Entendiendo las tecnologías de corte de metal

Oxicombustible, plasma, láser, chorro de agua—todos tienen su lugar

July 21, 2009

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Nota del editor: este artículo fue desarrollado a partir de un Panel de Corte Comparativo llevado a cabo en la conferencia Metal Matters de la Fabricators & Manufacturers Association en Orlando, Fla., marzo 2008.

Es la pregunta escuchada en el mundo de la fabricación en metal. ¿Cuál tecnología de corte de metal es la mejor?

Desafortunadamente, la respuesta a la pregunta no puede ser cubierta en una declaración simple. La respuesta depende del metal que se va a cortar, del espesor del metal, de como define el cliente un corte de calidad, y de que tan rápido tiene que hacerse el trabajo.

Con tantas variables, ¿qué tiene que hacer un gerente de taller de fabricación en metal cuando está buscando una comparación honesta de las tecnologías? Los manufactureros de máquinas herramienta se dan cuenta de la confusión que puede confrontar a los fabricantes, y es por eso que la comparación directa de las tecnologías de corte de metal tiene tanto sentido. Las mismas partes, los mismos escenarios de costos, y resultados diferentes-todo con la intención de darle a los fabricantes en metal una visión mucho más clara.

Reglas para la Comparación

Se seleccionaron dos partes para lacomparación del corte de metal. La parte A (vea la Figura 1) es una placa rectangular con tres hoyos interiores. La parte B (vea la Figura 2) es una parte de una rueda dentada con un hoyo interior.

Ambas partes se cortaron en acero suave y aluminio a espesores variables: calibre 16 (0.060 pulgadas), 1/2 pulgada y 1 pulgada.

Para la base de esta comparación, los costos operativos incluyen consumibles, gas, electricidad, y mantenimiento planeado. Los costos de mano de obra no se incluyeron porque los salarios difieren dramáticamente en todo E.U.

Los costos de capital se dividieron en dos escenarios diferentes: una renta de dos años a 2,000 horas de operación por año, la cual cubre una operación de un turno, y una renta de seis años a 6,000 horas por año, la cual cubre una agenda de 24 horas al día, tres turnos. Ambas rentas se calcularon con un interés del 8 por ciento.

Tecnologías Usadas en la Comparación

En esta comparación de corte de metal se usaron tecnologías de corte con oxicombustible, plasma, láser y chorro de agua.

Corte con Oxicombustible. En este método de corte de metal, se usa un soplete para calentar el metal a temperatura de ignición. El chorro de oxígeno con el que se apunta al metal reacciona con el metal en un proceso químico, oxidando al acero y soplándolo para formar el corte. El calor es realmente un subproducto del proceso.

El corte por oxicombustible se usa principalmente para cortar acero suave en espesores de 3/8 de pulgada a 12 pulgadas. La tecnología no se considera práctica para aluminio o acero inoxidable, pero puede usarse para titanio.

La tecnología tiene una zona muy grande afectada por el calor en comparación con las otras tecnologías de corte, y no es tan precisa, típicamente ±0.0625 a ±0.125 pulgadas, aunque un control cuidadoso del proceso puede resultar en parámetros de to­lerancia mucho más estrictos.

La tecnología ha mejorado enormemente en años recientes con los avances técnicos. Los sopletes de alta velocidad han resultado en velocidades de corte un 20 por ciento más rápidas que las de las generaciones previas. Las puntas sensoras de altura y la regulación de gas CNC mantienen las operaciones de corte por oxicombustible funcionando de manera eficiente.

El corte con oxicombustible tiene un muy bajo costo de capital—alrededor de $125,000 por una máquina de una sola cabeza—y el precio para agregar cabezas múltiples—tantas como la altura—no es tan grande como el costo de una máquina de una sola cabeza. Además, puede agregarse tecnología de automatización para permitir operación sin atender con antorchas múltiples.

Corte por Plasma. Cuando un gas se calienta a una temperatura extremadamente alta, éste se ioniza. En este punto, el gas ionizado, eléctricamente conductor, puede ser llamado plasma.

