LIU-IEI-TEK-G--14/00620 SE

2014 Scandinavian Waterjet Association Linköpings universitet, IEI Simon Helgesson Rickard Johansson [Roughing with water jet] - a competitive process Linköping, 2014-06-04 LIU-IEI-TEK-G--14/00620 SE

i

Sammanfattning Examensarbetet som har utförts åt SWA har haft i uppgift att påvisa om vattenskärning är en konkurrenskraftig bearbetningsmetod jämfört med mer inarbetade metoder. Vattenskärningen har jämförts med plasmaskärning, laserskärning och oxyfuel/skärbränning både i teorin och med en konkret testdetalj som tagits fram. Teoridelen i rapporten ger en genomgång av de olika teknikernas funktion samt olika möjligheter och begränsningar för respektive metod. Utifrån teorin arbetades en testdetalj fram för att kunna jämföra snittytornas kvalitet efter bearbetning. När de fyra metodernas begränsningar vägts in återstod vattenskärning och plasmaskärning som möjliga alternativ för tillverkning. Slutsatserna i detta examensarbete påvisar att vattenskärning är en mycket konkurrenskraftig metod som håller ytterst hög kvalitet på skärsnitten samt har stor flexibilitet gällande möjligheten på skärbara material. Skärkostnaden per meter är högre än plasmaskärning, till följd av den lägre matningshastigheten. Utöver detta är vattenskärning en mycket miljövänlig bearbetningsmetod och ställer inte lika höga krav på ventilation- och skyddssystem som plasmaskärning. ii

iii

Abstract The work that has been done to the SWA has been called upon to demonstrate whether water jet is a competitive processing method compared to more established methods. Water cutting has been compared to plasma cutting, laser cutting and oxyfuel cutting both in theory and with a concrete test piece produced. The theoretical part of the report provides an overview of the different technologies function and different possibilities and limitations of each method. Based on the theory a test piece was worked out to compare the cutting surfaces after processing. When the four methods limitations were considered water jet cutting and plasma cutting were the possible alternatives for manufacturing. The findings in this thesis demonstrate that water jet is a very competitive method that has extremely high quality of the cut surfaces and has great flexibility regarding the possibility of cutting materials. The cut cost per meter is higher than plasma cutting, due to the lower feed rate. In addition to this, water jet is a very environmentally friendly processing method and does not require the same high standards for ventilation and protection systems as plasma cutting. iv

v

Förord Rapporten är ett resultat av ett examensarbete som utförts på Linköpings universitet på uppdrag av Scandinavian Waterjet Association. Examensarbetet har utförts av Rickard Johansson och Simon Helgesson som båda går sista terminen på det treåriga högskoleingenjörprogrammet med inriktning på maskin- och produktionsteknik. Examensarbetet omfattar 16 hp och har utförts under cirka 11 veckor. Ett stort tack vill vi ge till Anders Jönsson som varit vår kontaktperson på SWA och då hjälpt oss med uppgiftens omfattning och kontakt ut till företag. Jan-Anders Bengtsson på Widal Industri AB gav oss mycket matnyttig information vid studiebesöket där testdetaljen tillverkades och detta hjälpte oss mycket i vår arbetsgång. Även vår examinator, Mats Björkman, och handledare, Peter Bjurstam, ska ha ett stort tack för hjälp med de frågor vi haft under processen gällande rapportupplägg och tekniska frågor. vi

vii

Innehållsförteckning 1. Inledning... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Syfte... 1 1.3 Mål och effektmål... 1 1.4 Avgränsningar... 1 1.5 Frågeställningar... 2 1.6 Metod... 3 1.7 Diskussion kring källor... 4 2. Teoridel... 5 2.1 Vattenskärning... 5 2.1.1 Hur fungerar det?... 5 2.1.2 Pump... 6 2.1.3 Skärbord... 9 2.1.4 Skärhuvud... 9 2.1.5 Övrigt... 10 2.1.6 Abrasiv och icke abrasiv... 11 2.1.7 Begränsningar och möjligheter... 12 2.1.8 Beräkningsmodell... 13 2.2 Laserskärning... 14 2.2.1 Hur fungerar det?... 14 2.2.2 Begränsningar och möjligheter... 15 2.2.3 Beräkningsmodell... 15 2.3 Plasmaskärning... 16 2.3.1 Hur fungerar det?... 16 2.3.2 Begränsningar och möjligheter... 17 2.3.3 Beräkningsmodell... 18 2.4 Oxyfuel/Skärbränning... 19 2.4.1 Hur fungerar det?... 19 2.4.2 Begränsningar och möjligheter... 20 2.4.3 Beräkningsmodell... 20 2.5 Skärkvalitet... 20 2.5.1 ISO 9013... 20 2.5.2 Kantsprickor... 22 viii

