Corte por plasma de alta definición

La búsqueda constante de mejor calidad de corte, mayor productividad y reducción de costos operativos es indiscutiblemente una prioridad en todos los rubros de la industria. Podríamos decir que, cada uno de estos elementos constituye una pata del trípode operacional que determina la ecuación de la actividad de corte de metales y que, en cada caso, alguna de ellas tendrá mayor grado de importancia dependiendo de las necesidades del usuario. Las empresas que prestan servicio de corte realizan este análisis a diario. A veces tienen clientes que quieren sus pedidos en un plazo "casi imposible" y, en este caso, es la productividad la variable más importante. Otras veces el cliente requiere una tolerancia o acabado excelente en sus piezas o, al contrario, busca el precio más bajo pues existe una fuerte competencia en el mercado y convierte al costo operativo en la variable principal para el éxito del negocio.

Tratándose de calidad de corte de metales, la primera pata del trípode operacional, los usuarios poseen alternativas como el proceso láser, o el chorro de agua, que ofrecen cortes sin ángulo y buena terminación en contornos complejos o radios muy pequeños. Sin embargo, existen algunos puntos que desfavorecen el uso de estos procesos por no tener buen desempeño en alguna de las otras dos variables definidas en este trípode: productividad y costo operativo.

En el caso del láser, el costo de inversión es muy alto, y aumenta drásticamente cuando se busca productividad en espesores mayores a 6mm. Esto impacta en el costo operativo a través de la amortización del equipo. Además, el costo operativo es incrementado debido al alto costo de las mezclas de gases utilizadas, al alto consumo eléctrico y al costo de mantenimiento que estos sistemas requieren cada un cierto número de horas (por ejemplo, el resonador debe ser reemplazado luego de un cierto número de horas de uso, lo que implica una erogación cercana a un tercio del precio del equipo completo) y este valor debe amortizarse formando parte de costo operativo de corte.

Por otro lado, el corte por chorro de agua tiene la ventaja adicional de no agregar calor al metal, lo que evita ondulaciones y conserva sus propiedades metalúrgicas. Sin embargo, su costo operativo es bastante más alto que el de los demás procesos para corte de metales, y esto es debido a la combinación del alto costo de los abrasivos con la extremadamente baja velocidad del proceso cuando es aplicado al corte de metales.

Para aproximarse al nivel de calidad de los procesos láser y chorro de agua, incrementar la velocidad de corte y reducir el costo operativo del corte, se hace necesario el uso del proceso de corte plasma de alta definición. Este proceso, si bien ha sido utilizado por más de una década en el mercado mundial, anteriormente no cumplía con las expectativas de costo operativo, y las principales causas de frustración eran las variaciones de presión en los gases del proceso (gas plasma y gas de protección) que producían variaciones en la calidad, y la baja duración de las piezas consumibles (electrodo y tobera).

El proceso de corte plasma de alta definición
El plasma, frecuentemente conocido como el cuarto estado de la materia, ha sido utilizado para cortar metales conductores por décadas. En 1994, la empresa Hypertherm Inc., del estado de New Hampshire en los Estados Unidos, desarrolló la tecnología de corte plasma de alta definición, patentada como HyDefinition, logrando incrementar la densidad de energía del arco utilizado como herramienta de corte, y alcanzando grandes aumentos en la velocidad y simultáneamente en la calidad de corte.

Para todos los sistemas de corte plasma, la densidad de energía del arco es determinada por la torcha, específicamente por la relación entre flujo que atraviesa el orificio de la tobera y la corriente de corte. En los equipos convencionales, esta densidad es de 15 a 25 Amp/mm2; en cambio, en el sistema de alta definición es de 65 a 90 Amp/mm2.

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Rango de aplicación
Como todos los procesos de corte por plasma, el de alta definición produce mejores resultados dentro de un rango de espesores y tipo de material. Actualmente, existen sistemas de alta definición disponibles para espesores entre 0.5mm y 32mm en acero al carbono.

En los sistemas de corte plasma convencional, se obtiene mejor calidad en los rangos bajos de corriente. Por ejemplo, se puede cortar una lámina de 3mm utilizando corriente de 30 amperios y velocidad de 2 m/min con buena calidad de corte y ángulos menores de 5 grados. Sin embargo, si se corta la misma pieza con 15 amperios y a una velocidad de 1,6 m/min, el ángulo de corte será menor, cercano a 2 grados. Si el trabajo no requiere una tolerancia tan ajustada, se puede elevar la corriente a 70 amperios y cortar la misma pieza con una velocidad de 6 m/min.

