ο ορισμός του πλάσματος και αναλύεται η δομή και η λειτουργία της εργαλειομηχανής κοπής, περιγράφονται οι μεταβλητές που επηρεάζουν την διαδικασία κοπής και στο τέλος παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα της τεχνολογίας κοπής με πλάσμα. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης για την παραγωγής πρωτοτύπων. Αναλύονται οι έξι τεχνικές ταχείας κατασκευής πρωτοτύπων και το κεφάλαιο κλείνει με την παρουσίαση των πλεονεκτημάτων - μειονεκτημάτων της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα από τη χρήση των τεχνολογιών μη συμβατικής κοπής καθώς και δύο τεχνολογίες μη συμβατικής κοπής που δεν έχουν συχνή χρήση και 6

αναμένεται να αναπτυχθούν τα επόμενα χρόνια. Η τεχνολογία κοπής με χρήση υπερήχων (USM) και η ηλεκτροχημική λείανση (ECG) 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 1. Εισαγωγή 1.1 Εισαγωγή στην Κατεργασία Προϊόντος Η κατεργασία ενός προϊόντος στη βιομηχανία επηρεάζει άμεσα κατά 15 με 20% το κόστος παραγωγής του, ενώ εκτιμάται ότι με έμμεσο τρόπο φτάνει να καθορίζει πάνω από το 80% την αξία του. Με τον όρο κατεργασία καλούμε κάθε μεταβολή και διαμόρφωση που γίνεται στην πρώτη ύλη για την παραγωγή ενός προϊόντος. Οι κυριότερες παράμετροι που λαμβάνουν μέρος σε μία κατεργασία και αλληλοεπιρεάζονται είναι : Το προς κατεργασία τεμάχιο, υπό διάφορες μορφές (ράβδος, έλασμα κλπ). Το κοπτικό εργαλείο που διαμορφώνει το τεμάχιο. Οι συνθήκες στη διεπιφάνεια τεμαχίου/κοπτικού εργαλείου, δηλαδή η λίπανση και τα λοιπά τριβολογικά χαρακτηριστικά. Η ζώνη παραμόρφωσης ή πλαστική ζώνη, όπου επιτελείται η πλαστική παραμόρφωση του τεμαχίου. Σε όλους τους τομείς της αγοράς σήμερα, η ταχύτητα έχει καθοριστική σημασία για την ανάπτυξη ενός προϊόντος. Ο χρόνος κατεργασίας αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο για την επίτευξη της επιθυμητής ταχύτητας στην παραγωγή. Ειδικά για τις κατεργασίες αποβολής υλικού, καθοριστικό ρόλο στη μείωση του χρόνου παραγωγής έχει η επιλογή των κατάλληλων παραγόντων κοπής που θα επιτρέψουν στην ταχύτητα παραγωγής να μεγιστοποιηθεί. Οι συνθήκες κοπής που θα επηρεάζουν σε απόλυτο βαθμό τη μορφή του αποβλήτου, τις αναπτυσσόμενες θερμοκρασίες δυνάμεις κοπής και τελικά τον χρόνο παραγωγής, με αποτέλεσμα η βελτιστοποίηση των κατεργασιών κοπής να απαιτεί τη μελέτη των μηχανισμών της και την επιλογή των κατάλληλων συνθηκών. Έτσι έχουν γίνει αξιοσημείωτες προσπάθειες για την ανάπτυξη υπολογιστικών μεθόδων και προσομοιώσεως των κατεργασιών κοπής, όπου σε συνδυασμό με τις εργαλειομηχανές CNC (Computer Numercial Control) και τα νέα αποδοτικά και σχετικά χαμηλού κόστους υλικά για τα εργαλεία κοπής, έχουν δώσει τεράστια ώθηση στην ανάπτυξη των κατεργασιών κοπής υψηλής ταχύτητας. Όμως η χρήση υψηλών ταχυτήτων κατά την κοπή παρουσιάζει πολλές δυσχέρειες, αρκετούς ιδιόμορφους μηχανισμούς και παράξενα φαινόμενα που με μια πρώτη ανάλυση φαίνονται παράλογα. Οι μη συμβατικές (μη καθιερωμένες) κατεργασίες αφαιρέσεως μετάλλου έχουν ως κοινό γνώρισμα με τις κατεργασίες κοπής το ότι και με τις πρώτες, για να μορφοποιηθεί το τεμάχιο, αφαιρείται από αυτό το υλικό που πλεονάζει. Όμως, το αποβαλλόμενο υλικό δεν έχει τη μορφή αποβλήτου ούτε και σχηματίζεται με τον ίδιο μηχανισμό (υψηλού βαθμού πλαστική παραμόρφωση), αλλά παρουσιάζεται υπό μορφή ποικίλων τελικά σχημάτων, όπως σφαιριδίων, ακανόνιστων τεμαχιδίων κ.ά. 8

Η προσδιδόμενη ενέργεια, για να λάβει χώρα μία μη συμβατική κατεργασία αφαιρέσεως υλικού, δεν είναι εν γένει μηχανική, όπως συμβαίνει στις συμβατικές κατεργασίες κοπής, αλλά θερμική, χημική, ηλεκτροχημική ή κάποιας άλλης μορφής. Υπάρχει η δυνατότητα συνδυασμού μη συμβατικών κατεργασιών αφαιρέσεως μετάλλου με κατεργασίες κοπής. Πολλές τέτοιες κατεργασίες έχουν αναπτυχθεί εν γένει, πλην όμως ένας μικρός αριθμός από αυτές έχουν αναπτυχθεί σε υψηλό βαθμό από αρκετών ετών και έχουν τύχει ευρείας και επιτυχούς εφαρμογής στη μηχανουργική πράξη. Οι κατεργασίες μη συμβατική κοπής που χρησιμοποιούνται ήδη, είναι: Η αφαίρεση μετάλλου με ηλεκτρικό σπινθήρα EDM), Η κοπή με νερό, υδροκοπή, Η κοπή με LASER Η κοπή με τη χρήση Plasma Η τρισδιάστατη εκτύπωση μεταλλικών αντικειμένων (3D Printers) για την κατασκευή πρωτοτύπων Η ηλεκτροχημική λείανση (ECG), Η αφαίρεση υλικού με υπέρηχους (USM) Από τις παραπάνω μη συμβατικές κατεργασίες κοπής χρησιμοποιούνται αλλά σε περιορισμένη έκταση και για πολύ ειδικές κατεργασίες, οι πέντε πρώτες ενώ οι υπόλοιπες, βρίσκονται ακόμη σε στάδια θεωρητικής και πειραματικής μελέτης και εξέλιξης. [1] 1.2 Αριθμητικός Έλεγχος ΝC Εάν ανάμεσα στο χειριστή και στη μονάδα ελέγχου της εργαλειομηχανής NC (Numerical Control) παρεμβάλλεται, για λόγους ευκολότερου και πιο αποδοτικού χειρισμού, ηλεκτρονικός υπολογιστής, η μηχανή ονομάζεται ψηφιακά καθοδηγούμενη εργαλειομηχανή με ηλεκτρονικό υπολογιστή (CNC, (Computerized Numerical Control)). Με τον τρόπο αυτό, η λειτουργία της εργαλειομηχανής αυτοματοποιείται περισσότερο, ενώ ο έλεγχός της μπορεί να γίνεται πλέον και από απόσταση (remote control). H CNC καθοδήγηση έχει το πλεονέκτημα της συνεργασίας της με συστήματα σχεδίασης (Computer Aided Design, CAD) και συστήματα κατεργασιών (Computer Aided Manufacturing, CAM) με ηλεκτρονικό υπολογιστή, ενώ δίδεται η δυνατότητα ένταξής της σε ολοκληρωμένα συστήματα παραγωγής με υπολογιστές (Computer Integrated Manufacturing, CIM) και ευέλικτα συστήματα παραγωγής (Flexible Manufacturing Systems, FMS). Επιπλέον, ένα μεγάλο ποσοστό υπολογισμών και διαδικασιών ελέγχου καθοδήγησης διεξάγονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή ταχύτερα και με μικρότερο κόστος. 9

Όλες οι διαδικασίες καθοδήγησης και ελέγχου των εργαλειομηχανών NC και CNC από το χειριστή τους είναι μονόδρομες. Ο τεχνικός NC ή CNC καθορίζει την ακολουθία των κινήσεων της εργαλειομηχανής, τις τιμές των συνθηκών κατεργασίας (πρόωση, βάθη κοπής, ταχύτητα κοπής, κ.λπ.), ελέγχει τη χρήση ή όχι του υγρού κοπής, διαχειρίζεται τα κοπτικά εργαλεία, κ.λπ.. Για όλα αυτά, συντάσσει ένα πρόγραμμα καθοδήγησης σε τυποποιημένη γλώσσα προγραμματισμού (κώδικας), μεταφέρει τον κώδικα στη μονάδα ελέγχου και ενεργοποιεί την εκτέλεση του προγράμματος. Κανένας δεν μπορεί να ισχυρισθεί ότι αυτή η αλληλουχία δεν είναι αυτοματοποιημένη. Όμως, η πρόοδος της τεχνολογίας και, ιδιαίτερα, η ανάπτυξη των αισθητήρων (sensors) και των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου (ΣAE), επιτρέπει στους κατασκευαστές εργαλειομηχανών να πάνε ένα βήμα παραπέρα. Στο σχεδιασμό δηλαδή σκεπτόμενων διατάξεων, που, ανάλογα με την εξέλιξη της μηχανουργικής κατεργασίας, παίρνουν αποφάσεις και επεμβαίνουν στο πρόγραμμα καθοδήγησης. Οι μηχανές αυτές χαρακτηρίζονται άμεσα καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές με ηλεκτρονικό υπολογιστή (Direct Numerical Control - DNC). Εάν, λοιπόν, σε μία τυπική περίπτωση τόρνευσης με NC ή CNC τόρνο, επιλεγεί, κατά λάθος, και προγραμματισθεί απαράδεκτη πρόωση κοπής, ο χειριστής πρέπει να διαβάσει την αντίστοιχη ένδειξη στον πίνακα ελέγχου της εργαλειομηχανής, να σταματήσει την εκτέλεση του προγράμματος και, αφού το διορθώσει, να το ενεργοποιήσει ξανά. Οι DNC εργαλειομηχανές είναι συνδεδεμένες με έναν κεντρικό ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω του οποίου λαμβάνουν εντολές για εκτέλεση εργασιών, αλλά και αντλούν πληροφορίες από σχετικές βάσεις πληροφοριών. Στις DNC εργαλειομηχανές μπορεί να ελέγχεται αυτόματα η ταχύτητα κοπής, η χρήση ψυκτικού υγρού, η φθορά των κοπτικών εργαλείων, κ.λπ.. Ιδιαίτερα για τη φθορά των κοπτικών εργαλείων, πολλές ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές διαθέτουν ειδικές μετρητικές διατάξεις στις οποίες μετρώνται τα κοπτικά εργαλεία, σε τακτά χρονικά διαστήματα, κατά τη διάρκεια μιας κατεργασίας. Στην περίπτωση που, για το εξεταζόμενο κοπτικό εργαλείο, διαπιστωθεί μεγάλη απόκλιση από τις προβλεπόμενες διαστάσεις, η κατεργασία συνεχίζεται αυτόματα με νέο (όμοιο) κοπτικό εργαλείο (sister tool) ή γίνεται αυτόματη διάρθρωση των διαστάσεων κοπής με βάση τις κατασκευαστικές ανοχές που έχουν δηλωθεί. [1] H ανάπτυξη της τεχνολογίας CNC και DNC βοήθησε στα μέγιστα την ανάπτυξή αλλά και τον χειρισμό των μη συμβατικών εργαλειομηχανών, καθώς: Η υψηλή τεχνολογία των μηχανών μη συμβατικής κοπής θα έδινε φτωχά αποτελέσματα και πιθανόν να μην χρησιμοποιείτο αν η ακρίβεια που εισάγει η CNC και DNC τεχνολογία δεν συνδυαζόταν με αυτές. Ο χειριστής των μηχανών συμβατικής κοπής δεν χρειάζεται ιδιαίτερη εκπαίδευση για να λειτουργήσει μια μη συμβατικής κοπής εργαλειομηχανή και να επεμβαίνει στην διαδικασία κοπής. 10

1.3 Υπάρχουσες τεχνολογίες μη συμβατικής κοπής παραγωγής αντικειμένων Οι τεχνολογίες μη συμβατικής κοπής που θα αναπτυχθούν στη συνέχεια είναι οι πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενες σήμερα στην παραγωγική διαδικασία και είναι οι εξης : Κατεργασία και κοπή με LASER, Υδροκοπή και κατεργασία με νερό, Κατεργασία με ηλεκτροδιάβρωση (EDM), Κατεργασία κοπής με πλάσμα (plasma) Μηχανές τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D Printing). 1.3.1 Κατεργασία & Κοπή με LASER Το LASER είναι μονοχρωματική ενισχυμένη ακτίνα φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας. Παράγεται από μία πηγή (γεννήτρια) που εκπέμπει ακτινοβολία (φως, στο υπέρυθρο φάσμα) που είναι σύμφωνη (χωρίς διαφορά φάσης), πολωμένη, μονοχρωματική (δηλαδή φως με συγκεκριμένο μήκος κύματο/χρώμα) η οποία διαδίδεται σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, σχηματίζοντας στενές δέσμες. Γενικά είναι ακτινοβολία συγκεκριμένων, πολύ γειτονικών, συχνοτήτων. Παρ όλα αυτά, υπάρχουν και LASER που εκπέμπουν πλατύ φάσμα συχνοτήτων ή πολλές διαφορετικές μεμονωμένες συχνότητες συγχρόνως. Αυτή η εξαιρετικά ισχυρή ακτίνα, εστιασμένη από σύστημα κατόπτρων και φακών, και υποβοηθούμενη από την μεγάλη ταχύτητα ροή κάποιων αερίων, προσβάλλει και λιώνει ελεγχόμενα το υλικό που θέλουμε να κόψουμε. 1.3.2 Υδροκοπή και κατεργασία με νερό (waterjet) Η κατεργασία με υδροκοπή είναι μία διαδικασία με πολλές μοναδικές ικανότητες και πλεονεκτήματα. Στην τεχνολογία αυτή δημιουργείται μια στενή δέσμη νερού πολύ υψηλής πίεσης που προσβάλει το προς κοπή υλικό, το οποίο και κόβει. Κανένα επιβλαβές αέριο ή υγρό δε χρησιμοποιείται στην υδροκοπή, έτσι δεν δημιουργούνται επικίνδυνοι ατμοί και υλικά, ενώ η θερμότητα και οι μηχανικές πιέσεις δεν επηρεάζουν την επιφάνεια κοπής. Είναι πραγματικά μια ευπροσάρμοστη, παραγωγική και κρύα τέμνουσα διαδικασία κοπής που μπορεί να κάνει πράγματα που άλλες τεχνολογίες δεν μπορούν, όπως λεπτομερή κοπές σε πέτρα, στο γυαλί, στη κοπή των τροφίμων κ.α. 11

1.3.3 Κατεργασία Κοπής με Ηλεκτροδιάβρωση EDM (Electrical Discharge Machining) Η κατεργασία της ηλεκτροδιάβρωσης (EDM, electrical discharge machining) είναι μη-συμβατική κατεργασία αφαίρεσης υλικού, θερμικού/θερμοηλεκτρικού χαρακτήρα. Αν και η θεωρητική της βάση και οι τεχνολογικές της παράμετροι απαιτούν περαιτέρω ανάπτυξη και βελτίωση, αποτελεί την πλέον διαδεδομένη μη-συμβατική κατεργασία και εφαρμόζεται ευρύτατα, λόγω των εξαιρετικών δυνατοτήτων που προσφέρει, σε αγώγιμα υλικά μικρής κατεργασιμότητας. Χρησιμοποιείται κυρίως για την δημιουργία πολύπλοκων και ασυνήθιστων γεωμετρικών μορφών σε υλικά υψηλής σκληρότητας, οι οποίες θα ήταν υπερβολικά χρονοβόρες και δαπανηρές να δημιουργηθούν με χρήση συμβατικών κατεργασιών. 1.3.4 Κατεργασία Κοπής με Πλάσμα(plasma) Πλάσμα ονομάζουμε την κατάσταση της ύλης στην οποία δεν λαμβάνει συγκεκριμένο όγκο και σχήμα που να οφείλεται στην ίδια (όπως συμβαίνει στα αέρια), και επιπλέον βρίσκονται ελεύθερα και όχι σε μοριακούς δεσμούς τα ηλεκτρικά φορτισμένα ατομικά της σωματίδια (ιόντα και ηλεκτρόνια). Το πλάσμα διαφέρει από ένα μη-ιονισμένο αέριο. Σχηματίζεται όταν ένα αέριο γίνει πολύ θερμό με αποτέλεσμα ηλεκτρόνια να δραπετεύσουν από το άτομό τους και να γίνονται ελεύθερα (ελεύθερα ηλεκτρόνια). Το πλάσμα συνίσταται επομένως από ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα (άτομα ή μόρια που έχουν χάσει ή αποκτήσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια), και είναι υπεριονισμένη κατάσταση της ύλης. Το πλάσμα μπορεί να προκύψει από ένα αέριο στο οποίο έχει δοθεί αρκετή ενέργεια για να αποχωριστούν τα ηλεκτρόνια από τα άτομά τους (ιονισμός) ώστε να παραχθεί ένα νέφος από ιονισμένα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Η κοπή με πλάσμα πραγματοποιείται από την ροή του πλάσματος μέσω καταλλήλων διατάξεων και την προσβολή του πρός κοπή υλικού με υψηλής θερμοκρασίας μίγμα πλάσματος και ενός πρόσθετου αερίου. 1.4 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα συμβατικών και μη συμβατικών σύγχρονων ψηφιακών εργαλειομηχανών Οι συμβατικές μέθοδοι κατεργασίας αποβολής υλικού (δηλαδή η κοπή με την χρήση τόρνου, φρέζας ή πλάνης κ.α.) παρουσιάζουν τα παρακάτω πλεονεκτήματα: Υψηλή ακρίβεια. Μεγάλη ποικιλία υλικών. Ευελιξία στις γεωμετρικές μορφές. Κατάλληλη για μικρή ποσότητα παραγωγής. Οι συμβατικές μέθοδοι κατεργασίας αποβολής υλικού παρουσιάζουν αρκετά μειονεκτήματα : Σχετικά χαμηλό βαθμό εκμετάλλευσης του υλικού. (σε ορισμένα υλικά όπως υπερκράματα, πυρίμαχα, κεραμικά και χάλυβες υψηλής αντοχής) 12