Cuando se envía una alta velocidad de plasma a una pieza de trabajo metálica, con ésta se envía un arco eléctrico. El calor del arco funde el metal que se va a cortar, y el chorro de gas ionizado sopla el metal fundido.

Para propósitos de esta comparación, se usaron sistemas de plasma de alta densidad, también conocidos como sistemas de alta definición. Esta tecnología produce un mucho mejor corte en metal porque la más reciente tecnología de boquillas reduce dramáticamente el arco para entregar mucha más densidad de energía.

El corte por plasma puede brindar una variedad de velocidades y calidad de corte, dependiendo del material que se vaya a cortar, del espesor del material, de la calidad deseada del corte, y de la velocidad de corte requerida. La capacidad para ajustar el amperaje de la máquina, de 30 a 260, permite esta flexibilidad.

Una sencilla regla de dedo: mientras más potencia le dé, más rápido cortará el metal con plasma. Las velocidades de corte son menos afectadas por el espesor del material que otros procesos. De hecho, el corte por plasma es efectivo para aluminio, particularmente aluminio grueso.

Debido a que el corte con plasma no es tan preciso como otras tecnologías de corte de metal, puede no ser capaz de entregar una serie de hoyos funcionales. El ancho mayor de la muesca afecta la definición de la parte. Es por eso que la tecnología con frecuencia se equipara con el herramental de punzonado. Sin embargo, el corte con plasma de alta densidad puede dar tolerancias de ±0.010 pulgadas a ±0.015 pulgadas en procesos estrechamente monitoreados.

Las máquinas de corte por plasma que pueden brindar muchos de estos beneficios cuestan en todos lados desde $150,000 a $300,000 por máquina. También se cuenta con manejo automatizado de material para estas máquinas de corte por plasma.

Corte por Láser. Un resonador láser emite un rayo de luz de baja divergencia con una longitud de onda bien definida que, cuando se enfoca a un punto pequeño, es capaz de cortar metal. La mayoría de las máquinas de corte por láser encontradas en los talleres de fabricación en metal son impulsadas por un resonador de CO2 y su potencia va de 1.5 kW a 6 kW.

En algún momento, los láseres se limitaron a cortar metal de chapa delgada. Sin embargo, debido al surgimiento de resonadores láser más poderosos, los láseres ahora se usan comúnmente para cortar aceros más gruesos, normalmente hasta de 1.5 pulgadas. La máquina de corte láser de 4kW usada para esta comparación tuvo pocos problemas al cortar partes de acero y aluminio, salvo por uno. La máquina no pudo procesar el aluminio de 1 pulgada debido a su mayor reflectancia, comparado especialmente con el aluminio más delgado serie 5000 ó 6000.

Las máquinas de corte láser son opciones populares en los talleres de fabricación porque éstas cambian de un metal a otro realmente rápido y pueden manejar varios espesores con un simple cambio en el ajuste del foco. Los láseres tienen además una zona afectada por el calor muy pequeña debido a que el láser puede enfocarse muy estrechamente.

La tecnología de control del corte láser ha mejorado, haciendo el manejo del proceso de corte mucho más simple. Los cabezales de corte se ajustan para mantener una altura consistente mientras cortan. El foco cambia automáticamente cuando se introduce un nuevo material. Una longitud constante del rayo se mantiene en algunas máquinas con óptica volante, ayudando a brindar desempeños consistentes del corte. La entrega de gas auxiliar se ajusta conforme el láser se mueve a la siguiente tarima. La mayoría de los sistemas viene con cambiadores de tarima básicos, que permiten a los operadores montar la siguiente hoja mientras el corte continúa en otra hoja.

Las máquinas de corte láser son herramientas de fabricación muy flexibles, capaces de entregar corte a tolerancias muy altas, pero también son dispositivos muy complejos. Eso resulta en precios para las máquinas en todos lados de $400,000 a más de $1 millón. Con esa etiqueta de precio, no muchos talleres de fabricación estarían considerando una renta de dos años.