2.5.3 Kvalitetsindelning vattenskärning... 23 2.6 Redogörelse av arbetet... 23 2.6.1 Projektupplägg... 23 2.6.2 Tillvägagångssätt... 24 3. Resultat... 27 3.1 Vattenskärning... 27 3.1.1 Beräkningsresultat... 27 3.2 Laserskärning... 27 3.3 Plasmaskärning... 27 3.3.1 Beräkningsresultat... 27 3.4 Oxyfuel/skärbränning... 28 3.5 Sammanställning av egenskaper... 28 3.5.1 Skärkvalitet vattenskärning... 29 3.5.2 Skärkvalitet plasmaskärning... 30 4. Slutsatser... 31 5. Diskussion... 33 6. Referenslista... 35 6.1 Artiklar och litteratur... 35 6.2 Elektroniska... 35 6.3 Figurer... 37 Bilagor... 39 Bilaga 1, formler för vattenskärning... 39 Bilaga 2, konstanter för laser-, plasma- och oxyfuelskärning... 45 Bilaga 3, beräkningsformler för laserskärning... 47 Bilaga 4, beräkningsformler för plasmaskärning... 49 Bilaga 5, beräkningsformler för oxyfuelskärning... 51 Bilaga 6, G-kod och skärdata från Widal Industri... 53 Bilaga 7, Intervju Widal Industri AB... 61 Bilaga 8, utförda beräkningar för vattenskärning... 63 Bilaga 9, utförda beräkningar för plasmaskärning... 65 Bilaga 10, ritningsunderlag för testdetalj... 67 ix

1. Inledning 1.1 Bakgrund Scandinavian Waterjet Association, SWA, är en oberoende branschorganisation för vattenskärning med ambitionen att utforska och utveckla vattenskärningstekniken i de områden där deras medlemmar kan se mest nytta av det. SWA grundades 1996 och är en ideell organisation med ett brett nätverk av slutanvändare, leverantörer och underleverantörer. Idag finns cirka 80 verkande medlemsföretag i Skandinavien och ett brett kontaktnät inom forskning och utveckling och tack vare detta har SWA blivit skandinavisk vattenskärnings egen branschorganisation med stark legitimitet och självständighet. Examensarbetet grundar sig i en förfrågan från SWA gällande att ta fram material för företagen som är kopplade till SWA som de sedan kan använda för att marknadsföra bearbetning med vattenskärning jämfört med konventionella bearbetningsmetoder. Tanken är att arbetet ska undersöka om vattenskärning är en konkurrenskraftig metod. Vattenskärning är en metod som använder sig av sand och vatten som med högt tryck kan erodera material. Sanden kallas även för abrasivmedel. Vattenskärning används som en skärande metod och påverkar inte kringliggande material med värme eller mekanisk bearbetning. Vattenskärning är en relativt ny metod i förhållande till andra skärande bearbetningsmetoder. Vi kommer att vidare förklara metoden vattenskärning under teoridelen 2.1.1. 1.2 Syfte Ta fram underlag för kostnader och skärkvalitet vid bearbetning med vattenskärning. Underlaget grundar sig i ett konkret case som består av en specifik detalj. 1.3 Mål och effektmål Målet är att ta fram ett bra exempel som kan användas som underlag för att kunna utvärdera när vattenskärning är en lämplig bearbetningsmetod jämfört med traditionella bearbetningsmetoder. Förhoppningen är att företagen kan använda sig av materialet för att enklare kunna motivera vattenskärning som bearbetningsteknik på mässor, seminarier och direkt till kund. 1.4 Avgränsningar Enbart ett case kommer studeras där skärhastigheter, abrasiv- och vattenflöde ej kommer optimeras, utan beräknas enligt företagens skärdata. Dessutom kommer enbart en typ av detalj tillverkas där kvaliteten på snittytorna kommer jämföras. Beräkningarna kommer ske utifrån utvalda beräkningsmodeller. Antalet bearbetningsmetoder som kommer undersökas utöver vattenskärning för att bearbeta vår detalj är begränsat till laserskärning, plasmaskärning och oxyfuel/skärbränning. 1

1.5 Frågeställningar Vad skiljer vattenskärning från andra kända metoder för skärande bearbetning? Med vilken kvalité kan de olika metoderna skära och med vilken hastighet, med tyngd på vattenskärning? Kan vattenskärningsmaskinen vara billigare än maskiner som använder sig av plasmaskärning, skärbrännare eller laser? Kan den detalj som vi utvecklat för tester göras billigare eller snabbare med någon annan av de fyra tidigare nämnda metoderna? 2

1.6 Metod I examensarbetets startskede skapades en strukturmall att arbeta utefter, se figur 1. Som grund i denna mall börjar vi med att bygga upp en teorigrund, dels för att bättra våra kunskaper inom vattenskärning och övriga bearbetningsmetoder och dels för hitta relevanta beräkningsmodeller för bearbetningskostnad. Utifrån den information som hittas kommer en detalj i CAD arbetas fram, som går att tillverka i vattenskärning men även med de andra bearbetningsteknikerna; exempelvis plasmaskärning och laserskärning. Ritningsunderlag för detaljen tas fram och kontakt med företag som har möjlighet att tillverka detaljen etableras. I samband med tillverkningen av detaljen är förhoppningen att kunna göra ett studiebesök och då intervjua operatör och andra inblandade för att diskutera skäroperationerna och parameterval. I första hand kommer en detalj vattenskäras. Detaljerna studeras sedan gällande kvalitet på snitten. Eftersom den vattenskurna detaljen tillverkas först är det denna detaljs skärytor som kommer försöka återskapas med de övriga bearbetningsteknikerna för att då kunna göra en god jämförelse mellan bearbetningskostnader, tillverkningstider etc. som då är nästa steg i arbetet. I beräknings-fasen används de beräkningsmodeller och formler som arbetats fram i teoriramen för att arbeta fram totaltkostnader för skäroperationerna. All fakta och data sammanställs sedan i rapporten. Teoriram Insamlingsprocess av teori kring bearbetningsmetoder och beräkningsmodeller CAD Framtagning av detalj till beräkningsunderlag Tillverkning av detaljer Beräkningar Utförande av beräkningar på bearbetade detaljer Sammanställning Sammanställning av projektets alla delar i en rapport Figur 1. Projektets upplägg. 3