Η πρόσδοση πλαστικού έργου μέσω των διατμητικών τάσεων για τη δημιουργία αποβλήτου, καθορίζεται από τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού και είναι ο βασικός μηχανισμός κοπής. Ένα ποσοστό ενέργειας προσδίδεται στο υλικό για την κοπή και ακολούθως απομακρύνεται με τη μορφή θερμότητας συσσωρευμένη στην μεγάλη ποσότητα των αποβλήτων. Η θερμότητα που παραμένει στη μάζα του υλικού είναι η αιτία δημιουργίας προβλημάτων παραμόρφωσης των υλικών, αλλά και των ρηγματώσεων στην επιφάνεια που έχει προκύψει από την αφαίρεση του υλικού. Η παραμόρφωση αυτή είναι το αποτέλεσμα των παραμενουσών τάσεων οι οποίες είναι εντονότερες όταν η γεωμετρία του σχήματος που κόβεται είναι αρκετά πολύπλοκη. Η αναγκαστική τις περισσότερες φορές θερμική επεξεργασία (αποτατική ανόπτηση κ.λ.π.) για την ομαλοποίηση των τάσεων που έχουν αναπτυχθεί στη μάζα του υλικού. Αυτό έχει σαν συνέπεια την άνοδο του κόστους του παραγόμενου προιόντος δεδομένου ότι οι θερμικές επεξεργασίες, αλλά και οι εργασίες αφαίρεσης των οξειδίων (τρόχισμα) κυρίως από την κάτω πλευρά του αφαιρούμενου τμήματος έχουν χρόνο εργασίας και χρήση αναλώσιμων υλικών λείανσης, άρα κόστος. Χαμηλό ρυθμό παραγωγής. Σημαντική φθορά του εργαλείου κοπής. Οι μη συμβατικές μέθοδοι κατεργασίας αποβολής υλικού (δηλαδή η κοπή με την χρήση LASER, η υδροκοπή, η ηλεκτροδιάβρωση και η κοπή με πλασμα) παρουσιάζουν τα παρακάτω πλεονεκτήματα [2]: Βελτιωμένες απαιτήσεις στη ποιότητα κοπής, καθώς προσφέρουν υψηλή ακρίβεια και φινίρισμα της επιφάνειας. Μεγάλο βαθμό εκμετάλλευσης του υλικού και χρήση νέων υλικών. Κοπή πολύπλοκης γεωμετρίας. Ελάχιστη έως μηδενική φθορά της εργαλειομηχανής. Λειτουργία χωρίς έντονο θόρυβο. Μη θερμική παραμόρφωση των υλικών. Οι μη συμβατικές μέθοδοι κατεργασίας αποβολής υλικού παρουσιάζουν τα παρακάτω μειονεκτήματα: Υψηλό κόστος αγοράς των εργαλειομηχανών, κυρίως για μικρά μηχανουργία. Χειρισμό από εξειδικευμένο χρήστη. Η πλέον κατάλληλη μέθοδος κοπής είναι συνάρτηση πολλών παραμέτρων, τα ζητούμενα από μία μέθοδο κοπής είναι να υπάρχει η μέγιστη δυνατή ικανοποίηση των παρακάτω : Μεγάλη ταχύτητα κοπής και άρα μείωση του κόστους κοπής Βελτιωμένες απαιτήσεις ποιότητας κοπής Ενδεχόμενη χρήση νέων υλικών Ακρίβεια των διαστάσεων του προϊόντος Κοπή πολύπλοκης γεωμετρίας Αυτοματοποίηση των συστημάτων κοπής (συστήματα CNC) 13

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο 2. Μέθοδος Κοπής με LASER 2.1 Iστορικά Η λέξη Laser δημιουργήθηκε από τα αρχικά των αγγλικών λέξεων που περιγράφουν το φαινόμενο πάνω στο οποίο βασίζεται η λειτουργία της συσκευής. Δηλαδή Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation που θα μπορούσε να αποδοθεί στα ελληνικά σαν Eνίσχυση Φωτός με Εξαναγκασμένη Εκπομπή Ακτινοβολίας. Έχουμε δηλαδή να κάνουμε με ένα ενισχυτή φωτός. Είναι πολύ παράδοξο το γεγονός ότι τα Laser δεν ανακαλύφθηκαν πολύ πριν το 1960. Τη χρονιά αυτή είχαν περάσει ήδη 43 χρόνια από τότε που είχαν τεθεί τα θεωρητικά θεμέλια της κατασκευής ενός ενισχυτή φωτός, δηλαδή ενός Laser. Ο Einstein το 1917 έδωσε την έννοια της εξαναγκασμένης εκπομπής, ότι δηλαδή μία δέσμη από φως μπορεί να εξαναγκάσει άτομα να δώσουν εκπομπή φωτός με χαρακτηριστικά όμοια με το αρχικό φώς. Κανείς όμως δεν συνειδητοποίησε τότε ότι η έννοια αυτή θα οδηγούσε στην πραγματοποίηση μιας συσκευής ενίσχυσης του φωτός. Από το 1920 μέχρι το 1950 οι επιστήμονες ήταν απασχολημένοι με τις νέες ανακαλύψεις της κβαντομηχανικής, της φυσικής των σωματιδίων και της πυρηνικής φυσικής και η ιδέα της κατασκευής ενός Laser έμεινε παραμελημένη παρόλο που όχι μόνο η αρχή λειτουργίας των Laser ήταν γνωστή αλλά και η τεχνολογία της κατασκευής τους ήταν απλούστατη. Είναι πολύ πιθανόν κάποιος που έκανε πειράματα με σωλήνες αίγλης παλαιότερα, να δημιούργησε συνθήκες ενίσχυσης φωτός. Δεν παρατήρησε όμως ακτινοβολία Laser είτε από έλλειψη οπτικού αντηχείου, που θα μετέτρεπε τον ενισχυτή φωτός, σε ταλαντωτή-πηγή φωτός, είτε γιατί τα πειράματα αυτά έγιναν σε γυάλινους σωλήνες που είναι σκοτεινοί στο υπέρυθρο, περιοχή όπου συναντάμε τα πιο ισχυρά Laser αερίων. Το 1960 τελικά έγινε ένα πολύ σημαντικό πείραμα στα εργαστήρια Hughes Aircraft Corporation στην Καλιφόρνια, που κατέληξε στην κατασκευή του πρώτου Laser. Το πείραμα αυτό ήταν πάρα πολύ απλό. Ένας συνθετικός κρύσταλλος Ruby (ρουμπινιού), μήκους 2cm και διαμέτρου 9mm με γυαλισμένες οπτικά τις δύο έδρες του και επιστρωμένες με άργυρο, τοποθετήθηκε μέσα σε ένα ελικοειδή σωλήνα φλάς. Όταν το φλας τέθηκε σε λειτουργία, λούζοντας τον κρύσταλλο με πολυχρωματικό φως, μία πολύ λεπτή ακτίνα από κόκκινο μονοχρωματικό φως, βγήκε από το ένα άκρο του κρυστάλλου. Αυτή ήταν η πρώτη επιτυχής λειτουργία ενός Laser, του πρώτου από μία σειρά εντυπωσιακών συσκευών με μοναδικές ιδιότητες, που μεταμόρφωσαν ή δημιουργούσαν ολόκληρες περιοχές έρευνας και τεχνολογίας. Το πρώτο αυτό RYBE Laser φαίνεται στο σχήμα 2.1. 14

Σχήμα 2.1. Το RYBE Laser που αναπτύχθηκε στα εργαστήρια Hughes Aircraft Corporation στην Καλιφόρνια. Το πόσο σημαντική ήταν η ανακάλυψη αυτή του RYBE Laser από τον T.H.Maiman, φαίνεται και από το γεγονός ότι μέσα στα επόμενα 10 χρόνια εμφανίστηκαν 5000 δημοσιεύσεις πάνω σε θέματα ανάπτυξης συστημάτων Laser στον διεθνή επιστημονικό τύπο. Τα έξοδα για έρευνα στον ίδιο τομέα, στην ίδια χρονική περίοδο, ξεπέρασαν τα 500 εκατομμύρια λίρες Αγγλίας. Η επιβράβευση όλων αυτών που ασχολήθηκαν με την κατασκευή του Laser ήρθε το 1969 όταν τρεις πρωτοπόροι C.H.Townes στις Ηνωμένες πολιτείες και οι A.M.Prokhorov και N.Basov στην Σοβιετική Ένωση μοιράστηκαν το βραβείο Nobel φυσικής. 2.2 Αρχή Λειτουργίας Δεν θα μπούμε σε λεπτομέρειες του τρόπου δημιουργίας του Laser. Αρκεί ίσως να γνωρίζουμε ότι η ακτινοβολία, μετά την παραγωγή της, περνάει μέσα από σωλήνες γεμάτους με κάποιο «υλικό ενίσχυσης» και αυξάνει την ισχύ της. Ειδικοί καθρέπτες φροντίζουν ώστε το μεγαλύτερο ποσοστό της ακτινοβολίας να κάνει επανειλημμένα την ίδια διαδρομή, κερδίζοντας κάθε φορά περισσότερο σε ισχύ. Ένα μέρος της ακτινοβολίας που πηγαινοέρχεται μέσα στους σωλήνες αφήνεται να περάσει από μικρή οπή διαφάνειας που βρίσκεται στο κέντρο του κατόπτρου και δημιουργεί την τελική υψηλής ενέργειας ακτίνα Laser.Αυτή η εξαιρετικά ισχυρή ακτίνα, εστιασμένη από σύστημα κατόπτρων και φακών, και υποβοηθούμενη από την μεγάλης ταχύτητας ροή κάποιων αερίων, προσβάλλει και λιώνει το υλικό που θέλουμε να κόψουμε. Στο σχήμα 2.2 είναι ένα σχεδιάγραμμα με σύστημα παραγωγής ακτίνων Laser. Η πορεία της ακτίνας ξεκινάει από τη θέση 1 όπου η διέργεση του Διοξειδίου του Άνθρακα παράγει μονοχρωματικό φως. Στην συνέχεια το μονοχρωματικό φως αναμιγνύεται από τον Αποπολωτή στη θέση 2 και οδηγείται από τα Τηλεσκόπια των θέσεων 3 και 4 στους Καθρέπτες Εκτροπής Δέσμης 15

των θέσεων 5. Στη θέση 6 είναι ο Φακός Εστίασης που οδηγεί την λεπτή δέσμη Laser στη θέση 7 και την Κεφαλήν Κοπής, όπου στην άκρη της κεφαλής βρίσκεται το Ακροφύσιο (Μπεκ), θέση 8,και οδηγεί την δέσμη στο Φύλλο Υλικού που Μορφοποιείτε, θέση 9. Σχήμα 2.1 Σχεδιάγραμμα Συστήματος Παραγωγής Ακτίνας LASER. Το σύστημα εστίασης (θέση 6) αποτελείται είτε από φακό σεληνιούχου ψευδαργύρου ή από παραβολικό κάτοπτρο που εστιάζει την ακτίνα Laser σε ένα σημείο. Στο παρακάτω σχήμα 2.3 απεικονίζεται η περίπτωση εστίασης με φακό. Στο σημείο εστίασης επιτυγχάνεται πυκνότητα ισχύος μεγαλύτερη από 500KW/cm 2, ανάλογα βέβαια με την ισχύ της πηγής. Με τον όρο Εστιακή Απόσταση εννοούμε την απόσταση ανάμεσα στην Εστία και τα οπτικά εστίασης. Η Εστία ρυθμίζεται πάνω από την επιφάνεια του φύλλου που θα κόψουμε, επάνω σε αυτήν ή κάτω από αυτήν μέσα στην μάζα του φύλλου που θέλουμε να κόψουμε, ανάλογα με τις απαιτήσεις του υλικού. Η υψηλή πυκνότητα ισχύος θερμαίνει πολύ γρήγορα το υλικό, το λιώνει και μερικά ή ολικά το εξατμίζει. Το αέριο που εκτοξεύεται από το ακροφύσιο απομακρύνει την τηγμένη μάζα υλικού από το αυλάκι κοπής και επηρεάζει την ποιότητα κοπής, την ισχύ του Laser και τη συνολική παραγωγικότητα. Τα αέρια αυτά χρησιμοποιούνται είτε σε φιάλες είτε σε συστοιχίες 16

φιαλών ή σε δεξαμενές υγρού για μεγάλες καταναλώσεις. Για το άζωτο, που είναι το πιο κοινό αέριο για την κοπή ανοξείδωτου χάλυβα, απαιτείται σύστημα υψηλής πίεσης και υψηλής παροχής. Υπάρχουν δύο τρόποι προμήθειας αυτών των συστημάτων : είτε δεξαμενές υγρού υψηλής πίεσης, ή συμβατικές δεξαμενές με συμπιεστή αζώτου, που παρέχουν την αδιάκοπη παροχή του Laser με άζωτο. Η μηχανή κινεί την κεφαλή κοπής πάνω από το φύλλο του μετάλλου σύμφωνα με το προγραμματισμένο σχέδιο, και κόβει το αντικείμενο που θέλουμε από το φύλλο του υλικού. Σχήμα 2.3 Εστιακή απόσταση, δηλαδή απόσταση φακού με την εστία. 2.3 Μέθοδοι Κοπής με Laser Οι μέθοδοι κοπής διαφέρουν και εξαρτώνται από το υλικό που πρέπει να κόψουμε: A) Κοπή Τήξης (Κοπή υψηλής πίεσης) Το υλικό τήκεται από την ενέργεια της ακτίνας Laser. Το αέριο, σε αυτήν την περίπτωση Άζωτο σε υψηλή πίεση (10 έως 20 bar), χρησιμοποιείται για να απομακρύνει το τηγμένο υλικό από το αυλάκι κοπής. Το αέριο παράλληλα προστατεύει και τα οπτικά εστίασης από πιτσιλίσματα λιωμένου υλικού. Αυτή η μέθοδος κοπής προστατεύει την επιφάνεια κοπής από οξείδωση και χρησιμοποιείται κυρίως για ανοξείδωτο χάλυβα, αλουμίνιο και τα κράματά τους. B) Κοπή Οξείδωσης (Κοπή με πυρσό Laser) Το υλικό θερμαίνεται μέχρι της θερμοκρασίας ανάφλεξης. Το αέριο, σε αυτήν την περίπτωση Οξυγόνο σε μεσαία πίεση (0,4 έως 5 bar) χρησιμοποιείται για να οξειδώσει το υλικό και να απομακρύνει τα οξείδια έξω από το αυλάκι κοπής. Το αέριο παράλληλα προστατεύει και τα οπτικά εστίασης από πιτσιλίσματα λιωμένου υλικού. Η εξωθερμική αντίδραση του Οξυγόνου με το υλικό παρέχει το μεγαλύτερο ποσοστό της απαιτούμενης ενέργειας για την διαδικασία κοπής. Είναι δηλαδή καύση του υλικού, και από την θερμότητα που παράγεται στην καύση λιώνει το υλικό. Αυτή η μέθοδος είναι η ταχύτερη από όλες και χρησιμοποιείται στην οικονομική κοπή των ανθρακούχων χαλύβων. 17