El proceso de alta definición corta acero al carbono hasta 32mm produciendo un ángulo de inclinación del borde de entre 0 y 3 grados, aún con corrientes elevadas (hasta 260 amperios) y velocidades de corte muy altas.

El sistema de corte plasma de alta definición
Algunos factores son críticos para el correcto desempeño del proceso de corte plasma. Por ejemplo, la generación de doble arco, el correcto flujo de gas, la concentricidad de la torcha y los consumibles. El proceso de alta definición ha sido diseñado para optimizar cada uno de estos y otros factores. La figura 2.1 muestra una torcha convencional para un proceso de doble gas, donde el orificio de la tobera es utilizado para constreñir un gas ionizado a muy alta temperatura (plasma) para fundir y seccionar el metal. Para obtener la condición ideal del plasma, el diámetro de la tobera debe permitir el pasaje de un elevado caudal de gas.

La torcha de alta definición, mostrada en la figura 2.2 , ha sido sensiblemente mejorada con respecto a la tecnología convencional. Además de tener una reducción en la tolerancia de las piezas para un perfecto alineamiento del arco y la incorporación de un escudo frontal aislado eléctricamente, y haber reducido el orificio de salida de la tobera, ésta es diferente pues posee un canal lateral de venteo que ayuda a mantener el caudal de gas estrictamente necesario para la generación de un arco mucho más concentrado y controlado, que produce cortes más finos y precisos.

La tolerancia que puede alcanzarse con un sistema de corte plasma de alta definición alcanza 0.1mm, siempre que esté acompañado de un sistema de movimiento (mesa de corte o robot) que ofrezca la precisión adecuada a las altas velocidades de este proceso. Los fabricantes de mesas de corte generalmente ofrecen máquinas con estas características, especialmente diseñadas para corte plasma de alta definición.

Vida útil de los consumibles
La vida de las piezas consumibles de una torcha plasma está determinada por la cantidad de cortes que pueden realizarse con un conjunto de electrodo y tobera, antes de que el proceso falle o pierda la calidad deseada. Su duración está relacionada directamente con el número de perforaciones realizadas (a mayor número de perforaciones, menos horas de vida), el largo de cada corte (a mayor duración de los cortes, más horas de vida), la eficiencia de la refrigeración del electrodo (a mejor refrigeración, más horas de vida) y el control de flujo de gases.

Además del electrodo y la tobera, otras piezas se desgastan en el proceso en una determinada relación con respecto a las primeras. El escudo frontal debe cambiarse a razón de 15 ó 20/1, el anillo distribuidor de gas en 50/1 y la cubierta exterior en 100/1. Estos datos son estadísticos y pueden variar en función de la aplicación y de la habilidad del operador.

En general, la manera de medir la vida de los consumibles es por horas de arco, y la mayoría de los controles numéricos de las mesas de corte proveen esta información que permite al usuario generar sus propias estadísticas, las cuales son importantes para el cálculo del costo operativo del proceso.

Tipos de gas
En los procesos de gas doble (dual gas), que son aquellos que permiten utilizar un gas plasma diferente del gas de protección, la selección del gas se realiza en función del tipo de metal a cortar y su espesor, para conseguir características específicas en el corte. La tabla 1 muestra las posibilidades a utilizar.

El gas de protección debe ser seleccionado de acuerdo con el gas plasma de forma tal que la combinación ofrezca capacidad de refrigeración sin pérdida de rendimiento del proceso. Si bien las opciones son muchas, el aire comprimido es el gas más utilizado debido a su bajo costo, y es una buena opción para cortar cualquier material. Sin embargo, el uso de aire comprimido tiene algunos riesgos relacionados con su calidad, ya que no todos los compresores entregan la calidad de aire y el caudal requeridos para que el proceso funcione correctamente.

A pesar de tener costo operativo levemente más elevado, la utilización de otros gases permite obtener características de corte muy valoradas por los usuarios, ya que el resultado puede generar ahorros al favorecer o anular operaciones posteriores al corte.