1.6.1 Metod för att hantera rapportupplägg och information För att få ett relevant upplägg på rapporten har vi i projektgruppen diskuterat oss fram till de rubriker vi väljer att ha med. Vi har valt relevanta rubriker som grundar sig på projektets frågeställningar. Sedan behandlar vi varje rubrik var för sig för att lättare kunna få en överblick över hela rapporten redan på ett tidigt stadium. Denna metod kallas Rubrikmetoden och kommer att underlätta för oss då vi kan strukturera upp arbetet på ett effektivt sett. Vi har sedan samlat råinformation under varje rubrik som vi har läst igenom noga. Den information vi sedan hittat relevant för vår rapport har vi bearbetat och byggt vår teoriram på. Teoriramen ligger sedan till grunden för våra diskussioner och slutsatser. Den empiriska delen i vår undersökning har bestått av ett företagsmöte på Widal Industri AB i Getinge. Där var vi på plats när den testdetalj vi utformat skars ut. En semistrukturerad intervju med kvalitet/miljö- och svetsansvarig, Jan-Anders Bengtsson utfördes där förberedde frågor utifrån beräkningsmodellerna besvarades men även nya frågor dök även upp under intervjuen och studiebesökets gång. Frågorna vi hade med oss var baserade på de beräkningar som vi, efter besöket, skulle göra. Se bilaga nummer 7 för frågorna vi ställde och svaren vi fick. Vår undersökning är av kvalitativ karaktär då vi valt att skära ut en testdetalj. Vi valde att använda oss av enbart en testdetalj för att kvalitén inte förändras särskilt mycket på ett litet antal skärningar. Eftersom testdetaljen är utformad på ett sådant sett att flera kvaliterer kommer att undersökas på samma detalj var det inte relevant att skära ut fler av den. Vi fick det resultat vi önskat med testdetaljen, nämligen att med en detalj kunna se vattenskärningens olika kvalitéer. 1.7 Diskussion kring källor Stora delar av den fakta som använts kring bearbetningsteknikerna och dess utrustning har tagits från hemsidor till företag som tillverkar och säljer anläggningar. Vi har bortsett från den säljande delen av informationen som där finns tillgänglig och använt de delar som innehållit ren fakta om den tekniska uppbyggnaden. Information på utslitningstider och reservdelskostnader har varit svåra att hitta på dessa hemsidor, så här har vi fått förlita oss på de intervjuer som utförts på samarbetande företag och från tidigare forskningsarbeten. Vi har även fått ett tidigare forskningsprojekt av vår handledare på SWA som belyser liknande frågeställningar som vårt projekt, gällande beräkningar av skärhastighet och kostnader för vattenskärning. Vi har utgått ifrån att dessa beräkningsmodeller är tillräckligt tillförlitliga. Formler och ingående parametrar samt källor har tydligt studerats för att säkerställa att forskningsprojektet har goda vetenskapliga grunder. På samma vis har även ett antal tidigare examensarbeten gällande kostnadsberäkning för plasma-, laser- och oxyfuelskärning analyserats och använts. Kontakten med företag har gett oss mycket matnyttig information, dels via möten där tekniker och problem har diskuterats och dels via material vi fått med oss efter besök. Även SWA har försett oss med sitt material kring vattenskärning, som vi då anser vara väldigt trovärdigt då de är Skandinaviens branschorganisation i ämnet. 4

2. Teoridel Här kommer de fyra olika bearbetningsmetoderna, vattenskärning, laserskärning, plasmaskärning och oxyfuel/skärbränning, undersökas och presenteras. Den tekniska uppbyggnaden av anläggningarna samt hur skärprocessen går till visas men även teorin bakom de valda beräkningsmodellerna läggs fram. 2.1 Vattenskärning En vattenskärningsanläggning består av ett antal huvudkomponenter; en pump, ett skärbord och ett eller flera skärhuvuden. Vattenskärningsanläggningen kan även utrustas med en hel uppsjö av tillbehör. Dessa detaljer och funktion samt skärprocessen kommer att beskrivas nedan [4-27]. 2.1.1 Hur fungerar det? Med hjälp av det höga trycket som vattenstrålen lämnar munstycket med kan material bearbetas helt utan värmepåverkan. Tack vare detta kan deformationer i skärområdet undvikas, vilket i metalliska material kan leda till mikrosprickor i kringliggande material. I så kallade sandwichmaterial, där olika material blandas lagervis, är en icke värmepåverkande skärmetod enda alternativet då materialen kan ha olika smältpunkt eller känslighet för värmepåverkan. Även i plast och komposit kan värmepåverkan förstöra kanterna då materialet bränns. Kvaliteten på skärytorna blir mycket god och någon efterbearbetande operation behöver därför inte vara nödvändig [2-4-8-9]. Vattenstrålen i sig har kraft nog att skära genom de flesta icke-metalliska material utan att tillsätta något abrasivmedel, dvs. sanden. Men för att kunna skära i metalliska och keramiska material måste abrasivmedel tillsättas i vattenstrålen [4-10]. Vattenskärning utnyttjar erosion i kombination med effekten av mikrobearbetning. Mikrobearbetning innebär att abrasiva partiklar avlägsnar små delar av materialet som bearbetas. Beroende på skärhastighet och skärkraft skapas vinklade strimmor i skärytan, vilket visas i figur 2. Vinkeln på dessa ökar i takt med skärhastigheten, tills vattnet ej längre klarar av att bearbeta genom materialtjockleken. Skärkraften beror på vattentrycket och abrasivmatningen [4-7-8-26]. Figur 2. Strimmorna som skapas i skärytan, högre skärhastighet ger mer vinkel. 5