2.4 Παράμετροι που επηρεάζουν την Κοπή Laser 2.4.1 Η Ισχύς του Laser Η Ισχύς του Laser πρέπει να προσαρμόζεται στον τύπο και το πάχος του αντικειμένου που δουλεύουμε. Η μείωση της ισχύος μπορεί να είναι αναγκαία για να πετύχουμε μεγάλη ακρίβεια όταν κόβουμε πολύπλοκα σχήματα ή πολύ μικρά κομμάτια. Αντιθέτως, ισχύς Laser τουλάχιστον 1000 W είναι απαραίτητη για να κόψουμε φύλλο ανθρακούχου χάλυβα παχύτερο από 8mm. 2.4.2 Η Συχνότητα των Παλμών Όπως συμβαίνει και με την ισχύ, έτσι και η συχνότητα των παλμών πρέπει να ταιριάζει με την ειδική κάθε φορά εργασία κοπής. Για παράδειγμα, συνιστάται η κοπή των μικρών σχημάτων να γίνεται με μειωμένη συχνότητα παλμών. Η συχνότητα παλμών μειώνεται όταν κάνουμε διάτρηση. Η διάτρηση μπορεί να γίνει με πλήρη ισχύ ή σιγά-σιγά χρησιμοποιώντας την «τεχνική της ράμπας» (Ramp Mode). Με αυτή την μέθοδο η ισχύς του Laser αυξάνει σιγά-σιγά, διατηρείται σταθερή μέχρι να ολοκληρωθεί η διάτρηση, και μετά βαθμιαία ξαναπέφτει. 2.4.3 Τύπος του Αερίου Κοπής Ο τύπος του αερίου και οι απαιτήσεις της ποιότητας κοπής είναι παράγοντες αποφασιστικοί για τον τύπο του αερίου που θα χρησιμοποιηθεί. Εύφλεκτα υλικά, όπως το ξύλο, δεν μπορούν π.χ., να κοπούν με οξυγόνο, αφού το κομμάτι που κόβουμε θα έπιανε φωτιά. Το Οξυγόνο θα έπρεπε να χρησιμοποιείται μόνο σε μεταλλικά κομμάτια με επιφάνεια κοπής απαλλαγμένη από οξείδια. Το Οξυγόνο δημιουργεί μία λεπτή επιφάνεια οξείδωσης κατά την εξώθερμη καύση του υλικού. Όταν κόβουμε μεταλλικά αντικείμενα με πυρσό Laser (B' Μέθοδος Κοπής Κοπή Οξείδωσης), η ποιότητα του Οξυγόνου που χρησιμοποιείται είναι αποφασιστικός παράγοντας για την ποιότητα κοπής. Ίχνη υγρασίας ή αζώτου οδηγούν στην δημιουργία γρεζιού. Αυτή η μόλυνση του αερίου με ξένες ουσίες μπορεί να γίνει κατά την αντικατάσταση της φιάλης και την σύνδεση με όχι απόλυτα καθαρές φιάλες. Γι αυτό θα ήταν καλύτερα, όπου είναι δυνατόν, να χρησιμοποιούμε Οξυγόνο από δεξαμενή και όχι από φιάλη. Συνιστώμενη καθαρότητα του Οξυγόνου: 99,95%.Όταν χρησιμοποιείται οξυγόνο καθαρότητας 99,5% η ταχύτητα κοπής μειώνεται κατά περίπου 10%. Η ποιότητα του Αζώτου ως αερίου κοπής είναι επίσης πολύ σημαντική για την κοπή ανοξείδωτου χάλυβα με υψηλή πίεση. Ακόμα και ελάχιστα ίχνη οξυγόνου μπορούν να οδηγήσουν στον σχηματισμό ενός λεπτού στρώματος οξειδίου. 2.4.4 Η Πίεση του Αερίου Κοπής Το πάχος του φύλλου του υλικού που δουλεύουμε πρέπει να ταιριάζει με την πίεση του αερίου. Όταν κόβουμε με πυρσό (B' μέθοδος κοπής), τα λεπτά μεταλλικά κομμάτια κόβονται με υψηλότερη πίεση αερίου απ ότι τα χοντρά. Η πίεση του αερίου πρέπει να ρυθμίζεται πολύ προσεκτικά, γιατί ακόμα και ελάχιστες αλλαγές στην πίεση του οξυγόνου επηρεάζουν την ποιότητα κοπής. Αν η πίεση είναι πολύ χαμηλή, τα υγρά προϊόντα της οξείδωσης παραμένουν στη βάση του υλικού που κόβουμε δημιουργώντας μόνιμο γρέζι που μερικές φορές ξανακλείνει το αυλάκι κοπής. Αν η πίεση είναι υπερβολικά υψηλή οι κάτω άκρες της κοπής καίγονται και τις περισσότερες φορές η εργασία αχρηστεύεται. 18

2.4.5 Διάμετρος και Τύπος του Ακροφυσίου (beck) Η επιλογή του σωστού ακροφύσιου για την εκπομπή του αερίου στη κοπή είναι πολύ σημαντική (Σχήμα 2.2 θέση 8). Για παράδειγμα, στην κοπή υψηλότερης πίεσης χρησιμοποιούνται ακροφύσια με μεγαλύτερο στόμιο απ' ότι στην κανονική κοπή. Παραμορφωμένο στόμιο, π.χ. σχήματος ωοειδούς μετά από κάποια σύγκρουση, έχει το ίδιο αποτέλεσμα με μία κακά εστιασμένη έκκεντρη ακτίνα Laser, δηλαδή κοπή που έχει λάθη κατευθυντικότητας. Αν το ακροφύσιο είναι λίγο μεγαλύτερο, η κοπή καταναλώνει περισσότερο αέριο, αλλά η ποιότητά της δεν επηρεάζεται αρνητικά σε αισθητό βαθμό. Αν το ακροφύσιο είναι πολύ μικρό, η κοπή δεν είναι καθαρή και τα υγρά οξείδια κολλάνε στην κάτω άκρη της επιφάνειας κοπής. Σε ακραίες περιπτώσεις η κοπή δεν ολοκληρώνεται και τα αντικείμενα παραμένουν ενωμένα με τη λαμαρίνα. 2.4.6 Απόσταση μεταξύ του Ακροφυσίου Κοπής και της Επιφάνειας του Υλικού που Κόβουμε Η απόσταση του ακροφύσιου από την επιφάνεια του φύλλου που κόβουμε διατηρείται στην προγραμματισμένη τιμή με κάποιο σύστημα ελέγχου του ύψους χωρίς να έρχεται σε επαφή με το κομμάτι που δουλεύουμε. Η απόσταση αυτή είναι πολύ σημαντική για την ποιότητα κοπής όταν κόβουμε με Laser. Κατ' αρχήν, όσο μικρότερη είναι, τόσο καλύτερα τα ποιοτικά αποτελέσματα κοπής. Όμως, για λόγους ασφαλείας των εργαλείων, μία ελάχιστη απόσταση, περίπου 0,65 mm, είναι συνετό να τηρείται. Όταν ξετρυπάμε, η απόσταση αυτή ορίζεται να είναι ίση ή μεγαλύτερη με αυτήν και εξαρτάται από το πάχος του φύλλου και τον τρόπο που κάνουμε τη διάτρηση. 2.4.7 Εστιακή Απόσταση των Οπτικών Εστίασης Τα Οπτικά εστίασης της Ακτίνας Laser: Φακός σεληνιούχου ψευδαργύρου ή παραβολικό κάτοπτρο Τα οπτικά εστίασης εστιάζουν την ακτίνα σε ένα μόνο σημείο περνώντας από το στόμιο του ακροφύσιου. Αυτή η εστίαση γίνεται είτε με φακό σεληνιούχου ψευδαργύρου ή με παραβολικό κάτοπτρο. 1= Ακτίνα Laser, 2=Φακός Εστίασης, 3=Είσοδος Βοηθητικού Αερίου, 4=Κεφαλή Κοπής(μπεκ), 5=Κατεύθυνση Κοπής, 6=Επιφάνεια Κοπής, 7=Κάθετη Τομή Φύλλου Εργασίας, 8=Στρώμα Τήξης, 9=Απομάκρυνση Τηγμένης Μάζας Σχήμα 2.4. Κοπή με laser 19

Ο φακός εστίασης πρέπει να διατηρείται καθαρός. Οποιαδήποτε ρύπανσή του συμβάλλει στην αύξηση της θερμοκρασίας του, αφού απορροφάται μεγαλύτερο ποσοστό της ακτινοβολίας του Laser, με αποτέλεσμα την παραμόρφωσή του. Αν συμβεί αυτό η εστία ανεβαίνει ψηλότερα. Πολύ μεγάλη ρύπανση οδηγεί στην καταστροφή του φακού. Οποιαδήποτε παραμόρφωση του φακού έχει αποτέλεσμα να σχηματίζεται γρέζι και να αυξάνει ο βαθμός ανωμαλίας (η αγριάδα ) στις επιφάνειες κοπής. Στον ανθρακούχο χάλυβα δημιουργείται το φαινόμενο της δημιουργίας μικροκρατήρων μέσα στη μάζα του μετάλλου δημιουργούνται σημεία τήξης και αεριοποίησης του υλικού, οπότε η ποσότητα του αεριοποιημένου υλικού σκάει προς τα επάνω, το υλικό που βρίσκεται δίπλα στο σημείο που δημιουργήθηκε το κενό ρέει για να το γεμίσει, και δημιουργείται μικρός κρατήρας που στερεοποιείται και παραμένει όταν η λαμαρίνα κρυώσει. Για τις εστιακές αποστάσεις συνήθως για την κοπή χρησιμοποιούνται οπτικά συστήματα με εστιακή απόσταση 12,7 και 19 mm. Τα συστήματα με εστία στα 12,7 mm χρησιμοποιούνται για κοπή λεπτών υλικών. Για παχύτερα υλικά χρησιμοποιούνται οπτικά με εστιακή απόσταση στα 19 mm. Η μικρότερη εστιακή απόσταση στα λεπτά υλικά έχει αποτέλεσμα στενότερο αυλάκι κοπής και μεγαλύτερη συγκέντρωση ισχύος για την ίδια ισχύ της γεννήτριας Laser. Σαν συνέπεια, οι ταχύτητες που μπορούμε να κόψουμε με τα οπτικά των 12,7 mm είναι ελαφρά μεγαλύτερες για το ίδιο πάχος υλικού και ισχύ της γεννήτριας. Αν κόβουμε κυρίως λεπτά υλικά, τα οπτικά με εστιακή απόσταση 12,7 mm συνιστώνται, γιατί είναι πιο οικονομικά. Τα οπτικά των 19 mm έχουν το πλεονέκτημα του μεγαλύτερου βάθους εστίας, δηλαδή δυνατότητας για να κόβουμε μεγαλύτερα πάχη. Αυτά τα οπτικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν γενικά για μεγάλο εύρος παχών, αλλά χρησιμοποιούνται κυρίως για υλικά παχύτερα. 2.4.8 Η θέση της Εστίας σε σχέση με το Υλικό Η ακριβής τοποθέτηση της εστιακής απόστασης, σχήμα 2.5, είναι σημαντική προϋπόθεση για καλά αποτελέσματα κοπής. Χονδρικά ισχύουν τα παρακάτω για την κοπή οξείδωσης ανθρακούχου χάλυβα: α) Για πάχος φύλλου μέχρι 6mm η καλύτερη εστίαση γίνεται στην επιφάνεια του υλικού που θα κόψουμε (f=0). β) Για πάχος φύλλου πάνω από 8mm, η καλύτερη εστίαση γίνεται πάνω από την επιφάνεια του υλικού που θα κόψουμε (f>0). γ) Κοπή υψηλής πίεσης ανοξείδωτου χάλυβα και αλουμινίου: Η εστία τοποθετείται μέσα στο φύλλο (f<0). Σχήμα 2.5 H Θέση της Εστίας σε Σχέση με το Υλικό. 20

Ένας πρόχειρος κανόνας είναι να τοποθετείται περίπου στα 2/3 του πάχους του φύλλου, μέσα σε αυτό. Συνεπώς, σε κάθε αλλαγή δουλειάς με διαφορετικού πάχους φύλλο, πρέπει να αλλάζουμε την θέση της εστίας μας. 2.4.9 Το Κεντράρισμα της Δέσμης σε Σχέση με το Ακροφύσιο Ο φακός εστίασης πρέπει να ρυθμίζεται έτσι ώστε η εστιασμένη ακτίνα Laser να είναι στο κέντρο του στομίου του ακροφύσιου. Η μέγιστη επιτρεπόμενη απόκλιση από το κέντρο του ακροφύσιου είναι της τάξης του μισού εκατοστού του χιλιοστομέτρου (0,05 mm). Η κατεύθυνση προς την οποία βρίσκεται η λάθος κεντραρισμένη δέσμη Laser λέγεται Κατεύθυνση Εκκεντρικότητας, σχήμα 2.6. Σχήμα 2.6 Κεντράρισμα της Δέσμης σε Σχέση με το Μπεκ 1) Στόμιο Ακροφύσιου(μπεκ), 2) Δέσμη Λέιζερ. Το a είναι κεντραρισμένο, τα b και c δεν είναι Αν όλες οι άλλες ρυθμίσεις είναι σωστές αλλά η δέσμη Laser δεν είναι κεντραρισμένη, έχουμε προβλήματα κατευθυντικότητας της κοπής. Αυτό σημαίνει πως η κοπή είναι πολύ καλή προς κάποια κατεύθυνση, αλλά προς τις άλλες κατευθύνσεις είναι κακή, σε ακραίες περιπτώσεις ούτε κάν ολοκληρώνεται και το αντικείμενο δεν αποσπάται από την λαμαρίνα. Όταν κάνουμε κοπή οξείδωσης ανθρακούχου χάλυβα (Β' Μέθοδος Κοπής, παράγραφος 2.4) δημιουργούνται σπινθήρες στην επιφάνεια του φύλλου εάν η κοπή γίνεται αντίθετα στην κατεύθυνση εκκεντρικότητας. 2.4.10 Η Ταχύτητα Κοπής Η ταχύτητα κοπής πρέπει να αντιστοιχεί στον τύπο και το πάχος του υλικού του αντικειμένου της δουλειάς μας. Μικρότερη ή μεγαλύτερη ταχύτητα έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση της αγριάδας της επιφάνειας κοπής, δημιουργία γρεζιού και μεγάλες γραμμές πάνω στην επιφάνεια κοπής, τις γραμμές υστέρησης, καθώς ο πυρσός φεύγει από το σημείο κοπής γρηγορότερα απ' ό,τι θα χρειαζόταν για να την ολοκληρώσει. 21

2.4.11 Οι Επιταχύνσεις του Συστήματος Μία από τις παραμέτρους που απασχολούσαν τους χειριστές πολύ στο παρελθόν. Οι σύγχρονοι μηχανισμοί αυτόματου ελέγχου, τα CNC, αναλαμβάνουν πλέον τον έλεγχο και ρυθμίζουν την επιτάχυνση αυτόματα, οπότε δεν μας απασχολεί πια. 2.4.12 Το Υλικό Οι ιδιότητες των μεταλλικών υλικών έχουν αποφασιστική επίδραση στο πόσο εύκολα μπορούμε να τα κόψουμε με Laser. Η Θερμική αγωγιμότητα, η θερμοχωρητικότητα και η ανακλαστικότητα είναι τρεις από αυτές. Αυτές οφείλονται στην σύνθεση των υλικών και τις μεθόδους παραγωγής τους. Λαμαρίνες σιδήρου και χάλυβα: Οι ιδανικές για κοπή με Laser λαμαρίνες χάλυβα είναι ελεύθερες εσωτερικών τάσεων και με πολύ μικρές προσμίξεις πυριτίου, φωσφόρου και άνθρακα. Τέτοιο υλικό μπορεί να κοπεί με μεγάλες ταχύτητες και με ποιότητα κοπής πολύ καλή, επιφάνεια κοπής καθαρή και χωρίς γρέζι. Εάν η λαμαρίνα έχει μεγάλες προσμίξεις άνθρακα δημιουργείται στην επιφάνεια κοπής μία επιφανειακή σκλήρυνση. Χάλυβας με μεγάλες προσμίξεις είναι δυσκολότερο να κοπεί από χάλυβα με μικρές προσμίξεις Μη σιδηρούχα μέταλλα: Εξαιτίας της μεγάλης ανακλαστικότητας και θερμικής αγωγιμότητας, τα κράματα αλουμινίου κόβονται σε πάχος μόνο περίπου το 30% του πάχους που κόβεται ο χάλυβας. Η ποιότητα κοπής εξαρτάται από τον τύπο του κράματος. Συνήθως βλέπουμε βελτίωση όταν αυξάνει το ποσοστό των προσμίξεων. Ο χαλκός και ο ορείχαλκος κόβονται σε περιορισμένο βαθμό, εξαιτίας της μεγάλης ανακλαστικότητας και θερμικής αγωγιμότητάς τους. Το μέγιστο πάχος φύλλου ορείχαλκου που κόβεται είναι περίπου 2mm και για τον χαλκό το 1mm. Προσοχή: Οι χειριστές πρέπει να φέρουν εξοπλισμό προστασίας ενάντια στην ανακλώμενη ακτινοβολία. Ο χρυσός και ο άργυρος δεν μπορούν πρακτικά να κοπούν με ακτίνα Laser. Μη μεταλλικά υλικά: Η συμπεριφορά των μη μεταλλικών υλικών στην κοπή από Laser πρέπει να ελέγχεται ξεχωριστά σε κάθε ειδική περίπτωση. Γενικά μπορούμε να πούμε πως: Φυσικά οργανικά υλικά όπως το δέρμα, το ξύλο, το πεπιεσμένο χαρτόνι και το χαρτί μπορούν να κοπούν με καλά αποτελέσματα, αλλά με έναν ελαφρύ αποχρωματισμό της επιφάνειας κοπής οφειλόμενο στην ενανθράκωση Οργανικά συνθετικά όπως το ακρυλικό (πλεξιγκλάς/φάιμπερ γκλας), το PVC και η πολυουρεθάνη μπορούν να κοπούν με καλά αποτελέσματα αλλά πρέπει να παίρνουμε ειδικά προφυλακτικά μέτρα για την παγίδευση και απαγωγή των επικίνδυνων για την υγεία καπναερίων που 22