Corte por Chorro de Agua. Llámelo simplemente erosión rápida. El corte por chorro de agua se basa en una bomba de agua de alta presión para empujar agua a través de una boquilla donde el agua se mezcla con un abrasivo, como granate u óxido de aluminio. La combinación del chorro de agua a alta velocidad y los abrasivos erosiona el material al cual se apunta la boquilla.

El corte por chorro de agua es adecuado para aquellos talleres que desean cortar una variedad de sustancias, no sólo metales. Los chorros de agua pueden usarse para cortar materiales tan diversos como vidrio y hule.

Cuando se trata de metales, el corte por chorro de agua es popular porque produce un corte sin zona afectada por el calor. El material no se distorsiona alrededor del corte, por lo que el resultado final es un muy buen acabado superficial.

Una máquina de corte por chorro de agua puede cortar fácilmente chapa metálica delgada y hasta de 12 pulgadas de espesor, de ser necesario. Obviamente, conforme el chorro de agua corta materiales más gruesos, las tolerancias bajan mientras que los tiempos de corte aumentan.

La capacidad para hacer cortes precisos es otro atractivo beneficio del corte por chorro de agua. Los fabricantes pueden cortar partes pequeñas con una tolerancia de ± 0.001 pulgadas o mejor, y partes grandes con una tolerancia de ±0.003 pulgadas a ±0.005 pulgadas.

La bomba del chorro de agua está en el corazón del sistema de corte. Básicamente, mientras más pueda aumentar un fabricante la presión del chorro de agua, más rápido puede hacer el corte. Las bombas de accionamiento directo más pequeñas tienen una eficiencia de alrededor del 90 por ciento y pueden producir hasta 55,000 PSI. Las bombas intensificadoras más grandes tienen una eficiencia de alrededor del 60 por ciento y pueden producir hasta 87,000 PSI.

Los avances en bombas y otras áreas, como la tecnología que permite que una boquilla de chorro de agua se ajuste automáticamente durante el corte para una precisión mayor de la parte, han ayudado a hacer el corte por chorro de agua una tecnología de corte de metal mucha más competitiva. Cabezales múltiples de corte por chorro de agua y preparación automatizada del material ayudan a hacerla todavía más competitiva.

El precio de los sistemas estándar va de $60,000 a $300,000.

Comparación de Tiempo

Antes de que se hicieran las comparaciones del corte, todas las partes coincidieron en dos verdades básicas:

1. Decidir sobre un proceso de corte de metal se reduce a costo por parte y calidad de la parte cortada.

2. El cliente va a ser el juez de la calidad de la parte.

Con eso en mente, los participantes en esta comparación coincidieron en que, dependiendo del sistema de accionamiento, los láseres y chorros de agua brindaban el más alto grado de precisión de partes. Los sistemas de corte por plasma fueron los siguientes, y el corte por oxicombustible fue suficientemente preciso para muchas aplicaciones.

Cuando se trató de tiempo de procesado de partes para la Parte A, los láseres probaron ser los más rápidos cuando se trató de cortar aluminio y acero de calibre delgado (vea la Figura 3). El plasma fue muy competitivo tanto en aluminio como en acero, en los diversos espesores. El chorro de agua probó su valor en corte de aluminio.

El procesar la Parte B fue un tanto más difícil para algunas tecnologías de corte (vea la Figura 4), pero los resultados glo­bales fueron similares que aquéllos para procesar la Parte A.

Con respecto a los costos de partes, el corte por plasma sobresale en todos los espesores de la Parte A en aluminio (vea la Figura 5). Las otras tecnologías de corte de metal son mucho más competitivas cuando la atención se concentra en la Parte A en acero (vea la Figura 6).

El costo por parte para cortar la Parte B en aluminio (vea la Figura 7) presentó una reducción casi general en comparación con el corte de la Parte A en aluminio. Lo mismo puede decirse para el corte de la Parte B en acero, en comparación con el corte de la Parte A en acero (vea la Figura 8).



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