2.1.2 Pump Pumpen till anläggningen väljs enligt några parametrar som måste klara av att uppfylla de krav tillverkningsprocessen kräver, exempelvis tillräckligt vattenflöde för att kunna driva fler skärhuvuden. Två olika typer av pumpar används i vattenskärningsanläggningar; direct drive och intensifier [26]. 2.1.2.1 Effekt Effekten, i samverkan med vattentrycket och vattenflödet, avgör om det är möjligt att uppnå vald ytfinhet på kanterna, skärhastighet, toleranser och övriga produktionstekniska krav för att få en kostnadseffektiv process [26]. Dessa tre faktorer i samverkan avgör hur stort munstycke du kan använda och hur många munstycken du kan köra samtidigt, vilket har en avgörande roll på bearbetningshastigheten och vilken tjocklek på material som kan bearbetas [26]. Effekten på pumpen anges i antingen hästkrafter eller kilowatt, hk respektive kw. Denna storhet visar den elektriska motorns effekt, och det är alltså denna som skapar kraften för att trycksätta vattnet [26]. 2.1.2.2 Tryck Pumptrycket står i direkt korrelation till skärhastigheten för en vald munstyckesstorlek och antal skärhuvuden. Högre tryck ger högre skärhastighet och vice versa, se figur 3. Dock innebär ett högre tryck även att pumpen får jobba hårdare, och därmed ökar behovet av tätare serviceintervall. Servicekostnaderna får balanseras mot skärhastigheten för att uppnå en ekonomisk avvägning. Pumptrycket anges i bar eller PSI (Amerikanska tillverkare). Grafen nedan visar effekten på skärhastigheten av ökat pumptrycket [26]. Figur 3. Ökat tryck ger ökad skärhastighet. 6

2.1.2.3 Vattenflöde Pumpens effekt och tryck ger oss vattenflödet. Vattenflödet ökar linjärt med effekten, exempelvis en 50 hk-pump ger vid 4137 bar (60 000 PSI) ett vattenflöde på 3,79 liter/minut (1 gallon/minut). En dubbelt så effektfull pump ger också det dubbla flödet, dvs. 7,58 liter/minut [26] Flödet avgör hur många skärhuvuden som maximalt kan användas i kombination med vald pump. Pumptillverkarna anger Maximum Output Pressure och Operating Output Pressure och kopplar dessa till olika vattenflöden. Maximum Output Pressure är det maximala trycket pumpen kan leverera medan Operating Output Pressure är det trycket man kan förvänta sig under en kontinuerlig tillverkningsprocess, och vattenflödet begränsas då av detta. Därför bör pumpvalet baseras på den senare parametern [26]. 2.1.2.4 Munstyckesstorlek och antal skärhuvuden Munstyckets maximala diameter begränsas av hur högt tryck och flöde pumpen kan leverera. Ett större munstycke ger en högre skärhastighet, eftersom ett större volymflöde av vatten då kan uppnås, vilket även innebär att en större mängd abrasivmedel kan transporteras [26]. Fler skärhuvuden innebär att fler detaljer kan skäras samtidigt. Antalet skärhuvuden begränsas också av pumpens kapacitet. Beroende på vilken typ av pump som väljs kan skärhuvudena arbeta med olika detaljer, eller vara tvingade att arbeta parallellt med samma detalj [4-26]. 2.1.2.5 Direct Drive En direct drive-pump får sin drivkraft från en elektrisk motor, som är kopplad till en vevaxel vilken överför sin roterande rörelse till kolvarnas linjära rörelse, se figur 4. Kolvarna trycksätter vattnet likt kompressionscykeln i en bilmotor. Ett högre varvtal ger ett högre vattentryck och flöde [26]. Dessa pumpar har betydligt högre pumpfrekvens än en intensifier. Varvtal upp mot 1750 varv per minut förekommer jämfört med 50-60 pumpslag per minut för en intensifier. Dock används direct drive oftast i anläggningar med lägre tryck (<3800 bar). Möjligheten att använda flera skärhuvuden begränsas av att skärhuvuden kopplade till en direct drive måste skära samma detalj samtidigt då pumpen alltid är trycksatt [10-26]. Både servicekostnader och tidsåtgång för serviceåtgärd är betydligt högre än för en intensifier, då en direct drive har en komplexare uppbyggnad med många rörliga delar som slits. Pumparna har dock en högre effektivitet och låga tryckvariationer [26]. Figur 4. Funktion av en direct drive-pump. 7