παράγονται. Προσοχή: Τα συστήματα συλλογής και απαγωγής των καπναερίων που είναι σχεδιασμένα για την κοπή μετάλλων δεν επαρκούν για την κοπή οργανικών συνθετικών υλικών. Ανόργανα υλικά όπως κρύσταλλο ή κεραμικά μπορούν να κοπούν αλλά πρέπει να πάρουμε ειδικές προφυλάξεις για να μην ραγίσουν από την τοπική επενέργεια θερμότητας 2.4.13 Η Επιφάνεια και το Σχήμα που Κόβουμε Γυαλιστερές επιφάνειες, όπως για παράδειγμα τα φύλλα καθαρού αλουμινίου, αντανακλούν έντονα την ακτίνα Laser και παρουσιάζουν, γι' αυτό το λόγο, φτωχά αποτελέσματα. Όταν κόβουμε με Laser, σημάδια και δίπλες ρολαρίσματος, ή σφραγίδες και βουλιάγματα του φύλλου αντανακλούν τις ακτίνες Laser και την ροή του αερίου προς τυχαίες κατευθύνσεις. Αυτό είναι πιο έντονο όταν δουλεύουμε μεγάλου πάχους λαμαρίνα και έχει ως αποτέλεσμα επιφάνειες κοπής με υπολείμματα και ταχύτητα / απόδοση της μηχανής μειωμένη. Επικάλυψη με σπρέι και χρώμα ή πλαστικό φύλλο επηρεάζουν τα αποτελέσματα κοπής. Το ίδιο και η μη αποξειδωμένη επιφάνεια φύλλων λαμαρίνας θερμής έλασης. Αυτό γιατί τα σωματίδια των οξειδίων, διαφόρων μεγεθών, που καλύπτουν τη λαμαρίνα δεν επιτρέπουν στην ακτίνα να προσβάλει κατ' ευθείαν την επιφάνεια. Το αέριο κοπής που περιβάλλει την ακτίνα υφίσταται και αυτό περίθλαση και απομακρύνεται προς διάφορες κατευθύνσεις. Υπολείμματα κόκκων άμμου σε επιφάνειες που έχουν καθαριστεί με αμμοβολή εμποδίζουν την ακτίνα Laser και το ανώμαλο πυραμιδοειδές σχήμα τους διαχέει το αέριο κοπής προς όλες τις κατευθύνσεις. Επιπρόσθετα, η άμμος περιέχει πυρίτιο που προκαλεί, και αυτό, προβλήματα όταν κόβουμε με Laser. Η ανώμαλη επιφάνεια των ελασμάτων που έχουν δουλευτεί με κάποια τεχνική λείανσης μπορεί επίσης να δυσκολέψει την ανεμπόδιστη ροή του αερίου προς αυτήν. Μικρές στερεοποιημένες σφαίρες από πιτσιλίσματα λιωμένου υλικού κατά τη διαδικασία ξετρυπήματος έχουν την τάση να κολλάνε στην αμμοβολημένη ή αλλιώς κατεργασμένη επιφάνεια του ελάσματος και να προκαλούν ανωμαλίες στη διαδικασία κοπής ή, αν είναι λίγο μεγαλύτερα, όταν το ακροφύσιο έρχεται σε επαφή μαζί τους και η διαδικασία "κρασάρει". Αντίθετα, το λεπτό προστατευτικό στρώμα λαδιού που συχνά υπάρχει στη λαμαρίνα δεν εμποδίζει τη διαδικασία κοπής. Η επίστρωση με λάδι έχει θετικά αποτελέσματα κατά τη διαδικασία της διάτρησης με το 100% της ισχύος του Laser, γιατί μειώνεται σημαντικά η συγκέντρωση πάνω στο φύλλο των πιτσιλισμάτων του υλικού. Ανοξείδωτος χάλυβας πάχους μέχρι 3,2 mm με επικάλυψη πλαστικής μεμβράνης μπορεί να κοπεί χωρίς γρέζι με την μέθοδο της κοπής υψηλής πίεσης. Οι προϋποθέσεις είναι: Η μεμβράνη να είναι στην επάνω επιφάνεια του ελάσματος Να είναι αυτοκόλλητη μεμβράνη πολυαιθυλενίου πάχους 100 μm Προσοχή: Όταν κόβουμε υλικό με επικάλυψη πλαστικής μεμβράνης, παράγονται επικίνδυνα καπναέρια και πρέπει να εξασφαλιστεί τρόπος ικανής απαγωγής τους. Το γαλβανισμένος χάλυβας μπορεί να κοπεί χωρίς γρέζι μέχρι πάχους 3,2 mm ακολουθώντας την μέθοδο Υψηλής Πίεσης. Οι προϋποθέσεις είναι: 23

το στρώμα του γαλβανιού να έχει αποτεθεί ηλεκτρολυτικά πάχος στρώματος 60 g/m 2 = περίπου 8 μm Μερικά σχήματα που δουλεύουμε(σχήμα 2.7), όπως μερικά με λεπτές γέφυρες, απότομες γωνίες ή μικρές οπές (όταν η διάμετρος είναι μικρότερη από το πάχος του φύλλου) μερικές φορές παρουσιάζουν προβλήματα κατά την επεξεργασία τους. Τέτοια γεωμετρικά προφίλ κόβονται με μειωμένες τιμές κάποιων παραμέτρων: Μειωμένη ισχύς του Laser Μειωμένη ταχύτητα κοπής Μειωμένη συχνότητα παλμών Σχήμα 2.7 Κοπή λεπτών γεωμετρικών προφίλ με μικρές οπές και γωνίες. Διαφορετικά υπάρχει κίνδυνος να δημιουργηθεί υπερθέρμανση στο αντικείμενο που κόβουμε και τμήματα του σχεδίου του να καούν. 24

2.4.14 Το Πάχος του Υλικού Όσο μεγαλώνει το πάχος του υλικού, τόσο μεγαλώνουν οι ανωμαλίες στην επιφάνεια κοπής μεταλλικών αντικειμένων και τόσο μεγαλύτερη είναι η απαιτούμενη ισχύς του Laser. Όσο μεγαλώνει το πάχος του υλικού οι ταχύτητες κοπής, με την ίδια ισχύ της γεννήτριας Laser, μειώνονται σημαντικά. 2.4.15 Σύστημα Στήριξης της Λαμαρίνας ή του Φύλλου του Υλικού Όταν κόβουμε με την μέθοδο Υψηλής Πίεσης, μπορεί να διακοπεί η διαδικασία κοπής όταν κόβουμε πάνω από τις δοκούς στήριξης του φύλλου που δουλεύουμε. Τη στιγμή που ο πυρσός περνάει από σημεία που στηρίζεται το φύλλο μπορεί να δημιουργηθούν μικρές αυλακώσεις σε μερικά σημεία στην κάτω επιφάνεια. Η κοπή μπορεί να προχωρήσει και στα στηρίγματα του φύλλου εργασίας, και λιωμένο υλικό από τα υποστηρίγματα μπορεί να κολλήσει στο κάτω μέρος του αντικειμένου που κόβουμε. [3] 2.5 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Κοπής με Laser Η τεχνολογία κοπής με Laser παρουσιάζει τα ακόλουθα Πλεονεκτήματα: Υψηλή ακρίβεια. Καθώς η χρήση του αντίστοιχου φακού εστίασης δημιουργεί το ανάλογο πάχος στη δέσμη κοπής και σε συνδυασμό με την τεχνολογία CNC είναι η μοναδική τεχνολογία που επιτρέπει κοπή ή χάραξη πολύπλοκων σχημάτων. Εξαιρετική ποιότητα κοπής. Μικρό πλάτος ίχνους κοπής (Kerf). Μεγάλη ταχύτητα κοπής. Πολύ μικρή ζώνη θερμικού φορτίου σε σύγκριση με άλλες τεχνικές Θερμικής Κοπής. Πολύ μικρή εφαρμογή θερμότητας, και αυτή πολύ κοντά στο ίχνος κοπής, με αποτέλεσμα μικρότερη παραμόρφωση του κομμένου υλικού. Κοπή πολλών διαφορετικών τύπων υλικών. Κοπή και χάραξη με το ίδιο εργαλείο. Δυνατότητα κοπής σύνθετων γεωμετρικών σχημάτων, μικρών οπών και φρεζαριστών κοπών. Καμία επαφή ανάμεσα στο υλικό και το εργαλείο διαμόρφωσής του, επομένως εφαρμογή μηδενικών δυνάμεων στο αντικείμενο που δουλεύουμε. 25

Εύκολος και άμεσος έλεγχος της ισχύος του Laser σε πλατύ φάσμα (1-100%) που κάνει δυνατή την μείωση της ισχύος όταν κόβουμε απότομες και πολύ μικρές γωνίες. Το επίστρωμα οξειδίων στην επιφάνεια κοπής, όταν κόβουμε με πυρσό λέιζερ, είναι πολύ λεπτό και εύκολα αφαιρούμενο. Κοπή με Laser με υψηλής πίεσης Άζωτο κάνει δυνατή κοπή ελεύθερη οξειδώσεων. Η τεχνολογία κοπής με Laser παρουσιάζει τα ακόλουθα Μειονεκτήματα : Αναθυμιάσεις. Η κοπή πλαστικών υλικών παράγει τοξικούς καπνούς από το λιωμένο υλικό και απαιτεί καλά αεριζόμενο περιβάλλον. Περιορισμοί των υλικών κοπής. Δεν κόβεται με Laser ο χαλκός και το αλουμίνιο γιατί αντανακλούν πολύ φως και έχουν μεγάλο πάχος. Επίσης εύθραυστα και διαφανή υλικά όπως το γυαλί και το κρύσταλλο. Απαιτείται υψηλή ενέργεια για την λειτουργία του Laser. Ρυθμός Παραγωγής. Ενώ η κοπή με Laser είναι μια γρήγορη διαδικασία ο ρυθμός παραγωγής εξαρτάται απο τον τύπο του Laser, το πάχος και το είδος του υλικού. 26

27

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο 3. Υδροκοπή και Κατεργασία με Νερό (waterjet) 3.1 Ιστορικά Ο Δρ Norman Franz θεωρείται ο πατέρας της υδροκοπής. Ήταν το πρώτο πρόσωπο που μελέτησε τη χρήση ύδατος σε υπερβολικά υψηλές πιέσης Ultra Hydro Pressure (UHP), ως τέμνον εργαλείο. Ο όρος UHP ορίζεται κάτι παραπάνω απο 30.000 λίβρες άνα τετραγωνική ίντσα (Pound per Square Inch-PSI). Ο ΔΡ Franz ήταν ένας μηχανικός δασονομίας, που θέλησε να βρεί νέους τρόπους για να τεμαχίσει κορμούς δέντρων με μεγάλο πάχος. Στη δεκαετία του 50, ο Δρ Franz χρησιμοποίησε μεγάλο βάρος επάνω στις στήλες του ύδατος οδηγώντας το νερό μέσω ενώς μικροσκοπικού στομίου. Με αυτό τον τρόπο λάμβανε σύντομες εκρήξεις πολύ υψηλών πιέσεων, που πολλές φορές ήταν υψηλότερες από τις σημερινές πιέσεις λειτουργίας και ήταν σε θέση να κόψει το ξύλο και άλλα υλικά (σχήμα 3.1). Οι έρευνες του συνεχίστηκαν προσπαθώντας να αντιμετωπίσει τα προβλήματα στην συνεχή λήψη υψηλών πιέσεων και στην διάρκεια ζωής της μηχανής του. Στην πραγματικότητα ο Δρ Franz ποτέ δεν κατάφερε να δημιουργήσει μια ολοκληρωμένη παραγωγική εργαλειομηχανή, ωστόσο απέδειξε ότι μία ακτίνα ύδατος με πολύ υψηλή ταχύτητα, έχει μεγάλη δύναμη κοπής. Σχήμα 3.1 Η πρώτη εργαλειομηχανή υδροκοπής του Δρ Franz. Οι πρώτες εμπορικές εφαρμογές της υδροκοπής έγιναν στις αρχές του 1970, και αφορούσε την κοπή με καθαρή υδροκοπή κυματοειδούς χαρτονιού. Καθαρή υδροκοπή ήταν η αρχική μέθοδος κοπής με νερό. Η μεγαλύτερη χρήση της έγινε για την κοπή των προϊόντων χαρτιού, πλαστικών, αφρών, υφασμάτων, χαλιών, τύρφης, τροφίμων, εσωτερικών μερών του αυτοκινήτου κ.α. 28

3.2 Αρχή Λειτουργίας Η υδροκοπή είναι ταυτόχρονα μια απλή αλλά και σύνθετη διαδικασία κοπής. Με βασική διαδικασία την ροή του νερού από μια αντλία και τη δημιουργία υψηλής πίεσης στο νερό όπου μέσω των υδραυλικών σωληνώσεων καταλήγει στο στόμια εκτόξευσης. Επίσης στη διαδικασία ενσωματώνεται η σύνθετη τεχνολογία υλικών και το σχέδιο. Η εργαλειομηχανή παράγει και ελέγχει νερό σε πιέσεις λίγο μεγαλύτερες από 6.000 bar που απαιτεί υψηλή επιστήμη και τεχνολογία καθώς σε αυτές τις πιέσεις μία διαρροή μπορεί να προκαλέσει μόνιμη ζημιά διάβρωσης στα εξαρτήματα της μηχανής. Πλέον στην εποχή μας οι κατασκευαστές των εργαλειομηχανών υδροκοπής έχουν φροντίσει για την σύνθετη τεχνολογία υλικών και την εφαρμοσμένη μηχανική των τέμνων-άκρων οπότε ο χρήστης χρειάζεται μόνο να είναι πεπειραμένος στη βασική λειτουργία της υδροκοπής. Σχήμα 3.2 Κύκλος Νερού στην Υδροκοπή Οι αντλίες που χρησιμοποιεί η εργαλειομηχανή χωρίζονται στην αντλία ενίσχυσης και στην άμεση αντλία κίνησης. Η αντλίες είναι η καρδιά της εργαλειομηχανής (σχήμα 3.2 α φάση), γιατί δημιουργούν υψηλή πίεση στο νερό, μετέπειτα ο σταθεροποιητής ( σχήμα3.2 β φάση) δημιουργεί σταθερή την υψηλη πίεση του νερού ώστε στη συνέχεια στο στόμιο εκτόξευσης (σχήμα 3.2 δ φάση) να μετατρέψει την υψηλή σταθερή πίεση σε μία υπερηχητική ακτίνα υδροκοπής. Επίσης για την λειαντική υδροκοπή στο σχήμα 3.2 υπάρχει η συσκευή παροχής λειαντικών (γ φάση) μαζί με τον απαραίτητο αποθυκευτικό χώρο των κόκκων κ την αντλία κίνησής τους. Η άμεση αντλία κίνησης λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο με μία αντλία χαμηλής πιέσεως στο πλυντήριο πίεσης. Είναι μια τριβάθμια αντλία (σχήμα 3.3) που λειτουργεί με την 29

προϋπόθεση ότι η στάθμη του νερού, που ελέγχεται μέσω τριών ηλεκτροδίων άμεσα από ηλεκτρονική διάταξη, βρίσκεται στο σωστό επίπεδο. Οι αντλίες αυτές μπορούν να παραδώσουν μέγιστη συνεχή πίεση λειτουργίας 10%-25% μικρότερη από την ονομαστική τους τιμή στις μονάδες των αντλιών ενίσχυσης. Σχήμα 3.3 Αμεση αντλία κίνησης, μοντέλο JP-930 Σχήμα 3.4 Αντλία ενίσχυσης, μοντέλο 50i-S II ESL Στην αντλία ενίσχυσης (σχήμα 3.4) υπάρχουν δύο κυκλώματα υγρού, το κύκλωμα του νερού και του υδραυλικού κυκλώματος. Το κύκλωμα του νερού αποτελείται από τα φίλτρα στην είσοδο του νερού, την αντλία προώθησης, τον ενισχυτή και τον σταθεροποιητή πίεσης. Ο 30

σταθεροποιητής πίεσης είναι ένα σύστημα ρύθμισης-σταθεροποίησης της πίεσης σε επίπεδα χαμηλότερα της πίεσης εισόδου. Το νερό της βρύσης φιλτράρεται με την είσοδο του στο σύστημα φιλτραρίσματος, στη συνέχεια πάει στην ενισχυτική αντλία (σχήμα 3.5) όπου η πίεση του νερού από τα 6 bar συμπιέζεται έως και 6000 bar. Στη συνέχεια μέσω τον υδραυλικών και πριν φτάσει το νερό στην κοπτική κεφαλή περνάει πρώτα από τον σταθεροποιητή πίεσης. Ο σταθεροποιητής πίεσης εξασφαλίζει ότι το νερό εξέρχεται από την κεφαλή κοπής συνεχώς και με σταθερή πίεση. Χωρίς το σταθεροποιητή το νερό θα είχε μεταβλητή πίεση αφήνοντας σημάδια στο υλικό που κόβεται. Το υδραυλικό κύκλωμα, για τη δημιουργία του νερού υψηλής πίεσης, αποτελείται από έναν ηλεκτροκινητήρα, την υδραυλική αντλία, την δεξαμενή λαδιού, την πολλαπλή και το έμβολο. Ένα ηλεκτρικό μοτέρ κινεί την υδραυλική αντλία, που τραβά το λάδι από τη δεξαμενή και το συμπιέζει στα 200 bar. Το υπό πίεση λάδι διοχετεύεται στην πολλαπλή διανομής όπου οι βαλβίδες του συλλέκτη αποστέλλουν το υπό πίεση υδραυλικό λάδι στη μία ή στην άλλη πλευρά του εμβόλου (σχήμα 3.5 α φάση). Το εισερχόμενο λάδι πιέζει το έμβολο (σχήμα 3.5 β φάση) της εμβολοφόρου παλινδρομικής αντλίας, με πίεση 200bar, στην απέναντι πλευρά. Το προωθούμενο έμβολο συμπίεσης του νερού (σχήμα 3.5 γ φάση) ανεβάζει την πίεση του νερού στα 4000bar (σχήμα 3.5 δ φάση). Ο ενισχυτής είναι μία παλινδρομική αντλία που το έμβολο παλινδρομεί δεξιά - αριστερά, παρέχοντας υψηλή πίεσης νερό από τη μία πλευρά σε κάθε παλινδρόμηση του εμβόλου. Κατά την διάρκεια της συμπίεσης του νερού από τη μία πλευρά, χαμηλής πίεσης νερό γεμίζει την άλλη πλευρά του ενισχυτή (σχήμα 3.5 στ φάση). Το υδραυλικό λάδι, της πλευρά που συμπίεσε το νερό, εξέρχεται από τον θάλαμο με το άνοιγμα της κατάλληλης βαλβίδας και στη συνέχεια ψύχεται κατά την διάρκεια της επιστροφής του στην δεξαμενή συγκέντρωσης ώστε να συμμετέχει στον επόμενο κύκλο λειτουργίας του ενισχυτή. Σχήμα 3.5 O Kύκλος του Nερού στην αντλία ενίσχυσης Στην παραπάνω εν συντομία περιγραφή του κυκλώματος του νερού παρατηρούμε ότι Πίεση=Δύναμη/Παροχή, δηλαδή η πίεση που δημιουργείται στο νερό είναι αντιστρόφως ανάλογη με την παροχή του λαδιού. Εάν δύναμη=20, παροχή=20 τότε η πίεση είναι 1, δηλαδή άν κρατήσουμε σταθερή τη δύναμη που ασκεί το έμβολο και μειώσουμε την παροχή του λαδιού τότε η πίεση του νερού θα ανέβει. Για παράδειγμα αν μειώσουμε την παροχή απο 20 σε 1 τότε η πίεση 31

