Hogere vermogens symptoom van snelle ontwikkeling die buizenlasers doormaken
Meer productiviteit en uitgebreid toepassingsdomein
De laatste twee à drie jaar gaat het opvallend hard in de wereld van het buizen snijden. Het tempo waarmee de ontwikkelingen zich opvolgen, ligt hoger dan daarvoor. Dat zeggen de fabrikanten althans zelf. Hun focus ligt op het verkorten van de totale cyclustijd. De pure snijsnelheid heeft daar natuurlijk de hand in, maar minder dan bij een vlakbedlaser. De opeenvolging van positioneren, roteren, accelereren en weer afremmen zorgt voor een groter aantal niet-productieve bewegingen. Wie echt vooruit wil, moet dus meer dan alleen het vermogen verhogen en zal ook de dynamiek in rekening moeten nemen en de verschillende verplaatsingen nog beter op elkaar moeten afstemmen. Dat is precies wat er gebeurt, naast verbeteringen op vlak software en snijstrategieën.
Gewijzigde eisen
Het lasersnijden van buizen is het stadium al lang gepasseerd dat de concurrentie tussen fabrikanten zich uitsluitend op het snijvlak bevond tussen snijsnelheid en basisnijcapaciteiten. Kunnen snijden is niet genoeg, het moet snel, nauwkeurig – ondanks soms grote afwijkingen in het basismateriaal – en over een almaar grotere waaier aan toepassingen. Dan bedoelen we dikkere buizen, maar ook afwijkende vormen. De marktvraag heeft zich namelijk verbreed van standaard ronde en vierkante buizen naar platstaal, onregelmatige profielen en extra lange en zware H-balken. Tegelijkertijd explodeert de vraag naar batchverwerking van korte (rest)stukken en complexe onderdelen.
Hogere vermogens
Aangedreven door de vraag naar dikker materiaal voeren de fabrikanten de vermogens van hun fiberlaserbron steeds meer op. Kijkend naar de vermogens, zien we twee duidelijk verschillende marktsegmenten ontstaan.
Toelevering van lasersneden buizen en profielen
Binnen het segment van de eerder dunwandige onderdelen, maken de machines van 3, 4 en 6 kilowatt meer en meer plaats voor hun grotere broers van 9 tot zelfs 12 kilowatt. Terwijl de productiviteit ten opzichte van een 6 kW-bron met ongeveer 30% stijgt, behoren bijvoorbeeld bij ronde buizen plots diameters van 273 mm tot de mogelijkheden en diktes tot 12,5 mm in het geval van roestvast staal en aluminium. Hier zijn productiviteit en kostprijs doorslaggevend, en daar kan een hoger laservermogen, gecombineerd met stikstofsnijden en een machine die hoge verwerkingssnelheden ondersteunt, zeker bij helpen.
Toch liggen de kaarten iets complexer dan dat. In het bijzonder bij het bewerken van dunwandige materialen zijn er grenzen aan wat technisch zinvol is. Het laservermogen moet immers zo worden afgestemd dat ook de binnenzijde van de buis vrij blijft van beschadigingen, ongewenste hitte-invloeden of slak. Dat risico is zo reëel dat de optie bestaat om tijdens het laden de binnenkant van de buis van scheidingsmiddel te voorzien, waardoor achtergebleven slak veel moelijker kan blijven kleven. Vanuit dat perspectief rijst de vraag in welke mate zeer hoge vermogens daadwerkelijk een meerwaarde bieden bij het lasersnijden van dit soort buizen en profielen.
Toelevering van complete buis- en profieloplossingen
Daarnaast heb je een segment dat wordt gekenmerkt door complexere snijcontouren, zoals lasvoorbereidingen, verzonken gaten en andere functionele bewerkingen. Dikwijls gaat het om open profielen, grotere diameters en zwaardere producten met gewichten van bijvoorbeeld 100 kg per meter. Voor deze toepassingen biedt zuurstofsnijden vaak belangrijke voordelen. Aangezien de onderdelen meestal rechtstreeks deel uitmaken van een groter constructief geheel, ligt de focus minder op pure snelheid dan op de stabiliteit van het proces en de kwaliteit van de snede. Vandaar het grote belang van een mechanisch robuuste machine.
Door de hoge massa van zowel product als bewegende machinecomponenten spelen dynamica en stabiliteit immers een cruciale rol. Behalve die eerder mechanische kant, is er ook een almaar belangrijkere rol weggelegd voor innovaties als beam-shaping, die eerder optisch en softwarematig van aard zijn. Door de vorm van de laserstraal te optimaliseren, bijvoorbeeld via een ringvormige of zogenaamde ‘donut’-straal, kan een stabieler en efficiënter snijproces worden gerealiseerd. Het is in dit ‘zwaardere’ segment dat vermogens van 20 kW (en op maat zelfs 30 kW) volledig tot hun recht komen.
Een technologie in beweging
Als de eisen veranderen en scherper worden, stimuleert dat de fabrikanten niet alleen om het toepassingsbereik te vergroten door de vermogens op te krikken, maar ook om hardnekkige pijnpunten zoals het omgaan met grote toleranties in de grondstoffen of het doorbuigen van buizen aan te pakken. We zien de technologie dan ook op talloze domeinen evolueren.