2.1.2.6 Intensifier Den mest förkommande pumpen i en vattenskärningsanläggning är en så kallad intensifier. Namnet kommer ifrån det engelska ordet för förstärkning, då pumpen utnyttjar areaförhållande och tryckförstärkningen som uppstår [10-26]. Hydrauliskt oljetryck appliceras på pumpkolvens ena sida som då får kolven i rörelse. Kolvens andra sida, som har mindre area, komprimerar vattnet. Förhållandet mellan dessa areor ger pumpens förstärkningsfaktor, vilket oftast är 20 gångers förstärkning. Pumpfrekvensen för en intensifier är oftast 50-60 slag per minut vid full kapacitet [26]. Som man kan se i figur 5 arbetar pumpen åt båda hållen. (A) Hydraulolja in och (B) hydraulolja ut. Areaförhållande mellan kolvarna (C). (D) vatten in och (E) trycksatt vatten ut. (H) är kolven som rör sig åt höger och (G) är kammaren för vattnet. Oljan förflyttas från ena sidan av kolven till den andra via en växlingsventil när full slaglängd åt ena hållet uppnåtts. Kolven byter då riktning och komprimerar vatten i den andra kammaren. Vattentrycket byggs upp mot munstycket i skärhuvudet och kan bibehållas så länge munstyckets diameter ej överskrider gränsen för hur stort flöde pumpen kan leverera. Överskrids diametern försöker pumpen arbeta snabbare än vad den är designad för och en så kallad over stroke kan uppstå. Ett munstycke med liten diameter ger att pumpfrekvensen blir lägre för att uppnå samma kontinuerliga tryck [26]. Även läckage mellan pumpen och skärhuvudet innebär att trycket vid munstycket minskar, och att pumpen därmed får arbeta hårdare än vad som är nödvändigt [26]. Figur 5. Funktion av en intensifier-pump. 8

2.1.3 Skärbord Storleken på skärborden kan variera ganska mycket. Från bord med mått på 0,5 x 0,5 meter till bord som kan skära detaljer som är 14 meter långa och 4 meter breda. Men det finns lösningar för att skära större delar, då används bord som har rullband eller liknande. Rullband används då oftast till skärning med enbart vatten, alltså utan abrasivmedel [4]. Inom den tvådimensionella vattenskärningen med abrasivmedel läggs materialet på ett speciellt skärbord. Eftersom vattenstrålen är mycket kraftfull är det viktigt att stoppa strålens skärande funktion. För att stoppa upp strålen använder man sig av en bassäng med vatten. Vattnet kommer att absorbera skärstrålens energi på ett effektivt sätt [4]. Då materialet som ska skäras behöver ligga vid bassängens vattenyta krävs att det hålls upp av ett galler. Gallret kommer förstås också att bli påverkat av skärstrålens kraft. Därför kan det vara viktigt att inte alltid skära på samma ställe på skärbordet då gallret snabbt blir slitet. Gallret kommer alltså att behöva bytas med jämna mellanrum på grund av slitage från strålen. För att underlätta monteringen av det material som ska skäras på skärbordet kan man sänka vattennivån i bassängen. Det gör att det blir lättare att fixera materialet i gallret med hjälp av tvingar. Efter monteringen höjer man vattennivån igen för att de skärande munstyckena ska ligga under vattenytan. Det görs för att ljudnivån blir mycket lägre och abrasivmedlet dammar inte lika mycket i omgivningen som det skulle göra om munstyckena vore över vattenytan. Det koordinatsystem som maskinen använder sig av ligger inte permanent i skärbordet utan kan nollställas då det material som ska skäras monteras på skärbordet. Det görs för att maskinen inte alltid ska starta sitt skärande på samma ställe då det sliter mycket på det underliggande gallret. 2.1.4 Skärhuvud Skärhuvudet är den del i anläggningen som skärmunstycket sitter monterat på. Huvudet sitter i sin tur på skärbordets rörliga axlar. 2.1.4.1 Fleraxlighet Att frångå de tvådimensionella skärborden och istället montera vattenskärmunstyckena på en robot som kan arbeta i flera axlar kan vara en bra idé för att öka flexibiliteten med avseende på vad för produkter man kan skära. Ett problem man då får är att strålen inte kan bromsas upp i bassängen som vanligen finns på den tvådimensionella anläggningen. Därför behöver anläggningen en inkapslad cell för att den ska bli säker för omgivningen [4]. Det finns även skärbord som har möjlighet att skära med en viss vinkel, det kan användas då man ska skära ut bitar som senare ska fogas ihop. Här kan även kompensering för den lilla vinkelavikelsen som uppkommer i snittet då man skär tjockt material användas. 2.1.4.2 Flera skärhuvuden Då man vill förbättra produktiviteten på ett skärbord kan flera skärhuvuden monteras. Det vanligaste är att skärhuvudena arbetar parallellt med varandra. Alltså att de sitter på samma positioneringssystem och då kopierar vad det andra skärhuvudet gör. Antalet skärhuvuden bestäms av pumpens maximala flöde vid ett önskat vattentryck. Ju fler huvuden desto högre flöde måste pumpen leverera för att kunna hålla samma tryck [4-27]. 9