ανεβαίνει απο 2 σε 20. Επομένως η αναλογία ενδυνάμωσης που προσφέρει η πίεση του λαδιού στην πίεση του νερού είναι 20:1. Οι μονάδες υδροκοπής ειναι σχεδιασμένες για να έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, ενώ επίσης έχουν σχεδιαστεί για να αποτυγχάνουν με ασφαλές τρόπο. Τα συστήματα υδροκοπής αποτυγχάνουν σταδιακά και όχι στιγμιαία, καθώς οι συνδέσεις και τα σφραγισμένα μέρη αρχίζουν σιγά-σιγά να διαρρέουν μέσω από ειδικά σχεδιασμένες τρύπες. Ο χειριστής ή ο υπεύθυνος συντήρησης μπορεί να κάνει έναν περιοδικό έλεγχο κάθε μια με δύο εβδομάδες ενώ υπάρχουν και αισθητήρες τερματισμού στην μονάδα άντλησης για την προστασία από την φθορά της αντλίας. Η αντιμετώπιση προβλημάτων ενός ενισχυτή είναι αρκετά απλή, καθώς η διαρροή ζεστού νερού δηλώνει διαρροή υψηλής πίεσης ενώ κρύο νερό υποδεικνύει χαμηλής πίεσης. Μόλις η αντλία υψηλής πίεσης έχει δημιουργήσει την πίεση του νερού, υψηλής πίεσης υδρυλικά μεταφέρουν το νερό στην κοπτική κεφαλή. Εκτός από την μεταφορά του νερού υψηλής πίεσης τα υδραυλικά παρέχουν ελεύθερη κυκλοφορία στην κοπτική κεφαλή. Ο πιό κοινός τύπος της υψηλής πίεσης υδραυλικών είναι ειδική σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα. Η σωλήνωση έχει διάφορα μεγέθη για διαφορετικούς σκοπούς. 1/4 ιντσας χάλυβα σωλήνα : επειδή είναι εύκαμπτη αυτή η σωλήνωση χρησιμοποιείται χαρακτηριστηκά στο εξοπλισμό κινήσεων. Δεν χρησιμοποιείται για να μεταφέρει υψηλής πίεσης νερό σε μεγάλες αποστάσεις ( για παράδειγμα απο την αντλία στη βάση του εξοπλισμού κινησης). Σε μεγάλα μήκη από 10m-20m χρησιμοποιούνται για την κίνηση στους άξονες x y z και ονομάζεται υψηλής πίεσης μαστίγιο, που μπορεί να καμθεί λόγω της ελικοειδούς μορφής του. 3/8 ίντσας χάλυβα σωλήνα : τυπικά αυτή η σωλήνωση χρησιμοποιείτε για να παραδώσει το νερό από την αντλία στη βάση του εξοπλισμού κίνησης, ενώ μπορεί κα να καμθεί. 9/16 ίντσας χάλυβα σωλήνα : αυτή η σωλήνωση χρησιμοποιείται στη μεταφορά νερού υψηλής πίεσης σε μεγάλες αποστάσεις. Σε πολύ μεγάλες αντλίες η σωλήνωση αυτή είναι ιδιαίτερα ευεργετική καθώς η μεγάλη εσωτερική διάμετρος μειώνει την απώλεια πίεσης. Αυτή η σωλήνωση δεν κάμπτεται. Σχήμα 3.6 Εξαρτήματα συναρμολόγησης Σχήμα 3.7 Στροφέας Εκτός απο τη σωλήνωση για την μεταφορά του νερού απαιτούνται κι άλλα εξαρτήματα συναρμολόγησης (Σχήμα 3.6) όπως τα Τ(ταφ ), οι ευθείς σύνδεσμοι, οι γωνίες, οι αποκλισμένες 32

βαλβίδες και οι συνδέσεις με ελευθερία κίνησης στην περιστροφή που ονομάζονται στροφείς(σχήμα 3.7), που έχουν διαφορετική μορφή για κάθε τύπο μετακίνησης. Οι στροφείς είναι τα πάσης φύσεως ρακόρ τα οποία όμως για τις υψηλές πιέσεις της υδροκοπής έχουν ιδιαίτερη διαμόρφωση. 3.3 Καθαρή Υδροκοπή Καθαρή υδροκοπή είναι η αρχική μέθοδος κοπής με νερό. Η μεγαλύτερη χρήση της έγινε για την κοπή των προϊόντων χαρτιού, σφράγιση υλικά, πλαστικά, αφροί, υφάσματα, χαλιά, τύρφη, τρόφιμα, τα εσωτερικά μέρη του αυτοκινήτου κ.α. γιατί δημιουργεί την λιγότερη υγρασία στο υλικό, το κόψιμό είναι εξαιρετικά ακριβής και επιτρέπει την κοπή των λεπτών περιγραμμάτων καθως και οξείες γωνίες. Σχήμα 3.8 Καθαρή υδροκοπή (μοντέλο Cobra5120) Τα χαρακτηριστηκά της καθαρής υδροκοπής είναι : Η λεπτή ακτίνα κοπής (0,004 εως 0.010 της ίντας διάμετρο) Εξαιρετικά λεπτομερείς γεωμετρία Πολύ μικρή απώλεια υλικού κατά την κοπή Κοπή χωρίς θερμότητα Μεγάλη διάμετρο κοπής στο κατεργαζόμενο υλικό Μικρή διάμετρο κοπής στο κατεργαζόμενο υλικό 33

Συνήθως κόβει πολύ γρήγορα Κοπή σε ελαφριά και μαλακά υλικά Εξαιρετικά χαμηλές δυνάμεις κοπής Απλή στερέωση 24ωρη λειτουργία Στην υδροκοπή η διαδικασία αφαίρεσης υλικού μπορεί να περιγραφεί ως μια υπερηχητική διαδικασία διάβρωσης. Η πίεση και η ταχύτητα είναι δύο ευδιάκριτες μορφές ενέργειας, όπου η πίεση του νερού της αντλίας μετατρέπεται σε υψηλή ταχύτητα του νερού μέσω του ακροφύσιου που υπάρχει στο τέλος των σωληνώσεων των υδραυλικών εγκαταστάσεων. Το ακροφύσιο έχει μια μικρή τρύπα που το πεπιεσμένο νερό περνά μέσα από αυτό το μικρό άνοιγμα μετατρέποντας την δυναμική ενέργεια (πίεση) του νερού σε κινητική (ταχύτητα). Από νερό με πίεση περίπου 2760 bar προκύπτει ταχύτητα νερού 2 Mach ενώ με πίεση 4130 bar προκύπτει ταχύτητα πάνω απο 3 Mach. Τα ακρο του ακροφυσίου (Σχήμα 3.9) κατακευάζεται από τρεις τύπους υλικών (ζαφείρι, ρουμπίνι και διαμάντι) που το καθένα έχει τις μοναδικές ιδιότητές του, σχήμα 3.10. Το ζαφείρι είναι το πιό κοινό υλικό, δημιουργεί στο νερό ρεύμα αρκετάς καλής ποιότητας και σε συνδιασμό με την καλή ποιότητα νερού έχει διάρκεια ζωής 50-100 ώρες. Επίσης η διάρκεια ζωής του ζαφειριού στην λειαντική υδροκοπή είναι η μισή από αυτη της καθαρής υδροκοπής. Το ρουμπίνι ταιριάζει περισσότερο στην λειαντική υδροκοπή και το κόστος του είναι σχεδόν ίδιο με το ζαφείρι ενώ η διάρκει ζωής του είναι 80-150 ώρες. Το διαμάντι έχει τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής (800-2.000 ώρες) αλλά είναι 10 με 20 φορές πιό ακριβό. Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε 24ωρες διεργασίες ενώ σε αντίθεση με τους άλλους τύπους ακροφύσιων, μπορεί μερικές φορές να καθαριστεί υπερηχητικά και να επαναχρησιμοποιηθεί. [4] Σχήμα 3.9 Ακροφύσιο υδροκοπής Σχήμα 3.10 Toμή του Ακροφύσιου 34

3.4 Yδροκοπή με χρήση Λειαντικού Υγρού Η διαφορά της υδροκοπής με χρήση λειαντικού υγρού από την καθαρή υδροκοπή δεν είναι μεγάλη και επικεντρώνεται στην επιπρόσθετη χρήση λειαντικού υγρού. Τα μόρια του λειαντικού υγρού σε συνδιασμό με το νερό υψηλής πίεσης, έχουν τη δυνατότητα να κόβουν ισχυρότερα υλικά όπως μέταλλα, πέτρες, κεραμικά, αλουμίνιο και σύνθετα υλικά. [4] Σχήμα 3.11 Κοπή σε τιτάνιο Σχήμα 3.12 Κοπή σε πέτρα Σχήμα 3.13 Κοπή σε γραφίτη Σχήμα 3.14 Κοπή αλουμινίου Τα χαρακτηριστηκά της λειαντικής υδροκοπής είναι : Εξαιρετικά ευέλικτη διαδικασία Κοπή χωρίς θερμότητα Κοπή χωρίς μηχανικές καταπονήσεις Εύκολος προγραμματισμός Λεπτό πάχος κοπής (0,5mm - 1.3mm διάμετρο) Εξαιρετικά λεπτομερείς γεωμετρία Μεγάλη διάμετρο κοπής στο κατεργαζόμενο υλικό (εώς και 250mm) Μικρή απώλεια υλικού κατά την κοπή Απλή στερέωση 35

Χαμηλές δυνάμεις κοπής ( κάτω απο τα 32N) Μικρές αλλαγές ρυθμίσεων Εύκολη ενεργοποίηση χρήσης πολλαπλών κεφαλών κοπής Εύκολη εναλλαγή απο καθαρή σε λειαντική υδροκοπή Μειωμένες δευτεροβάθμιες διαδικασίες Ελάχιστη εώς και καθόλου εμφάνιση γρεζιού Στη λειαντική υδροκοπή η κοπή ξεκινάει με καθαρή υδροκοπή στην συνέχεια μέσα στο ακροφύσιο προστίθεται το αποξεστικό-λειαντικό υγρό και ενώνετε με το νερό στον σωλήνα ανάμιξης λίγο πριν το στόμιο εκτόξευσης (Σχήμα 3.15). Στο τέλος του σωλήνα ανάμιξης υπάρχει το στόμιο εκτόξευσης που βρίσκονται τα ευγενή υλικά ζαφείτι,ρουμπίνι ή διαμάντι (σχήμα 3.10). Το λειαντικό που χρησιμοποιείται είναι σκληρή άμμος που είναι ειδικά επικαλυμμένη και σε συγκεκριμένα μεγέθη. Το πιο κοινό λειαντικό είναι ο γρανήτης που είναι σκληρό και ανέξοδο υλικό. Διαφορετικά μεγέθη γρανίτη χρησιμοποιούνται για κάθε διεργασία για παράδειγμα 0,125 mm παράγουν ομαλή επιφάνεια, 0,177 mm είναι η πιό κοινή χρήση και τα 0,297 mm κόβουν λίγο γρηγορότερα απο τα 0,177 mm με ελαφρώς τραχύτερη επιφάνεια. Ο σωλήνας ανάμιξης (σχήμα 3.15) επιτανχύνει τα λειαντικά μόρια όπως ο σωλήνας του όπλου, ενώ το μεγεθός τους σχετίζεται με το μέγεθος του στομίου. Οι σωλήνες έχουν μάκρος περίπου 8 cm, εξωτερική διάμετρο ¼ της ίντσας και η εσωτερική διάμετρος κυμαίνεται απο 0,020-0,060 ίντσες. Σημαντική τεχνολογική πρόοδο στην υδροκοπή ήταν η εφεύρεση σωληνών ανάμιξης με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από συνθετικό καρβίδιο του βολφραμίου. Εάν η κοπτική κεφαλή έρχεται σε επαφή με σφιγκτήρες, βάρη ή το προς κοπή υλικό κινδυνεύει να σπάσει και δεν επισκευάζεται, γι αυτό οι προηγμένες εργαλειομηχανές έχουν ηλεκτρονικά συστήματα για την ανίχνευση της σύγκρουσης. Η απόστασή μεταξύ του σωλήνα αναμίξης και του προς κοπή υλικού πρέπει να είναι από 0,025cm - 0,50cm. Σχήμα 3.15 Σωλήνας ανάμιξης και στόμιο εκτόξευσης σε τομή 36

Στον πίνακα 3.Α φαίνεται το υλικό κατασκευής των σωλήνων ανάμιξης και η διάρκεια ζωής τους. Η διάκεια ζωής των σωλήνων ανάμιξης όπως φαίνεται στον πίνακα είναι κατά πολύ μικρότερη από τα ζαφείρι, ρουμπίνι και διαμάντι. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.Α Υλικά κατασκευης σωλήνων αναμιξης. Σωλήνας ανάμιξης Διάρκεια ζωής Σχόλια Κλασσικό καρβίδιο του βολφραμίου Συνθετικό καρβίδιο χαμηλού κόστους 4-6 ώρες 35-60 ώρες Οι αρχικές σωλήνες αναμίξης. Πλέον δεν χρησιμοποιούνται λόγω κακής απόδοση και κόστους ανά ώρα χρήσεις. Ιδανικό για κοπή τραχιάς μορφής. Συνθετικό καρβίδιο μέσης διάρκειας ζωής 80-90 ώρες Καλός σωλήνας ανάμιξης. Συνθετικό καρβίδιο ανώτερης ποιότητας 100-150 ώρες Ο καλύτερος σωλήνας ανάμιξης, ιδανικός για εργασίες ακριβίας και για καθημερινή χρήση. 3.5 Κατασκευαστική δομή μιας εργαλειομηχανής υδροκοπής Στην υδροκοπή υπάρχουν πολλές διαφορετικές εργαλειομηχανές που διαχωρίζονται ανάλογα με τον εξοπλισμό κινήσεως. Η βασική δομή μιας εργαλειομηχανής υδροκοπής φαίνεται στο σχήμα 3.16. Τα βασικά στοιχεία που συνθέτουν μια εργαλειομηχανή υδροκοπής είναι: Μία αντλία υψηλής πίεσης που δέχεται νερό στην πίεση του δικτύου και την καταθλίβει σε μεγάλη πίεση. Ένα δοχείο με λειαντικούς κόκους για την τροφοδοσία τους στην κεφαλή κοπής. Μία κεφαλή με ακροφύσιο με μικρή οπή. Ένα τραπέζι όπου δένεται το προς κοπή υλικό και «εξουδετερώνει» την ενέργεια της δέσμης μετά την κοπή. Το τραπέζι έχει να κάνει διπλή δουλειά. Από τη μία να συγκρατήσει το κομμάτι (δεν ασκούνται μεγάλες δυνάμεις όπως στις συμβατικές κοπές, άρα δεν απαιτείται βαρύς εξοπλισμός συγκράτησης) και από την άλλη να διασκορπήσει την υψηλή κινητική ενέργεια της δέσμης επαναφέροντας το νερό στην αρχική χαμηλή πίεση. Αυτή είναι η βασική δουλειά του τραπεζιού. Εκτός αυτής όμως ένα λειτουργικό τραπέζι πρέπει : Να εξουδετερώνει όσο γίνεται το δημιουργούμενο θόρυβο. Να διαθέτει πρόβλεψη αυτοκαθαρισμού για να μην διακόπτεται η παραγωγική διαδικασία για την απομάκρυνση των αποβλήτων της κοπής. 37

Να διευκολύνει τη συγκέντρωση και την απόρριψη των αποβλήτων, και Να αντέχει στο ιδιαίτερα διαβρωτικό περοβάλλον λόγω της συνεχούς παρουσίας νερού, αλλά και της έμμεσης προσβολής από την ίδια τη δέμση κοπής. Σχήμα 3.16 Εργαλειομηχανή υδροκοπής 3.5.1 Σταθερές Εργαλειομηχανές με κίνηση σε μια Διάσταση Είναι η απλούστερη εργαλειομηχανή στην σταθερή υδροκοπή, σχήμα 3.17. Μοιάζει σαν μια πριονοκορδέλα και ο χειρηστής της είναι υπεύθυνος για την συνεχή τροφοδοσία της. Συχνά χρησιμοποιείται στην αεροδιαστημική βιομηχανία και είναι εξοπλισμένες για καθαρή και λειαντική υδροκοπή.μια αλλη έκδοση είναι οι σταθερές μηχανές χάραξης, όπου το προϊόν (π.χ. χαρτί) τροφοδοτήται στην μηχανή και το χαράζει στα πλάτη που της έχουν οριστεί. Σχήμα 3.17 Υδροκοπή Μονής Κατεύθυνσης 38