Tolerantiecompensatie en meetcorrectie
In werkelijkheid zijn buizen en profielen zelden perfect recht of maatvast. Moderne systemen meten steeds beter de werkelijke positie, torsie en afmetingen van het profiel en compenseren daar automatisch voor. De snijbanen worden daardoor afgestemd op de werkelijke positie van het materiaal en niet uitsluitend op de theoretische positie uit het CAD-model, een enorm cadeau voor bedrijven die veel assemblages en lasconstructies maken, omdat hun verdere productie van die maatnauwkeurigheid afhangt. Gezien het belang ervan, is het niet verwonderlijk dat fabrikanten sterk hebben ingezet op tolerantiecompensatie, wat heeft geresulteerd in diverse meetmethodes. Aftasten met de snijkop is een optie, maar gaat veel trager dan bijvoorbeeld capacitief meten.
Op basis van de afstand op verschillende aanpasbare punten tussen de elektrische sensor en het profiel kan het systeem bepalen waar het bronmateriaal zich bevindt en het ten opzichte van de machine-as dynamisch centreren. Voor eenvoudige vierkante of rechthoekige profielen zal dat voldoende zijn, maar wellicht niet voor een asymmetrisch profiel. Daar moet je namelijk weten welke kant van het profiel boven ligt, en die oriëntering kan je niet afleiden van een afstandsmeting. Met optische systemen die scans nemen, lukt dat wel. Er zijn fabrikanten die zelfs zo ver gaan dat ze een softwarefunctie aan het begin van het proces de kwaliteit van het uitgangsmateriaal laten beoordelen om aan de hand daarvan te beslissen hoe vaak er een meetcyclus moet worden opgestart.
Met de focus op tijdwinst proberen fabrikanten niet alleen sneller te snijden, maar ook de niet-productieve tijd te reduceren
Innovatieve klauwplaatsystemen
Net zoals niet alle bronmateriaal even maatvast is, zijn niet alle vormen even stabiel te verwerken en te snijden. Excentrische profielen en platstaal zijn twee voorbeelden van vormen die wel eens tot trillingen of wegglijden kunnen leiden. Om die uitdaging het hoofd te bieden, zijn er fabrikanten die gebruikmaken van vier servogestuurde klauwplaten. De sturing bepaalt afhankelijk van de buis en bewerking welke klauwen in welke configuratie samenwerken. Voor zware balken bieden de vier klauwplaten in plaats van drie een betere ondersteuning zodat doorbuigen vermeden wordt. Ook met het oog op meer productiviteit komt de extra klauwplaat handig van pas: terwijl er twee het gesneden profiel afvoeren, kunnen de andere al een nieuwe klaarleggen. Het is een slimme manier om kostbare tijd te besparen.
Alternatieve snijstrategieën
Met de focus op tijdwinst proberen fabrikanten niet alleen sneller te snijden, maar ook de niet-productieve tijd te reduceren. Denk aan snellere positioneringen, kortere piercetijden en geoptimaliseerde bewegingen tussen contouren en slimmere parameterwissels. Eerst een voorbeeld dat betrekking heeft op zware buizen. Normaliter roteert de buis en staat de laserkop vast.
Door de snijkop te laten roteren en de buis heen-en-weer te bewegen, hoeft die laatste niet voor iedere contour volledig om haar lengteas te worden geroteerd. Dat vermindert de noodzaak om een zware, traag reagerende buis voortdurend te versnellen en af te remmen. Bij kleine contouren en dun materiaal ligt de uitdaging elders. Daar maakt de snijlengte zelf maar een klein deel van de totale bewerkingstijd uit. De laser moet vooral voortdurend versnellen, vertragen, van richting veranderen en opnieuw versnellen. Zo wordt het lastig om de theoretisch hoge snelheid van de laser te benutten. Daarom bestaan er functies die specifiek zijn ontwikkeld om de beschikbare laser- en machinedynamiek dankzij een sterk opgevoerde acceleratie (tot viermaal sneller) maximaal in te zetten.
Software en automatisering
Tot slot heeft de software volgens de fabrikanten waarschijnlijk een nog grotere sprong gemaakt dan de machine zelf. Ze heeft dan ook een zeer belangrijke rol. Niet alleen moet de software een 3D-model naar snijbanen vertalen, ze moet ook rekening houden met de eigenschappen van het profiel, de opspanning, de rotatie van de buis en de mogelijke vervorming of beweging tijdens het proces. Vandaag herkennen de softwaresystemen direct de gangbare 3D-formaten (waaronder IGS en gespecialiseerde NC-bestanden) zonder dat een secundaire conversie nodig is. Een ontwikkeling die we zeker moeten vernoemen, is dat open profielen en complexe geometrieën steeds beter verwerkt kunnen worden.
Daarnaast verschuift de focus naar een volledig geïntegreerde workflow, dat wil zeggen van CAD/CAM en productieplanning tot machinebesturing en opvolging van productiegegevens. Ook automatisering maakt deel uit van die integratie, want automatische laad- en lossystemen, opslag en sortering worden mee opgenomen in het centraal gestuurde productieproces.
Met medewerking van Bystronic, De Tollenaere (Bodor), Landré (HSG), LVD, Mazak en V.A.C. Machines (Trumpf)