Sedan finns det applikationer som göra att man kan styra vart och ett av skärandehuvudena separat, det gör att man kan skära ut samma detalj med två olika skärhuvuden. På stora detaljer kan det göra att produktiviteten ökar, eller så skär man på samma tid men med bättre snittkvalité [27]. 2.1.5 Övrigt 2.1.5.1 Styrenhet och mjukvara Styrenheten till anläggningen innehåller allt från styrsystem till användargränssnitt. Det är här som skärprocessen programmeras, CAD-filer omvandlas till G-kod, material- och skärdata väljs och styrsystemet använder datan för att styra skärbordets axlar, se figur 6. Många tillverkare erbjuder en mängd funktioner i sina styrenheter, exempelvis direktuppkoppling mot teknisk support så diagnostik av anläggningen kan skötas utifrån för att uppträcka fel. Även dataloggning av anläggningens användning av abrasivmedel, vattenåtgång och tid tills service kan visas [26-27]. Mjukvaran programmeras via ett operatörsgränssnitt, där koordinatsystemet för materialet som placerats på skärbordet definieras. Speciella mjukvaror kan användas för så kallad nesting, som innebär att detaljer packas samman på materialets yta för att få så lite spill som möjligt, se figur 6 [26-27]. Figur 6. Bilder på styrskåpet, operatörsgränssnittet samt nesting-mjukvara. 2.1.5.2 Extrautrustning För att kyla pumpen används vatten. Ibland kan det vara nödvändigt att kunna återcirkulera detta vatten, dvs. ej släppa ut det direkt för att minska vattenåtgången etc. Då finns det särskida kylare som då kylar ner vattnet och därmed kan återanvända det [26-27]. Abrasivmedlet blir förorenat med material som bearbetats bort och för att slippa behöva köpa ny sand efter enbart en skärning går det att rena sanden i återvinningssystem. WARDjet hävdar att 60 % av det abrasivmedel som använts går att återanvända. Vid skärning vid hög abrasivmatning kan en investering i ett återvinningssystem vara mycket lönsam [26-27]. Även vattnet kan återanvändas i skärprocessen, men för att undvika att skadliga partiklar tar sig in i pumpsystemet kan ett reningssystem för vattnet krävas. Reningen av vattnet ökar pumpens livslängd, då tätningar etc. ej slits lika hårt och vattnet till och med kan hålla högre kvalitet efter rening än kranvatten [26-27]. 10

Skärhuvudet kan förses med en mängd olika sensorer för att underlätta tillverkningen och även undvika att fel uppstår. Höjd- och kraschsensorer kontrollerar avståndet mellan munstycket och materialet och detta minskar risken för att förstöra munstycket tillföljd av att man kör för nära. Vid skärning av tredimensionell detalj (med exempelvis ett femaxligt skärhuvud) är det extra viktigt med en höjdsensor. Annars kan de snitten som ej är tvådimensionella bli av mycket dålig noggrannhet [26-27]. 2.1.6 Abrasiv och icke abrasiv 2.1.6.1 Munstycken Det abrasiva munstycket består av flera olika delar vilket kan ses i figur 7. Vattnet med högt tryck kommer in i det primära munstycket och koncentreras med hjälp av ett mycket hårt material, se figur 8 för närbild på detta munstycke. Ofta används en safir, rubin eller diamant för att koncentrera strålen. Strålen kommer sedan in i blandningskammaren där abrasivmedlet tillförs. I blandningskammaren bryts vattenstrålen upp till små droppar som i sin tur överför sin rörelseenergi till abrasivmedlet som accelereras till mycket höga hastigheter. Den abrasiva vattenstrålen fokuseras sedan i abrasivmunstycket till en skärande sand och vattenstråle. Den abrasiva vattenstrålen består av ca 4 % vatten, 1 % abrasivmedel och resterande mängd luft [4-7-10]. Både vattenmunstycket och det abrasiva munstycket kommer att slitas och behöver bytas ut med jämna mellanrum. Även andra delar i munstycket kommer att slitas. Det är alltså mycket viktigt att munstyckena ligger i linje med varandra för att vattenstrålen inte ska tappa kraft. Vattenmunstycket väljs mindre än abrasivmunstycket. Ett diameterförhållande mellan de två munstyckena ligger oftast på 3 eller något över [10]. Figur 7. Visar de olika delarna i ett abrasivt skärhuvud. 11

Figur 8. Vattenmunstycket i närbild. 2.1.7 Begränsningar och möjligheter Vattenskärning är en skärmetod som inte arbetar termiskt, dvs. ej utnyttjar värme för att bearbeta materialet. Materialet i snittytorna får därmed ingen värmepåverkan som kan påverka materialets egenskaper negativt, utan det ingående materialet till skäroperationen har samma egenskaper som det utgående. Bearbetningen har ingen mekanisk påverkan på materialet, eftersom ingen fysisk kontakt förekommer, tillskillnad från exempelvis fräsning där skärstål nöter mot materialet och där kan skapa påfrestningar och spänningar i materialet [2-4-8-9-10-21-22]. Snittytorna får hög kvalitet vilket innebär att efterbearbetning oftast ej är nödvändig. Inget slagg eller smält material behöver tas bort. Kvaliteten på dessa snitt håller lika hög kvalitet som ISO 9013 bästa kvalitet, som finns att läsa mer om under 2.5 Skärkvalitet [2-4-8-9-10-21-22]. Ett visst vinkelfel kan uppstå på snitten, men i en korrekt inställd skäroperation är dessa försumbart små och kräver inga efterbearbetande operationer [7-9-20]. Då inga gaser används vid skärning och inget material värms till sådana temperaturer att de förångas förekommer inga skadliga gaser och ångor som skulle kunna skada operatör och miljö [4-6-10]. Vid service av skärhuvudet, där vatten- och abrasivmunstycke exempelvis byts, krävs ingen väntetid för att maskinen ska svalna så delarna får hanterbara temperaturer. Servicen går därmed att utföra direkt efter skäroperation och stilleståndstiden blir därmed minimal. Vattenskärning klarar att skära nästintill alla material, ett av de få undantagen är härdat glas. Även så kallade sandwich-material går utmärkt att bearbeta. Dessa material är flera olika material som är sammansatta i skikt, t.ex. cellplast mellan aluminiumplåtar. En termisk skärprocess skulle smälta cellplasten, och därmed helt förstöra materialet [4-6-8-9-10-21]. 12