3.5.2 Εργαλειομηχανές με κίνηση σε δύο διαστάσεις (x y) Οι μηχανές αυτές είναι από της πιό κοινές και συχνά τις αποκαλούνε «flatstock». Χρησιμοποιούν την καθαρή υδροκοπή για να κόψουν φλάτζες, καουτσούκ, πλαστικές ύλες και αφρώδη υλικά. Ενώ στη λειαντική υδροκοπή κόβει μέταλλα, σύνθετα υλικά, πέτρα, γυαλί και κεραμικά. Τα βασικά στοιχεία μιας μηχανής (x,y) είναι: Οι κινήσεις της ελέγχονται με CNC Κινητήρας κλειστού βρόγχου με ανάδραση ώστε να εξασφαλίζεται η ακρίβεια της θέσης και της ταχύτητας κατά την κίνηση Μονάδα βάσης και γέφυρας μηχανής με γραμμικό τρόπο και ρουλεμάν μπλοκαρίσματος Δεξαμενή catcher με την υλική υποστήριξη για τη φόρτωση βαριών υλικών και την σωστή στερέωσή τους Πολλές διαφορετικές μορφές μηχανών είναι διαθέσιμες, εντούτοις δύο μορφές κυριαρχούν στη βιομηχανία οι mid-rail gantry σχήμα 3.18 που έχουν δύο οδηγούς κίνησης στη βάση πάνω στους οποίου πατά και κινείται μία γέφυρα και οι cantilever σχήμα 3.19 που έχουν ένα οδηγό στη βάση για την κίνηση μίας άκαμπτης γέφυρας. Επίσης όλοι οι τύποι μηχανών έχουν ρύθμιση για το ύψος της κεφαλής( άξονας Ζ). Η προσαρμοστικότητα του άξονα Ζ μπορεί να είναι χειροκίνητη αλλά και ηλεκτρονικά προγραμματιζόμενη. Σχήμα 3.18 Oι εργαλειομηχανές mid-rail gantry έχουν δύο ράγες στη βάση και μία γέφυρα 39

Σχήμα 3.19 Oι εργαλειομηχανές cantilever έχουν μία βάση και μία άκαμπτη γέφυρα ΠΙΝΑΚΑΣ 3.Β Ανάλυση στα χαρακτηριστικά μιας εργαλειομηχανής υδροκοπής Διαστάσεις Μηχανής Είναι το μήκος διαδρομής του κάθε άξονα. Τα πιο συνηθισμένα μεγέθη για την επίπεδη υδροκοπή είναι 2m*3m*0,3m. Η δεξαμενή catcher είναι λίγο μεγαλύτερη βοηθώντας στη φόρτωση βαριών υλικών και στην σωστή στερέωσή τους. Γραμμική Θέσης Ακρίβεια Μετρά πόσο ακριβώς η μηχανή μπορεί να κινηθεί. Ο χρόνος ενός άξονα μετράται όταν μετατοπίζετε από το ένα σημείο στο άλλο. Επαναληψιμότητα Μηχανής της Η δυνατότητα της μηχανής να επιστρέψει σε ένα σημείο. Γρήγορη Μετατόπισης Ταχύτητα Ταχύτητα μετατόπισης είναι η ταχύτητα που μπορεί να κινηθεί η μηχανή χωρίς να κόβει υλικό. Για παράδειγμα η μετακίνηση κατά το άνοιγμα οπών. Καμπύλη Ταχύτητας Η ταχύτητα που η μηχανή μπορεί να κινηθεί, διατηρώντας παράλληλα όλες τις προδιαγραφές ορθότητας (δηλαδή, την ακρίβεια, την επαναληψιμότητα, την ταχύτητα). Είναι από τις πιο κρίσιμες προδιαγραφές μιας μηχανής καθώς σχετίζεται με τους χρόνους του κύκλου παραγωγής. 40

3.5.3 Εργαλειομηχανές με κίνηση σε 5 Αξόνες για Τρισδιάστατη Κοπή (3D) Οι εργαλειομηχανές με κίνηση σε 5 άξονες (σχήμα 3.20) είναι ότι πιο σύγχρονο έχει να παρουσιάσει η τεχνολογία κοπής με νερό. Η ονομασία των 5 αξόνων οφείλεται στον άξονα-x με κίνηση μπρόςπίσω, στον άξονα-y με κίνηση αριστερά-δεξιά, στον άξονα-z με κίνηση πάνω-κάτω, στον άξονα-a με κίνηση υπό γωνία( από 55-90 μοίρες) στον κάθετο άξονα-z και τον άξονα-c με περιστροφική κίνηση γύρω από τον άξονα-z. Η λειτουργία των εργαλειομηχανών με 5-άξονες δίνει την δυνατότητα για την κατεργασία κώνικων σχημάτων όπως στο σχήμα 3.21, ενώ διατηρεί και τα χαρακτηριστικά για την κοπή υλικών όπως καουτσούκ, πλαστικών, μετάλλων, πέτρας, γυαλικών και κεραμικών. Σχήμα 3.20 Tρισδιάστατη εργαλειομηχανή της H.G.Rider Automatisierungs με 32 μέτρα άξονα-x και 5 μέτρα άξονα-y Σχήμα 3.21 Τρισδιάστατη υδροκοπή σε μικρότερα δοκίμια 41

3.6 Τα Πλεονεκτήματα και τα Μειονεκτήματα της Υδροκοπής Τα πλεονεκτήματα της υδροκοπής είναι : Ευελιξία στη παραγωγή Ακρίβεια κοπής Μικρό πλάτος κοπής Χωρίς επιφανειακή σκλήρυνση Χωρίς θερμική καταπόνηση Χωρίς καπνούς, αναθυμιάσεις και σκόνες Φιλική στο περιβάλλον Το λειαντικό υγρό, ο γραφίτης είναι μη τοξική φυσική ουσία και ανακυκλώσιμη Τα μειονεκτήματα της υδροκοπής είναι : Μικρή ταχύτητα κοπής σε σχέση με τις υπόλοιπες μεθόδους, άρα και μεγαλύτερο κόστος λειτουργίας Κακή ποιότητα κοπής για τα χοντρά μέταλλα γιατί δημιουργείται κώνικη διάτρηση με αποτέλεσμα να προκαλεί λανθασμένες διαστάσεις Η χρησιμοποίηση νερού με υψηλή περιεκτικότητα σε άλατα προκαλεί σκουριά και αναγκάζει τον χρήστη να επενδύση στο φιλτράρισμα και τον απιονισμό του νερού. [5] 42

43

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο 4. Μέθοδος Κοπής με Ηλεκτροδιάβρωση-EDM (Electrical Discharge Machining) 4.1 Ιστορικά Η ιστορία της EDM ξεκινάει περίπου στο 1770, όταν παρατηρήθηκε από τον Άγγλο Joseph Priestly ότι κάθε φορά που πλησιάζουν μεταξύ τους τα άκρα δύο αγωγών συνδεδεμένων με τους πόλους ηλεκτρικής πηγής, προκαλείται ηλεκτρική εκκένωση, και από τον παραγόμενο σπινθήρα, την υψηλή θερμοκρασία και τη δράση ηλεκτρικών μοριακών δυνάμεων αποσπάται ποσότητα υλικού και από τους δύο αγωγούς. Παρ' όλα αυτά δεν υπήρξε καμία εφαρμογή της ηλεκτροδιάβρωσης μέχρι το 1943, όταν δύο Σοβιετικοί επιστήμονες, οι B.R. και N.I. Lazarenco κατάφεραν να εκμεταλλευτούν το φαινόμενο για την κατεργασία υλικών. Αρχικά η μέθοδος παρουσίαζε αρκετά προβλήματα και δυσκολίες, καθώς οι πρώτες μηχανές ήταν απλοϊκές και η κίνηση του ηλεκτροδίου γινόταν χειροκίνητα, συνεπώς λίγοι πίστευαν στις δυνατότητές της ηλεκτροδιάβρωσης ως κατεργασίας. Όμως με την ανάπτυξη από τους ίδιους επιστήμονες του πρώτου σερβομηχανισμού για EDM, αυξήθηκε τόσο ο βαθμός ελέγχου της κατεργασίας, όσο και η πίστη σε αυτήν. Με το πέρασμα των χρόνων, οι μηχανές βελτιώθηκαν πολύ, εξελισσόμενες από παροχή ισχύος RC (resistor capacitance) και λυχνίες, σε τρανζίστορ με δυνατότητα παλμών της τάξης του nanosecond, ενώ από το αρχικά χειροκίνητο ηλεκτρόδιο περάσαμε σε μοντέρνες CNC μηχανές με δυνατότητα ταυτόχρονης κατεργασίας έως και έξι αξόνων. Φτάνουμε έτσι στο σήμερα, όπου η κατεργασία της ηλεκτροδιάβρωσης έχει φέρει την επανάσταση σε αρκετούς τομείς της βιομηχανίας, ενώ σε πολλές περιπτώσεις έχει αντικαταστήσει κατεργασίες που δέσποζαν για πολλά χρόνια. 4.2 Αρχή Λειτουργίας Η ηλεκτροδιάβρωση είναι κατεργασία κατά την οποία γίνεται αφαίρεση υλικού από κάποιο ηλεκτρικά αγώγιμο κατεργαζόμενο τεμάχιο με τη χρήση ηλεκτρισμού. Η έννοια ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό όμως πρέπει να διευκρινιστεί. Με την ηλεκτροδιάβρωση μπορούμε να κατεργαστούμε και κάποια υλικά που δεν είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού, αλλά υπάγονται στους ημιαγωγούς. Σύμφωνα με τους Koenig, Dauw, Levy & Panten, υπάρχει μια τιμή της ειδικής αντίστασης ρ (ohm*m) του υλικού, κάτω από την οποία η ηλεκτροδιάβρωση είναι εφικτή. Αυτό το όριο μπορούμε να το ονομάσουμε και κατώφλι αγωγιμότητας, και η τιμή του είναι ρ=100 ohm*cm (ειδική αγωγιμότητα 0,01S/cm). Ορθότερα, υπάρχει μια περιοχή τιμών της ειδικής αντίστασης ρ των υλικών, με κέντρο την τιμή 100 ohm*cm, στην οποία μόλις εμφανίζεται σπινθήρας. Είναι δηλαδή πιθανό κάποιο υλικό με λίγο μεγαλύτερη ειδική αντίσταση από 100 ohm*cm να ηλεκτροδιαβρώνεται, ενώ ένα υλικό με μικρότερη ειδική αντίσταση να μην ηλεκτροδιαβρώνεται. Εννοείται ότι τα περισσότερο αγώγιμα υλικά εμφανίζουν τα λιγότερα προβλήματα ηλεκτροδιάβρωσης. Η κατεργασία επιτυγχάνεται με την εφαρμογή στο κατεργαζόμενο τεμάχιο παλμών συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος, υψηλής συχνότητας, μέσω ενός ηλεκτροδίου ή σύρματος. Το ηλεκτρόδιο-εργαλείο (σχήμα4.1-κεφαλή του εργαλείου), τοποθετούμενο με υψηλή ακρίβεια πολύ κοντά στο κατεργαζόμενο τεμάχιο, χωρίς όμως να έρχεται σε επαφή μαζί του, αποφορτίζει το δυναμικό του στο τεμάχιο (που συνήθως είναι το θετικό ηλεκτρόδιο), διαμέσου ενός μονωτικού διηλεκτρικού υγρού (ως διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται συνήθως έλαια βασισμένα σε παραφινικές, ναφθενικές και αρωματικές ενώσεις), στο οποίο είναι εμβαπτισμένα και το ηλεκτρόδιο και το τεμάχιο. Κατά την εκκένωση δημιουργούνται σπινθήρες στο πολύ μικρό διάκενο (σταθερό, από 25 έως 50 μm) μεταξύ των δύο επιφανειών. Η θερμοκρασία του σπινθήρα που 44

παράγεται βρίσκεται συνήθως μέσα σε ένα εύρος από 8000 έως 12000 C, με αποτέλεσμα μετά από κάθε εκκένωση να έχουμε επιφανειακή τήξη ή και εξάχνωση των υλικών, από την παραγόμενη κατά τη διάσπαση του διάκενου θερμική ενέργεια και αφαίρεση υλικού και στα δύο ηλεκτρόδια. Όπως αναφέρθηκε τόσο το κομμάτι όσο και το χρησιμοποιούμενο εργαλείο πρέπει να είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού. Το εργαλείο, συνήθως είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο του συστήματος. Δεδομένου ότι η ροή του ηλεκτρισμού γίνεται από τον θετικό πόλο προς τον αρνητικό η σύνδεση του αρνητικού πόλου στο κοπτικό εργαλείο, προκαλεί αποκόλληση ιόντων από τον θετικό πόλο που είναι το προς κατεργασία κομμάτι και έτσι προκαλείται αφαίρεση υλικού και τελικά η διαμόρφωση του αντικείμενου. Για την υλοποίηση της διαδικασίας αφαίρεσης υλικού πρέπει το εργαλείο να μπορεί να κινείται για να πλησιάζει συνεχώς και να κρατά σταθερή μια μικρή απόσταση, το διάκενο κατεργασίας, από την επιφάνεια του κομματιού, από την οποία και αφαιρείται υλικό. [6] Στο σχήμα 4.1 διακρίνονται κάποιες απλές δυνατότητές της ως κατεργασίας. Με τον γενικό όρο ηλεκτροδιάβρωση αναφερόμαστε σε δύο διαφορετικές τεχνικές: Την ηλεκτροδιάβρωση αποτύπωσης, όπου με σταθερό εργαλείο γίνεται η πρόσδοση της μορφής του εργαλείου-ηλεκτρόδιου στο κατεργαζόμενο τεμάχιο-ηλεκτρόδιο (σχήμα4.2 a και c). Την ηλεκτροδιάβρωση σύρματος (wire EDM), όπου το σταθερό ηλεκτρόδιο έχει αντικατασταθεί με μεταλλικό αγώγιμο σύρμα (σχήμα4.2 b και d). Σχήμα 4.1 Κατεργασίες αποβολής υλικού με ηλεκτροδιάβρωση a) Κοπή, b) Διάτρηση, c) Λείανση, d) Απότμηση Ws: κατεργαζόμενο τεμάχιο, Wz: εργαλείο, πρόωση 45

4.3 Τεχνολογίες Ηλεκτροδιάβρωσης Στην ηλεκτροδιάβρωση, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, γίνεται αφαίρεση υλικού από κάποιο κατεργαζόμενο αγώγιμο τεμάχιο με τη βοήθεια ελεγχόμενων ηλεκτρικών εκκενώσεων. Η τυπική διάταξη της ηλεκτροδιάβρωσης δίνεται στο σχήμα 4.2 και όπως διακρίνουμε αποτελείται από τα ακόλουθα βασικά μέρη: 1) Την εργαλειομηχανή 2) Τη γεννήτρια τροφοδότησης ρεύματος 3) Το σύστημα παροχής διηλεκτρικού Σχήμα 4.2 Αρχή Λειτουργίας της Ηλεκτροδιάβρωσης 4.3.1 Ηλεκτροδιάβρωση Σύρματος (wire EDM) Στην ηλεκτροδιάβρωση σύρματος, για την επίτευξη της επιθυμητής γεωμετρίας στο κατεργαζόμενο τεμάχιο, χρησιμοποιείται ως ηλεκτρόδιο-εργαλείο ειδικό λεπτό (διαμέτρου 0,025 0,3 mm) αγώγιμο σύρμα από χαλκό ή ορείχαλκο και για διαμέτρους μικρότερες από 0,15 mm μολυβδαίνιο, και όχι εργαλεία-ηλεκτρόδια ειδικά κατεργασμένα σε μορφή και μέγεθος. Οι συνήθεις εργαλειομηχανές ηλεκτροδιάβρωσης σύρματος κατεργάζονται κομμάτια μορφής πλάκας, για περιμετρική κοπή ή για την διάνοιξη οπών με ορισμένο απλό ή πολύπλοκο σχήμα. Η κατεργασία είναι ελεγχόμενη από Η/Υ, και η κίνηση του σύρματος καθορίζεται από σύστημα ΝC ή CΝC. Το σύρμα, με τη βοήθεια ειδικής κατάλληλης διατάξεως εκτυλίξεως, τανύσεως και περιελίξεως (σχήμα 4.3) διαπερνάει κάθετα, κατά τον άξονα Ζ, την κατεργαζόμενη μεταλλική πλάκα- κομμάτι συνεχώς με σταθερή ταχύτητα και φορά τέτοια, που εξασφαλίζει στο διάκενο κατεργασίας άφθαρτο πάντοτε εργαλείο. Το τραπέζι της εργαλειομηχανής, πάνω στο οποίο είναι προσδεδεμένο το κομμάτι-πλάκα, κινείται ταυτόχρονα με το σύρμα κατά τους άξονες κατεργασίας Χ και Υ του τραπεζιού, ενώ καθ' όλη τη διάρκεια της κατεργασίας το κατεργαζόμενο τεμάχιο και το σύρμα βρίσκονται συνεχώς εμβαπτισμένα μέσα σε κατάλληλο δοχείο μη-αγώγιμου υγρού διηλεκτρικού. Οι ταυτόχρονες κινήσεις που περιγράφηκαν παραπάνω, και οι οποίες γίνονται βάσει του προγράμματος κατεργασίας CNC, είναι αυτές που προκαλούν την κοπή ή την αποκοπή του επιθυμητού επιπέδου σχήματος. Σε ορισμένους τύπους εργαλειομηχανών, η σχετική κίνηση μπορεί να γίνει και 46