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Incrementando el rendimiento
Para mejorar el desempeño del plasma de alta definición, varios puntos fueron estudiados. Uno de ellos es la necesidad de eliminar la susceptibilidad del proceso a las variaciones en la presión de entrada de los gases. También se buscó disminuir la influencia del operador en la selección de las variables. Por otro lado, se intentó aumentar sensiblemente la vida útil de los consumibles. Y por último, se intentó incrementar la velocidad de corte de sistema. Todos estos factores tienen dos objetivos; el primero es conseguir un desempeño mejor (velocidad, costo y calidad), y el segundo es lograr la consistencia en el tiempo de este mejor desempeño.

El primer cambio realizado en la nueva generación de sistemas de alta definición, llamada HyPerformance Plasma, fue la consola de control de gases de plasma y protección. La primera consola tenía un sistema de regulación de caudal de tipo rotámetro (fig 3.1), que permitía regular el caudal del gas pero no actuaba en forma dinámica ajustando la regulación de acuerdo con las variaciones de presión. La consola de gases rediseñada (fig 3.2) posee un sistema de retroalimentación que, recibiendo la información del caudal de salida, puede regular las válvulas a través de un micro procesador, que compara la información real con la deseada y regula el caudal en todo momento durante el corte por medio de válvulas motorizadas.

Otro cambio importante es la inclusión de una nueva consola de gases totalmente automática, la cual es controlada a través del CNC. De esta manera se minimiza la influencia del operador en los parámetros de corte, pues estos vienen prefijados para cada material y espesor, evitando así disminuir la productividad y la calidad. Esta nueva consola es parte del concepto caja negra aplicado a los nuevos sistemas, el cual evita que haya controles dispersos por todas partes (fuente plasma, consola de gas, control de altura, CNC). En este caso, todas las variables se controlan desde una misma pantalla.

Existe otro desarrollo importante producido en el interior de la torcha. Se trata de una nueva tecnología que garantiza la correcta refrigeración del electrodo a través de un perfecto alineamiento axial del tubo de refrigeración (fig. 3.3) . Para lograr que esta pieza permanezca perfectamente alineada dentro de la torcha, se desarrolló un nuevo tubo flotante que se posiciona automáticamente en el centro, logrando que el chorro de líquido refrigerante se dirija precisamente al lugar donde se produce el calor: el inserto de Hafnio que emite el arco.

Finalmente, los nuevos equipos de alta definición han sufrido modificaciones importantes en la dinámica de flujo producida dentro de la torcha, logrando importantes incrementos de velocidad con respecto a la primera generación de alta definición. Esto ha dado como resultado que, por ejemplo, un equipo de 260 amperios pueda cortar acero al carbono de 25mm (1 pulgada) a la misma velocidad que lo hace un equipo de 400 amperios, y a la quinta parte del costo operativo.

Comprobación del nuevo desempeño
Para comprobar los resultados obtenidos con los cambios realizados en la consola de gas y en la torcha de plasma de alta definición, se elaboró un test de corte con las siguientes características:

• Proceso: Corte plasma alta definición
• Marca: Hypertherm
• Modelo: HyPerformance Plasma HPR130
• Material: Acero al carbono
• Espesor: 10mm
• Corriente: 130 amperios
• Gases: Oxígeno (plasma) y Aire (protección)
• Velocidad: 2,5 metros por minuto

Se utilizaron 3 juegos de consumibles (electrodo y tobera) y cada juego fue sometido a cortar cuadrados iguales de 10cm de lado hasta terminar la vida del consumible. Se definieron intervalos de 180 arranques y en cada uno fueron separados 3 cuadrados. De esta manera, se obtuvieron 9 muestras provenientes de las primeras 3 perforaciones de 3 juegos de consumibles, 9 muestras provenientes de las perforaciones número 180, 181 y 182, 9 muestras de las perforaciones número 360, 361 y 362, y así sucesivamente. Una vez completados los juegos de 9 muestras correspondientes a cada intervalo, a cada una de ellas se le midió el ángulo en sus cuatro lados cortados y se obtuvieron 36 datos por cada punto. De estos 36 datos se eligió el máximo ángulo obtenido para ser comparado con los valores de la norma.

Cálculo de costos operativos
El punto anterior muestra cómo se ha mejorado la calidad de corte a lo largo de la vida de los consumibles, y también cómo se ha incrementado la productividad a través de la mayor velocidad de corte. Ambos factores influyen sensiblemente en el costo operativo del proceso. A continuación se presenta un método sencillo para calcular el costo de los procesos de corte de metales.