2.1.8 Beräkningsmodell 2.1.8.1 Teori De beräkningsmodeller som används för vattenskärning i denna rapport är baserade på de modeller som tagits fram i forskningsrapporten CUT-Competitive Use of Waterjet Technology. Kostnaderna redovisas i kr/m [5]. Grundtanken i de modeller som tagits fram är att skapa en så bra ekonomisk modell av abrasiv vattenskärning att det är möjligt att förutse hur en användare, för ett specifikt material och en viss maskinkonfiguration, skall ställa in sin maskin för att utföra det tänkta jobbet till så låg kostnad som möjligt. vilket passar vår uppgift väl [5]. Viktigt att ta hänsyn till vid beräkning är den tillgängliga pumpeffekten, maximalt antal munstycken och maximalt tryck [5]. 2.1.8.2 Skärhastighet Modellen för skärhastighet är framtagen i forskningsprojektet utifrån en tidigare modell, som tyvärr ej gav användbara resultat vid skärning i material tjockare än 30 mm, felaktigt förhållande mellan abrasivmatning och skärhastighet samt fungerade endast för vattentryck upp till 3500 bar [5]. Utifrån empiriska försök i forskningsprojektet på skärdjup m.m. togs en bättre modell fram som presenteras i Bilaga 1 i vår rapport [5]. Alla material har ett bearbetningstal, N m, som avgör hur svårbearbetat materialet är. Ett lägre tal betyder högre motstånd mot erosionsprocessen. Modellen utgår ifrån detta tal samt abrasivfaktorn, f a, som bestämmer avverkningsegenskaperna för abrasivmedlet [5]. Denna modell utgör basen för att påvisa förändringar utav olika parametrar påverkar skärhastigheten; och där med också skärkostnaden [5]. 2.1.8.3 Ekonomi Kostnaden för pumpunderhåll har i forskningsrapporten baserats på en intensifier-pump på 50 hk under pumpens 10 000 första drifttimmar. Antaganden att underhållskostnaderna är proportionella mot vattenflöde och pumpens maxeffekt har gjorts [5]. Kostnaderna delas upp i fasta och rörliga. Där de fasta är oberoende av användande av utrustningen, exempelvis lokalhyra och investeringskostnader [5]. De rörliga kostnaderna är starkt beroende av hur maskinen används. Det innefattar kostnader för förbrukningsvaror (energi, vatten och abrasivmedel) men även kostnader för reservdelar och underhåll [5-12]. För att uppnå en optimal skäroperation kan parametrar förändras efter tre olika mål; antingen att maximera produktionshastigheten (maximera skärhastigheten) eller minimera de rörliga kostnaderna (skärparametrar som sliter lite på anläggningen). Det tredje alternativet är att även försöka minimera de fasta kostnaderna. Vilket man väljer att optimera efter beror helt på beläggningen av vattenskärningsanläggningen [5]. 13

Kostnader är framtagna via intervjuer som utförts på Widal Industri AB och från tidigare forskningsprojekt. 2.1.8.4 Samband Här redovisas vissa samband som förändring av de olika skärparametrarna ger upphov till. Hämtat från forskningsrapporten CUT [5]. Högre pumptryck ger; högre skärhastighet högre vattenflöde (se nedan) högre driftskostnader i kr/h genom ökat pumpunderhåll. Högre vattenflöde ger; högre möjlig abrasivmatning högre skärhastighet pga. den högre möjliga abrasivmatningen högre driftskostnader i kr/h genom ökat pumpunderhåll Högre abrasivmatning ger; högre skärhastighet upp till mättnadspunkten en direkt högre kostnad i kr/h pga. högre abrasivmedelsförbrukning. ett större abrasivmunstycksslitage, d v s en högre munstyckskostnad i kr/h. Antal munstycken och munstycksstorlek ger; Olika skärhastigheter och totala skärtider vid olika kombinationer. Något högre investering om maskinen ska utrustas med flera munstyckspositioner. 2.2 Laserskärning 2.2.1 Hur fungerar det? Vid skärning med laser används främst två typer, CO 2 - eller Nd:YAG-laser. Laserstrålen fokuseras på en väldigt liten yta på materialet som ska skäras med hjälp av linser och speglar. Effektintensiteten på materialet kan bli så stor som 1 MW/mm 2 och detta smälter eller förångar de flesta materialen. När laserstrålen skurit genom materialet levereras en hjälpgas genom skärmunstycket som förflyttar det smälta materialet från skärspåret. Delarna syns i figur 9 där (A) är laserstrålen som fokuseras genom linsen (E) och sedan vidare genom munstycket (C). Gas tillförs från (B) och strålen skär genom materialet (D) [2-6-13]. Skillnaderna i våglängd mellan CO 2 - och Nd:YAG-laser medför att ljuset överförs till arbetsstycket på olika vis. Nd:YAG kan tack vare sin korta våglängd använda fiberoptik vilket även möjliggör skärning i tre dimensioner samt tillputsning av detaljer. Nd:YAG kan arbeta pulserande eller med kontinuerlig vågpuls. Med den kontinuerliga vågen skär lasern ett sammanhängande snitt, medan med pulserande borras överlappande hål [13]. CO 2 -laser har en längre våglängd och kan därför ej använda fiberoptik. Istället transmitteras ljuset via speglar och optiska linser. Detta begränsar CO 2 -laser till tvådimensionella skärningsprocesser [13]. Laserskärningsprocessen är möjlig tack vare att ljuset kan fokuseras till en ytterst liten punkt (mindre än 0,5 mm i diameter) och därmed uppnår en hög effektintensitet på materialet. Detta gör att man kan skära med hög hastighet och i kombination med att enbart en liten punkt blir utsatt för den höga effekten blir värmepåverkan i materialet kring snittytorna låg [6-13]. 14