αντίθετα, δηλαδή το κομμάτι να παραμένει σταθερό και το κατακόρυφο σύρμα να κινείται κατά τους άξονες Χ και Υ. Επίσης είναι σύνηθες πολλές εργαλειομηχανές κοπής με σύρμα να διαθέτουν ειδική διάταξη για την διάνοιξη της αρχικής οπής (ελάχιστη διάμετρος 0,8 mm), απ' όπου θα περάσει το σύρμα για να γίνει δυνατή η έναρξη της κατεργασίας. Στις περισσότερες εργαλειομηχανές του είδους, το διηλεκτρικό που χρησιμοποιείται στις φάσεις εκχονδρίσεως είναι καθαρό νερό, συνεχώς ψεκαζόμενο στο διάκενο κατεργασίας, διότι δεν έχουμε ιδιαίτερες απαιτήσεις ακριβείας και θέλουμε να επιτυγχάνονται μεγάλοι ρυθμοί αφαιρέσεως υλικού. Ειδικά διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται μόνο στις φάσεις αποπεράτωσης και γενικά όπου είναι επιθυμητή πολύ καλή ποιότητα της επιφάνειας κοπής, ενώ στη γρήγορη μεταφορά νέου διηλεκτρικού στο διάκενο κατεργασίας και στην ταχεία απομάκρυνση των προϊόντων των εκκενώσεων βοηθά η συνεχής κίνηση του σύρματος. Στο σχήμα 4.3 διακρίνεται η αρχή της μεθόδου της ηλεκτροδιάβρωσης Σύρματος Σχήμα 4.3 Αρχή της μεθόδου της ηλεκτροδιάβρωσης σύρματος Σε αντίθεση με την ηλεκτροδιάβρωση αποτύπωσης, που θα εξετάσουμε παρακάτω, και κατά την οποία το κατεργάσιμο τεμάχιο συνδέεται συνήθως στην κάθοδο, στην ηλεκτροδιάβρωση σύρματος συνδέεται συνήθως στην άνοδο και επιπλέον εφαρμόζονται παλμοί μικρότερης διάρκειας, αλλά πολύ μεγαλύτερης έντασης. Τυπικές μορφές παλμών τάσης και έντασης του ρεύματος δίνονται στο σχήμα 4.4. Τα σύγχρονα συστήματα ηλεκτροδιάβρωσης σύρματος προσφέρουν πρακτικά μηδενική φθορά εργαλείου, άρα και μεγάλη διάρκεια ζωής, με αποτέλεσμα να έχουμε μεγάλη εξοικονόμηση στην κατασκευή τους και μείωση του συνολικού κόστους της κατεργασίας για μαζικότερη παραγωγή. Επίσης εξασφαλίζουν μικρούς χρόνους κατεργασίας (οι ρυθμοί αφαιρέσεως υλικού μπορούν να φτάσουν έως και 8500 mm³/min), μεγάλη διαστασιολογική ακρίβεια (της τάξεως 2 μm) και καλή επιφανειακή ποιότητα (τραχύτητα επιφάνειας ως και 1 μm). Με μικρές τροποποιήσεις το ίδιο βασικό πρόγραμμα CNC μπορεί επίσης να εκτελέσει τόσο την κοπή μήτρας όσο και την κοπή με εκβάθυνση μέσω κίνησης με εμβολισμούς. Τέτοια παραδείγματα εφαρμογής της μεθόδου παρουσιάζονται στο σχήμα 4.5 και στο σχήμα 4.6. Η μείωση του κόστους κατασκευής του καλουπιού στις περιπτώσεις αυτές, φτάνει και το 50% περίπου συγκριτικά με τις συμβατικές μεθόδους. Ο μοναδικός ίσως άμεσος περιορισμός στη χρήση της μεθόδου, έγκειται στο ότι χρησιμοποιείται για την κοπή επιπέδων σχημάτων μέχρι ένα μέγιστο πάχος 100 mm. 47

Σχήμα 4.4 Παλμός τάσης και έντασης του ρεύματος σε ηλεκτροδιάβρωση σύρματος Η ηλεκτροδιάβρωση σύρματος χρησιμοποιήθηκε στις αρχές του 1970 ως εναλλακτική λύση στη μηχανική κοπή σωλήνων, κελυφών, κ.τ.λ.. Σήμερα, με την πρόοδο της τεχνολογίας CNC και τη χρήση επικαλυμμένων συρμάτων (coated wires), η μέθοδος βρίσκει ευρύτατες εφαρμογές στην κατασκευή μητρών, εξαρτημάτων και γενικά τρισδιάστατων γεωμετριών με μικροκοπή ακριβείας (precision micro-machining) στην αεροναυπηγική και σε βιοτεχνολογικά εξαρτήματα. [6] Σχήμα 4.5 Κομμάτια από μήτρες κατεργασμένα σε εργαλειομηχανή ηλεκτροδιάβρωσης με σύρμα 48

Σχήμα 4.6 Λειτουργία εργαλειομηχανής ηλεκτροδιαβρώσεως με σύρμα 4.3.2 Ηλεκτροδιάβρωση Αποτύπωσης (sinker EDM) Στην ηλεκτροδιάβρωση, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, γίνεται αφαίρεση υλικού από κάποιο κατεργαζόμενο αγώγιμο τεμάχιο με τη βοήθεια ελεγχόμενων ηλεκτρικών εκκενώσεων. Η τυπική διάταξη της ηλεκτροδιάβρωσης δίνεται στο σχήμα 4.2 και όπως διακρίνουμε αποτελείται από τα ακόλουθα βασικά μέρη: 1) Την εργαλειομηχανή 2) Τη γεννήτρια τροφοδότησης ρεύματος 3) Το σύστημα παροχής διηλεκτρικού Το εργαλείο, που συνήθως είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο του συστήματος, πρέπει να μπορεί να κινείται για να πλησιάζει συνεχώς και να κρατά σταθερή μια μικρή απόσταση, το διάκενο κατεργασίας, από την επιφάνεια του κομματιού, από την οποία και αφαιρείται υλικό. Για το λόγο αυτό προσαρμόζεται σε ειδική υποδοχή του μηχανισμού προώσεως κατά τον άξονα Ζ της εργαλειομηχανής. Το κομμάτι, που ηλεκτρικά αποτελεί το θετικό ηλεκτρόδιο, προσδένεται πάνω στο τραπέζι της εργαλειομηχανής. Και τα δύο, κομμάτι και εργαλείο, (σχήμα 4.7) είναι εμβαπτισμένα μέσα σε δοχείο γεμάτο με μονωτικό διηλεκτρικό υγρό (παραφινέλαιο, έλαιο μετασχηματιστών, ειδικά ορυκτέλαια) που ανακυκλοφορείται συνεχώς. 49

Σχήμα 4.7 Τυπική διάταξη κατεργασίας ηλεκτροδιάβρωσης με αποτύπωση Η διάταξη ανακυκλοφορίας του διηλεκτρικού υγρού, εκτός από την αντλία περιλαμβάνει φίλτρο καθαρισμού (σχήμα 4.7) και ενδεχομένως, εναλλάκτη θερμότητας διηλεκτρικού, νερού- για την απαγωγή της εκλυόμενης από τις εκκενώσεις, θερμότητας. Κομμάτι και εργαλείο συνδέονται αντίστοιχα σε ειδική ηλεκτρική τροφοδοτική μονάδα (γεννήτρια), που παρέχει την αναγκαία τάση και ισχύ και καθορίζει ηλεκτρονικά την ένταση του ρεύματος, καθώς και τη διάρκεια και τη συχνότητα των εκκενώσεων. Το αυτόματο σύστημα ελέγχου του μηχανισμού προώσεως του εργαλείου, εξασφαλίζει συνεχώς κατά την διάρκεια τη κατεργασίας ένα σταθερό διάκενο 25 έως 50 μm μεταξύ των απέναντι επιφανειών εργαλείου - κομματιού. Η ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων εργαλείο-κομμάτι γίνεται μόνο, όταν η εφαρμοζόμενη από την τροφοδοτική μονάδα τάση είναι ίση προς την τάση διασπάσεως του μεταξύ τους διακένου. Αρχικά δεν υπάρχει ροή ρεύματος ανάμεσα στα ηλεκτρόδια, γιατί στο διάκενο υπάρχει διηλεκτρικό το οποίο είναι μονωτής.ωστόσο, καθώς το διάκενο μειώνεται, μειώνεται και η αντίστασή του, με αποτέλεσμα μετά από ένα συγκεκριμένο διάκενο και κάτω να δημιουργείται ηλεκτρική εκκένωση και να έχουμε ροή ρεύματος, η οποία συντελεί στην ανάπτυξη θερμότητας. Η τάση διασπάσεως του διακένου εξαρτάται τόσο από το σχήμα και την απόσταση στην οποία βρίσκονται μεταξύ τους τα δύο ηλεκτρόδια, όσο και από τις μονωτικές ιδιότητες του χρησιμοποιούμενου διηλεκτρικού υγρού, και είναι της τάξεως των 15 έως 25 Volt. Στην πραγματικότητα μετά από κάθε εκκένωση έχουμε επιφανειακή τήξη (ή ακόμα και εξάχνωση) από την παραγόμενη κατά την διάσπαση του διακένου θερμότητα - και αφαίρεση υλικού και στα δύο ηλεκτρόδια. Στις αντίστοιχες θέσεις των εκκενώσεων δημιουργούνται πολύ μικροί αβαθείς κρατήρες. Στο τέλος κάθε εκκενώσεως, το λιωμένο υλικό σε σφαιροειδή μορφή παρασύρεται από το διηλεκτρικό υγρό που κυκλοφορεί, απομακρύνεται από τον κρατήρα και συγκρατείται μέσα στο φίλτρο (σχήμα 4.7). 50

Όπως αναφέρθηκε, εκτός από το κατεργαζόμενο τεμάχιο, έχουμε αφαίρεση υλικού και από το εργαλείο, γεγονός ανεπιθύμητο, καθώς μειώνει τη διάρκεια ζωής του και συντελεί στην αύξηση του κόστους της κατεργασίας. Το ζήτημα αυτό όμως λύνεται με τη σωστή επιλογή διαφόρων παραμέτρων, όπως είναι το κατάλληλο για την κατεργασία υλικό εργαλείου, η σωστή ρύθμιση της γεννήτριας τροφοδοτήσεως για την διάρκεια, την ένταση και τη συχνότητα των εκκενώσεων, και η πολικότητα των ηλεκτροδίων. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται στην πράξη πολύ σημαντική ασυμμετρία φθοράς, η οποία φτάνει στο επίπεδο 99,5% αφαίρεση υλικού από το ηλεκτρόδιο κομμάτι και μόνο 0,5% αφαίρεση υλικού από το ηλεκτρόδιο εργαλείο. Από τα αναφερθέντα είναι εύκολο να συναχθεί ότι επειδή η διάσπαση του διακένου, δηλαδή η ηλεκτρική εκκένωση, πραγματοποιείται μεταξύ των στοιχειωδών επιφανειών ελάχιστης αποστάσεως εργαλείου - κομματιού, δημιουργείται βαθμιαία, με συνεχή και σταθερή πρόωση, κοιλότητα στο κομμάτι ακριβώς αντίστοιχη της μορφής του εργαλείου. Εκείνο που έχει μεγάλη σημασία είναι ότι, αντίθετα με τις συμβατικές μεθόδους κοπής, δε χρειάζεται στη συγκεκριμένη περίπτωση καμιά απολύτως επιβολή μηχανικής δυνάμεως από το εργαλείο προς το τεμάχιο για την αφαίρεση του υλικού. Έτσι, είναι δυνατό τα εργαλεία/ηλεκτρόδια να κατασκευάζονται από σχετικά μαλακά και ευκολοκατέργαστα υλικά, όπως είναι ο χαλκός, ο ορείχαλκος, ο γραφίτης κ.α. [6] 4.4 Εργαλειομηχανή Ηλεκτροδιάβρωσης Στο σχήμα 4.8 παρουσιάζονται συνοπτικά τα κύρια υποσυστήματα μιας εργαλειομηχανής ηλεκτροδιαβρώσεως. Σχημα 4.8 Τα μέρη της εργαλειομηχανής ηλεκτροδιάβρωσης αποτύπωσης Μια εργαλειομηχανή ηλεκτροδιάβρωσης πρέπει οπωσδήποτε να μπορεί να ελέγχει και να ρυθμίζει το διάκενο της κατεργασίας, ώστε αυτό να παραμένει σταθερό καθ' όλη τη διάρκειά της. Γι' αυτό και είναι εξοπλισμένη με μηχανισμό ακριβείας, για την αυτόματη πρόωση της κεφαλής 51

προσδέσεως του εργαλείου ηλεκτροδίου κατά τον άξονα Ζ. Ο ρόλος του είναι να ελέγχει το διάκενο, έτσι ώστε να γίνεται σωστά η αφαίρεση υλικού από το τεμάχιο και να προστατεύεται το εργαλείο. Επίσης, μέσω του ελέγχου του διακένου, ελέγχεται και η τάση διάσπασής του, και έτσι αποφεύγονται λανθασμένες εκκενώσεις και βραχυκυκλώματα. Πολλές εργαλειομηχανές φέρουν κατάλληλη διάταξη εργαλειοθήκης και μηχανισμό που καθιστά δυνατή την αυτόματη εναλλαγή των εργαλείων ηλεκτροδίων, προκειμένου να γίνονται ευκολότερα οι κατεργασίες που απαιτούν τη χρήση πάνω του ενός εργαλείων, αλλά και να μειώνεται ο χρόνος για την περάτωσή τους. Οι περισσότερες εργαλειομηχανές ηλεκτροδιάβρωσης σήμερα, είναι εξοπλισμένες με μονάδα CNC για τον προγραμματισμό της λειτουργίας τους, καθώς η χρήση τους έχει επεκταθεί σε τομείς που απαιτούν ποσότητα καιμεγάλη ταχύτητα για μαζική παραγωγή, ακρίβεια στις διαστάσεις και χαρακτηριστικά υψηλής ποιότητας από κάθε άποψη. Τέτοιοι είναι ο τομέας της αεροναυπηγικής, όπου η EDM χρησιμοποιείται για την κατεργασία σκληρομετάλλων, για τη διάνοιξη οπών ακριβείας κ.α., και ο τομέας της αυτοκινητοβιομηχανίας, όπου χρησιμοποιείται στην κατεργασία μεγάλων καλουπιών διαμορφώσεως μερών αυτοκινήτων. Στο σχήμα 4.9 παρουσιάζεται μια τυπική CNC εργαλειομηχανή ηλεκτροδιαβρώσεως αποτύπωσης. Σχήμα 4.9 Εργαλειομηχανή ηλεκτροδιαβρώσεως αποτύπωσης CNC 4.4.1 Γεννήτρια Τροφοδότησης Ρεύματος Στην κατεργασία της ηλεκτροδιάβρωσης, κομμάτι και εργαλείο συνδέονται στη γεννήτρια τροφοδότησης, η οποία αποτελεί ειδική ηλεκτρική τροφοδοτική μονάδα που παρέχει την αναγκαία τάση και ισχύ και καθορίζει ηλεκτρονικά την ένταση του ρεύματος, καθώς και τη διάρκεια και τη συχνότητα των εκκενώσεων. Οι γεννήτριες τροφοδότησης χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η παραγωγή των παλμών: 52

Περιστρεφόμενες παλμογεννήτριες, οι οποίες έχουν πολύ περιορισμένη εφαρμογή. Γεννήτριες αποφόρτισης ή αποθήκευσης, με κυκλώματα τροφοδοσίας μέσω πυκνωτών, πηνίων ή συνδυασμών τους. Στατικές παλμογεννήτριες, όπου το σύστημα τροφοδοσίας της τάσης συνδέεται μέσω συστοιχίας διακοπτών με τον αγωγό εκκένωσης. Η διάρκεια και η σειρά των εκκενώσεων εξαρτάται κυρίως από την διαδοχή των φάσεων λειτουργίας των διακοπτών. Ο κύριος παράγοντας καθορισμού της μορφής των παλμών της τάσης και της έντασης του ρεύματος, είναι το διάκενο μεταξύ του εργαλείου και του τεμαχίου. Είναι προφανές ότι κατά τη διάρκεια της κατεργασίας, οι συνθήκες που επικρατούν στο διάκενο μεταβάλλονται συνεχώς, λόγω της αλλαγής των ιδιοτήτων του διηλεκτρικού και ανάλογα με τις συνθήκες αποβολής υλικού. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να εμφανίζονται με μια στοχαστική σειρά διάφορες μορφές παλμών. Στο σχήμα 4.10 παρουσιάζονται οι διάφορες μορφές παλμών που παράγονται από μια στατική παλμογεννήτρια. Για τους παλμούς ορίζονται τα παρακάτω μεγέθη: Η χρονική διάρκεια του παλμού, t ti = td + te Η χρονική διάρκεια κατά την πρώτη φάση της εκκένωσης, td, δημιουργία της εκκένωσης Η χρονική διάρκεια κατά την δεύτερη φάση της εκκένωσης, te, διατήρηση της εκκένωσης Η χρονική απόσταση μεταξύ των παλμών, tp Ο λόγος χρονικής επαφής τ Η συχνότητα εκκένωσης, fe, ως ο αριθμός των πραγματοποιούμενων εκκενώσεων στον αγωγό εκκένωσης στη μονάδα του χρόνου, Η παλμική συχνότητα, fp, ως ο αριθμός των τασικών παλμών στη μονάδα του χρόνου Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως υπάρχουν τρεις κατηγορίες για τις γεννήτριες τροφοδότησης όπου για την παραγωγή παλμών με περίοδο από 1 έως 2000msec, η μέγιστη τάση κυμαίνεται από 40 έως 400V και το ρεύμα απαλλαγής κυμαίνεται από 0,5 έως 500Α. Στην πράξη, για να επιτευχθεί σχετική συντόμευση στο χρόνο κατεργασίας, η κατασκευή πολύπλοκων τεμαχίων ή η ταυτόχρονη κατεργασία περισσότερων τεμαχίων, χρησιμοποιούνται συχνά και πολλαπλού τύπου γεννήτριες, δηλαδή γεννήτριες που μπορεί να τροφοδοτούν συγχρόνως περισσότερα του ενός εργαλεία, είτε διαδοχικά, είτε και ταυτόχρονα. 53