Lo primero que debemos considerar es que la manera más precisa para analizar nuestros costos está relacionada al "costo por metro cortado". Aunque muchos talleres de servicio de corte utilizan el "costo por kilo cortado", esto no brinda información acertada sobre el costo real del corte debido a que, como veremos más adelante, todas las variables que influyen en el costo guardan relación con los metros cortados, y no con los kilos. Entonces, por ejemplo, si alguien nos dice que cortó una pieza de 5 kg de acero al carbono, no sabemos si ha cortado un cuadrado de 520mm de lado en espesor de 2mm (perímetro de corte 2080mm) o un cuadrado de 120mm de lado en espesor de 38mm (perímetro 480mm), y es obvio que los costos de corte de ambas piezas son diferentes. El cálculo del "costo por metro cortado" es muy sencillo.

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Primero, todas las variables que componen el costo operativo dependen del "tiempo", y a continuación se detalla cada una de ellas:

• MO = Mano de Obra ($ / hora)
• C = Consumibles ($ / hora)
• G = Gases ($ / hora – provenientes $ / litro x litros / hora)
• EE = Energía Eléctrica ($ / kwh – depende de la corriente de corte)
• A = Amortización ($ / hora – inversión total dividida por las horas en que se desea amortizar el equipo*)
• M = Mantenimiento ($ por hora – inversión en mantenimiento en 5 años dividida por las horas de corte efectivo esperadas)

(*) Al considerar las horas de amortización es necesario calcular la demanda real de producto. Esto es debido a que, si bien la máquina (plasma o láser) podría producir todo el tiempo (3 turnos los 365 días del año), es posible que en ese tiempo estuviéramos produciendo sobre stock de material. La práctica corriente consiste en considerar las hora reales de trabajo (aprox. 1700 horas por turno, por año).

Otra variable a considerar es el ciclo de trabajo (CT%), que representa la relación entre el tiempo en que el equipo corta versus el tiempo que no lo hace, el cual es llamado tiempo muerto, y dependerá del programa de corte a realizar, de la velocidad de posicionamiento de la mesa de corte y de la habilidad del operador para maximizar el tiempo de corte. El ciclo de trabajo se mide en porcentual del tiempo total.

Entonces, para calcular el costo por metro, primero debe calcularse el costo horario de operación de la siguiente manera:

Costo horario de operación (CH): CH = MO + A + CT% x (C + G + EE + A+M)

Se observa que la mano de obra y la amortización son factores de gran influencia debido a que no están afectados por el ciclo de trabajo del equipo. En cambio, el consumo de gases, energía eléctrica, mantenimiento y consumibles está relacionado con el corte efectivo del equipo.

Luego, para calcular el costo por metro debemos conocer cuántos metros se cortan efectivamente en una hora (MH), y esto depende de la velocidad y del ciclo de trabajo. Entonces: Metros cortados en 1 hora: MH = Velocidad (m/min.) x 60 x CT%

Costo por metro cortado: CM = CH / MH

Debido a que la velocidad varía para cada espesor, este cálculo debe realizarse para todos los espesores en los que trabajamos. Con esto deberíamos obtener una tabla de costo por metro para cada espesor que nos permitirá calcular fácilmente el costo de cada pieza simplemente conociendo su espesor y su perímetro. Por ejemplo:

Proceso: 80 amperios - O2 / Aire

Espesor 3.25mm 6.35mm 12.70mm 19.05mm

Costo por metro $0.15 $0.16 $0.31 $0.50

($/m)

Entonces, si la pieza cortada tiene un espesor de 6.35mm (1/4"), y su perímetro es de 500mm, el costo de cortar esta pieza fue de $0.16 x 1.5m = $0.24.

Para obtener el costo de la pieza completa, además de adicionarle el costo del material utilizado, es importante considerar los costos de limpieza y terminación. Generalmente, éstos se calcularán en tiempo por pieza ($/pieza) ya que la variable principal es la mano de obra. Dado que los costos de limpieza suelen ser considerables, a veces mayores al costo de corte de la pieza, es importante considerarlos en el momento de elegir el proceso de corte a utilizar. En este caso, el plasma de alta definición ofrece piezas que para muchas aplicaciones pueden considerarse "terminadas", pues pueden utilizarse sin necesidad de procesos posteriores (limpieza, ajuste, etc.).

Finalmente, para seleccionar el proceso de corte que más se ajusta a nuestras necesidades estudiaremos las tres variables que componen el trípode operacional (calidad de corte, productividad, costo operativo) y decidiremos cuál de ellas tiene más peso relativo a fin de definir qué proceso cumple mejor con los requisitos deseados.