Σχήμα 4.10 Παλμοί τάσης και έντασης του ρεύματος σε μια στατική παλμογεννήτρια (α) Παλμός εκκένωσης (κανονικό διάκενο) (β) Παλμός εν κενώ (πολύ μεγάλο διάκενο) (γ) Βραχυκύκλωμα (μηδενικό διάκενο) (δ) Εσφαλμένη εκκένωση (πολύ μικρό διάκενο) Σχήμα 4.11 Μηχάνημα Ηλεκτροδιάβρωσης αποτύπωσης-βύθισης της Exeron 4.4.2 Διηλεκτρικό Υγρό Η κατεργασία της ηλεκτροδιάβρωσης γίνεται μέσα σε ένα μέσο κατεργασίας που συνήθως είναι διηλεκτρικό υγρό. Ο κύριος ρόλος του διηλεκτρικού αυτού είναι: 54

Η δημιουργία διακένου ορισμένης διηλεκτρικής σταθεράς, Η απομάκρυνση από το διάκενο των αναιρουμένων μεταλλικών τεμαχιδίων, Η ψύξη της περιοχής κατεργασίας για την απαγωγή της αναπτυσσόμενης θερμότητας από τις αλλεπάλληλες διασπάσεις. Το διηλεκτρικό υγρό που χρησιμοποιείται, με την κίνηση της αντλίας φιλτράρετε για να καθαρίσει από τα υπολοίματα της κοπής και στην συνέχεια επιστρέφει στην δεξαμενή. Τα κατάλληλα διηλεκτρικά υγρά είναι, συνήθως, ενώσεις υδρογονανθράκων (βενζίνη, πετρέλαιο, έλαια μετασχηματιστών, ειδικά ορυκτέλαια, κηροζίνη κλπ). Τελευταία, για τη μικροκατεργασία και για την κοπή με ηλεκτροδιάβρωση με κινούμενο σύρμα - ηλεκτρόδιο, επιτυγχάνονται καλά αποτελέσματα και με απιονισμένο νερό ως μέσο κατεργασίας. 4.5 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα της Κοπής με Ηλεκτροδιάβρωση Πλεονεκτήματα από τη χρήση της ηλεκτροδιάβρωσης είναι: Πολύπλοκα σχήματα που διαφορετικά θα ήταν δύσκολο να παραχθούν με συμβατικά εργαλεία κοπής. Εξαιρετική κοπή σε σκληρά υλικά με ελάχιστες ανοχές για την επίτευξη πολύπλοκων γεωμετριών. Κοπή για πολύ μικρά κομμάτια εργασίας όπου τα συμβατικά εργαλεία κοπής θα καταστρέψουν το κατεργαζόμενο κομμάτι από υπερπίεση του εργαλείου κοπής. Δεν υπάρχει άμεση επαφή μεταξύ του εργαλείου και του σημείου εργασίας. Ως εκ τούτου, λεπτά τμήματα και αδύναμα υλικά μπορούν να κατασκευαστούν χωρίς καμία παραμόρφωση. Μπορεί να επιτευχθεί καλό φινίρισμα επιφάνειας. Μπορούν να ανοιχτούν εύκολα οπές. Μειονεκτήματα από τη χρήση της ηλεκτροδιάβρωσης είναι: Ο αργός ρυθμός αφαίρεσης υλικού. Ο πιθανό κίνδυνος πυρκαγιάς που συνδέονται με τη χρήση διηλεκτρικών με βάση το πετρέλαιο. Ο επιπλέον χρόνος και το κόστος που προκύπτει για τη δημιουργία ηλεκτροδίων στην ηλεκτροδιάβρωση αποτύπωσης. Η φθορά του ηλεκτροδίου όταν αναπαράγει ευκρινείς γωνίες στο κατεργαζόμενο τεμάχιο. Η ειδική κατανάλωση ενέργειας είναι πολύ υψηλή. Η κατανάλωση ενέργειας είναι υψηλή. Υπερβολική φθορά του εργαλείου κατά τη διάρκεια της κατεργασίας. Τα μη ηλεκτρικά αγώγιμα υλικά δεν μπορούν να κατεργαστούν. 55

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο 5. Μέθοδος Κοπής με Πλάσμα(Plasma) 5.1 Iστορικά Η διαδικασία της μεταλλοκοπής με Plasma ξεπερνάει τα 50 χρόνια, και ξεκινάει από τον Β Παγκόσμιο πόλεμο. Οι πολεμικές ανάγκες έκαναν απαραίτητο να μπορούν να κατασκευάζονται τα αεροπλάνα πιο γρήγορα, έτσι δημιουργήθηκε η κοπή Πλάσματος, με ένα προστατευτικό αέριο να περιβάλλει το τόξο κοπής και έτσι να ελαχιστοποιεί τις οξειδώσεις στην επιφάνεια κοπής. Καθώς περνούσαν τα χρόνια, η κοπή με Πλάσμα βελτιώθηκε δραματικά, καθώς συνεχίστηκαν τα πειράματα και οι βελτιώσεις. Ανακαλύφθηκε πως περιορίζοντας την διάμετρο του ακροφυσίου, η θερμοκρασία στο σημείο κοπής μεγάλωνε σημαντικά. Συγχρόνως, η ταχύτητα του εκτοξευόμενου αερίου αυξήθηκε εντυπωσιακά, μειώνοντας τον χρόνο εξαέρωσης του υλικού που έπρεπε να κοπεί. Στα μέσα της δεκαετίας του 60 η διαδικασία κοπής με Πλάσμα άρχισε να έχει βιομηχανικές εφαρμογές και, σύντομα, εφαρμογές επίσης στην καθημερινότητα, καθώς η εφαρμογή της γινόταν όλο και πιο εύκολη, μ όλο που έπρεπε να ξοδέψει κανείς πολλά χρήματα για να μπορέσει να την χρησιμοποιήσει. Οι μεγάλες βιομηχανίες πραγματοποιούσαν μεγάλα κέρδη από την χρήση της μεθόδου και απόσβεσαν γρήγορα τα μεγάλα ποσά που χρειάστηκε να επενδύσουν, αφού έκοβαν και πιο γρήγορα και πιο αποτελεσματικά και με μεγαλύτερη ακρίβεια. Σιγά-σιγά η κοπή με Πλάσμα μπήκε στα εργαστήρια, στα μηχανουργεία, τα μικρομάγαζα, ακόμα και στα σπίτια των ερασιτεχνών. Το κόστος της αγοράς και της λειτουργίας τέτοιων μηχανών λιγόστευε συνεχώς. Έτσι η χρήση των μηχανών μεταλλοκοπής είναι πια πλατιά διαδεδομένη και για κάθε τσέπη. Κάθε εργαστήριο σήμερα που θέλει ή πρέπει να κόψει μέταλλα μπορεί να έχει το αντίστοιχο κοπτικό μηχάνημα. Σήμερα τα μηχανήματα είναι διπλής τάσης και υπάρχουν γεννήτριες από 100 μέχρι 400 Αμπέρ, αλλά υπάρχουν και μικρότερες για ελαφρύτερες δουλειές. Η Τεχνολογία Υψηλής Ευκρίνειας μεγάλωσε τα πλεονεκτήμτα της κοπής με Πλάσμα, κάνοντας δυνατή την κοπή μαλακού χάλυβα από 0,3mm μέχρι και 160mm. Έτσι ισχυρό και αποτελεσματικό που είναι το σύστημα κοπής με Πλάσμα, δεν υπάρχει αμφιβολία πως και στο προβλέψιμο μέλλον θα μας είναι απαραίτητο, και μόνο σε μερικές ειδικές χρήσεις θα χρειαζόμαστε την τεχνολογία με Laser. Η όποια, όμως, εξέλιξη της τεχνολογίας Laser δεν θα καταργήσει την κοπή με Πλάσμα, μόνο θα την βελτιώσει στις λεπτομέρειές της. [7] 5.2 Ο Ορισμός-Συνθήκες Δημιουργίας του Πλάσματος Τόσο στη Φυσική όσο και στη Χημεία ονομάζουμε πλάσμα την κατάσταση της ύλης στην οποία αυτή δεν λαμβάνει συγκεκριμένο όγκο και σχήμα που να οφείλεται στην ίδια (όπως συμβαίνει στα αέρια), και επιπλέον βρίσκονται ελεύθερα και όχι σε μοριακούς δεσμούς τα ηλεκτρικά φορτισμένα ατομικά της σωματίδια (ιόντα και ηλεκτρόνια). Υπάρχουν τρεις τουλάχιστον ορισμοί του πλάσματος: Πλάσμα είναι ιονισμένο αέριο σε θερμοκρασία,περίπου, 10 9 βαθμών Kelvin. Πλάσμα είναι ένα μερικώς ιονισμένο αέριο. Δηλαδή ένα αέριο στο οποίο κάποια (αλλά όχι όλα) από τα σωματίδια από τα οποία αποτελείται είναι ιόντα και ηλεκτρόνια. Το μερικώς ιονισμένο πλάσμα μπορεί να έχει πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία από το πλήρως 56

ιονισμένο πλάσμα, για παράδειγμα της τάξης των 500 βαθμών Κελσίου. Τα ηλεκτρόνια σε ένα μερικώς ιονισμένο πλάσμα είναι πολύ πιο «θερμά» και δεν βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με τα υπόλοιπα σωματίδια του αερίου. Ο βαθμός ιονισμού εξαρτάται από τη θερμοκρασία (και αντίστροφα). Πλάσμα είναι η κατάσταση της ύλης η οποία αποτελείται από ελεύθερα ιόντα και ηλεκτρόνια. [8] Ο ένας ορισμός θεωρεί το πλάσμα μορφή αερίου, ενώ ο άλλος το κατατάσσει ως την τέταρτη κατάσταση της ύλης (οι υπόλοιπες τρεις είναι η στερεή, η υγρή και η αέρια). Το πλάσμα διαφέρει από ένα μη-ιονισμένο αέριο. Σχηματίζεται όταν ένα αέριο γίνει πολύ θερμό με αποτέλεσμα ηλεκτρόνια να δραπετεύσουν από το άτομό τους και να γίνονται ελεύθερα (ελεύθερα ηλεκτρόνια). Το πλάσμα συνίσταται επομένως από ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα (άτομα ή μόρια που έχουν χάσει ή αποκτήσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια), και είναι υπεριονισμένη κατάσταση της ύλης. Το πλάσμα μπορεί να προκύψει από ένα αέριο στο οποίο έχει δοθεί αρκετή ενέργεια για να αποχωριστούν τα άτομα από τα ηλεκτρόνιά τους (ιονισμός) ώστε να παραχθεί ένα νέφος από ιόντα και ηλεκτρόνια. Το πλάσμα εκδηλώνει διαφορετικές θερμοδυναμικές ιδιότητες από τις αντίστοιχες των αερίων. Η θερμοκρασία, για παράδειγμα, στην οποία τα σωματίδια του πλάσματος αποκτούν συγκεκριμένη κατανομή ταχυτήτων εξαρτάται από τον βαθμό ιονισμού (και κατ' επέκταση την ένταση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου που προκαλεί τον ιονισμό, ή την ένταση της ακτινοβολίας αν αυτή είναι η αιτία του ιονισμού). Η παραγωγή πλάσματος με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου έχει σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές, καθώς τεχνολογικές διεργασίες που μέχρι τώρα πραγματοποιούνταν με χρήση μη-ιονισμένων-αερίων σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες μπορούν πλέον να γίνονται με χρήση πλάσματος σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Το οικονομικό όφελος είναι προφανές, καθώς δαπανάται λιγότερη ενέργεια. Επίσης, διεργασίες ανέφικτες με χρήση αερίων γίνονται τεχνικά δυνατές με χρήση πλάσματος. 5.3 Δομή και λειτουργία μηχανής Κοπής με Πλάσμα (Plasma) Σχήμα 5.1 Τα επιμέρους εξαρτήματα μιας εργαλειομηχανής Πλάσματος 57

Στο Σχήμα 5.1 φαίνονται τα επιμέρους εξαρτήματα μιας εργαλειομηχανής πλάσματος, όπου παρατηρειται ο αεροσυμπιεστής, το τροφοδοτικό, ο πυρσός και η γείωση. Ο Πυρσός πλάσματος (σχήμα 5.2) χρησιμοποιεί ένα ακροφύσιο (beck) από κάποιο κράμα χαλκού για να περιορίσει το ρεύμα του ιονισμένου αερίου και να εστιάζει την ενέργειά του σε μία πολύ μικρή περιοχή.το αέριο σε κατάσταση πλάσματος που βγαίνει με ορμή από το ακροφύσιο μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα στην προς κοπή λαμαρίνα την οποία και τήκει με ταυτόχρονη απομάκρυνση του τηγμένου μετάλλου από την ίδια τη ροή του πλάσματος. Σχήμα 5.2 Πυρσός πλάσματος Εξέλιξη στην τεχνολογία των μηχανών κοπής με πλάσμα είναι εξαγωγή από το ακροφύσιο ενός ευγενούς αερίου με περιδίνηση. Η εισαγωγή της τεχνολογίας περιδίνησης του αερίου υποβοηθά την κοπή με πολλούς τρόπους. Πρώτα-πρώτα, η περιδίνηση αυξάνει την ψύξη. Τα μη ιονισμένα άτομα του αερίου είναι βαρύτερα και μικρότερης θερμοκρασίας από τα ιονισμένα, και καθώς αναγκάζονται σε περιδίνηση κατανέμονται στο εξωτερικό της περιδινούμενης στήλης του αερίου. Αυτό το ψυχρότερο φράγμα προστατεύει το χάλκινο ακροφύσιο (σχήμα 5.3). Όσο αυξάνει η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, τόσο μεγαλώνει το ποσοστό ιονισμένων ατόμων, αλλάζοντας τον "ιδανικό λόγο" 30%/70% (30% πλάσμα, 70% ψυχρό αέριο), και η ψύξη μειώνεται, μικραίνοντας τη ζωή του ακροφύσιοu. Τα ακροφύσια σχεδιάζονται για να λειτουργούν σε συγκεκριμένο φάσμα έντασης ρεύματος. 58

Σχήμα 5.3 Τομή του άκρου του πυρσού πλάσματος με και χωρίς αέριο περιδίνησης (Swirl Gas) Α. Είσοδος ψυκτικού, Β. Έξοδος ψυκτικού, C. Αέριο Πλάσματος, D. Αέριο περιδίνησης [Swirl Gas], E. Κατεύθυνη κοπής και F. Επιφάνεια κοπής Η περιδίνηση του αερίου βελτιώνει την καθετότητα και την ποιότητα κοπής. Αν το αέριο του πλάσματος δεν έμπαινε σε περιστροφή, το αποτέλεσμα θα ήταν κοπή "φρεζαριστή", δημιουργία δηλαδή κωνικότητας, και στις δύο πλευρές του αυλακιού κοπής (Βλέπε σχήμα 5.4 Α περίπτωση). Αναγκάζοντας το αέριο να περιδινείται, το τόξο κατανέμεται ομοιόμορφα στην μία πλευρά της "κολώνας", οπότε η κοπή από εκεί είναι "κάθετη" (Βλέπε σχήμα 5.4 Β Περίπτωση). Εάν αλλάξει η φορά της περιδίνησης (ανάποδα από τη φορά περιστροφής των δεικτών του ρολογιού, αν πριν ήταν σύμφωνη με αυτήν), η κάθετη πλευρά θα αλλάξει αντιδιαμετρικά. Καθώς το ιονισμένο αέριο (το τόξο του πλάσματος) στριφογυρίζει, το ηλεκτρικό τόξο προσβάλλει κάθετα και σε όλο της το πλάτος την πλευρά του φύλλου που θα κόψουμε. 'Οταν γίνεται αυτό η ενέργεια κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλο το πάχος της κοπής του αντικειμένου εργασίας. Αυτή η ισοκατανομή της ενέργειας έχει αποτέλεσμα πιο "τετράγωνη" κοπή, ενώ από την αντίθετη πλευρά η επιφάνεια κοπής έχει μία γωνίας κλίσης από 5 μέχρι 8 μοιρών. Η εισαγωγή αερίου προστασίας περιορίζει ακόμα περισσότερο το τόξο και ψύχει το ακροφύσιο. Αυτό το αέριο εισάγεται μετά τον ιονισμό του αερίου του πλάσματος, στην άκρη του ακροφυσίου. 59

Σχήμα 5.4 Επίδραση της περιδίνησης στην ποιότητα κοπής. Σχήμα 5.5 Τα κύρια εξαρτήματα του άκρου του πυρσού Υπάρχουν τρία κύρια εξαρτήματα στο άκρο του πυρσού: Α) Το Ηλεκτρόδιο Β)Ο Ελεγκτής Περιδίνησης Αερίου (Gas ή Swirl Baffle) Γ)Το Ακροφύσιο (beck) Αυτά τα εξαρτήματα είναι αναλώσιμα. Φθείρονται με τη λειτουργία της μηχανής και πρέπει να αντικαθίστανται. Στο παραπάνω σχήμα 5.5 φαίνονται τα αναλώσιμα του πυρσού(στη σειρά: Ηλεκτρόδιο,Ελεγκτής Περιδίνησης Αερίου, Aκροφύσιο).Οι πυρσοί άλλων κατασκευαστών, όπως και άλλοι πυρσοί του ίδιου κατασκευαστή, μπορεί να έχουν κάπως διαφορετική σχεδίαση, αλλά όλοι απαραίτητα έχουν τα τρία εξαρτήματα που κάνουν τις λειτουργίες που αναφέραμε. [9] 5.3.1 Εκκίνηση Κοπής με Πλάσμα Το ηλεκτρόδιο (σχήμα 5.6) συνδέεται με τον αρνητικό πόλο του συνεχούς ρεύματος που παράγει η Γεννήτρια Ισχύος του Πλάσματος. Το ακροφύσιο συνδέεται στον θετικό πόλο αλλά απομονώνεται κατά την λειτουργία και είναι ηλεκτρικά μονωμένο μέσω ενός ανοιχτού ηλεκτρονόμου (relay). 60