De gaser som används vid laserskärning delas in i två huvudtyper; inert eller reaktiv. Den inerta gasen består oftast av kväve eller argon och används endast för att transportera bort förångat material och påverkar ej värmeutvecklingen. Inerta gaser arbetar vid höga tryck, runt 10 bar, och används till rostfritt stål, aluminium och titan [6-13]. Reaktiv gas är den som oftast används och består av syre eller luft. Syret används för att uppnå högre temperaturer och därmed högre skärhastigheter, oftast i låglegerat stål. Den högre temperaturen medför även att tjockare material kan skäras, upp till cirka 25 mm i tjocklek. Laserskärning i aluminium upp till dessa materialtjocklekar är dock ej tillämpbart [13]. Figur 9. Skärhuvudets delar vid laserskärning. 2.2.2 Begränsningar och möjligheter Laserskärning används främst i aluminiumtjocklekar upp till cirka 8 mm, sedan uppstår flera olika problem. Återreflektering uppstår av laserstrålen vilket innebär att genombearbetning blir avsevärt svårare och matningshastigheten därmed kraftigt måste reduceras. Även aluminiumoxiden bildar som ett tätande skikt i skärspåret och hindrar skärgasen från att transporteras till själva aluminiumet. Detta minskar skärhastigheten ytterligare och gör att laserskärning då ej blir ekonomiskt [2-6]. Under 8 mm tjocklek kan laserskärning hålla hög matningshastighet och snittkvaliteten blir mycket hög. Dock förekommer en viss värmepåverkan i snittet som kan kräva att efterbearbetning sker och även att materialegenskaperna förändras som då kan ge problem med hållfasthet och sprickor efter lång tid [6]. Tekniken klarar att skära många material; metaller, keramik, polymerer, naturmaterial och gummi. Men material som är kraftigt reflekterande, t.ex. glas, samt sten är svårbearbetade [2]. Eftersom materialet förångas vid de höga temperaturer som uppstår kan giftiga ångor spridas som kan vara mycket skadliga för både operatör och miljö. Dessutom är laserljuset mycket intensivt och måste därmed väl avskärmas från omgivningen. Skulle ljuset inte avskärmas kan operatörens syn allvarligt skadas [6]. 2.2.3 Beräkningsmodell Eftersom laserskärning inte rekommenderas för aluminiumbearbetning över cirka 8 mm tjocklek finns ingen tillverkare som kan erbjuda en anläggning som klarar att skära ut vår testdetalj. Beräkningar på laserskärning har därmed ej utförts, men beräkningsmodellen har vi valt att behålla i 15

bilaga 3, för att kunna användas som beräkningsunderlag vid framtida projekt där andra detaljer bearbetas [13]. 2.3 Plasmaskärning 2.3.1 Hur fungerar det? Plasmaskärningen fungerar genom att en elektrisk gnista värmer upp gas som sedan trycks med hög fart mot det arbetstycke som ska bearbetas. Figur 10 visar skärhuvudets delar där (A) är elektroden som ger en gnista till materialet. (B) Gasen som matas in med högt tryck och som med hjälp av gnistan blir uppvärmd till plasma. (C) Gas eller vatten som sköld för plasmastrålen. (D) Materialet som ska bearbetas skärande. (E) Den elektriska gnista som skapar den värme som behövs för att upphetta gasen B till plasma. Gasen kommer upp i temperaturer kring 30 000 C. För att den gas som blir varm och kallas plasma ska bli stabilare kan en annan gas eller vatten användas som ett yttre lager. Det leder till skarpare och mer exakta snittytor. Tack vare att den gas som används som plasmagas leder ström så följer gnistan gasen ner till arbetstycket. Då gasen hettar upp materialet som ska bearbetas smälter det och tack vare det tryck som gasen ger så spolas det uppvärmda materialet iväg från arbetstycket [2-3-6-13-17-23]. Den sekundära gasen som används kan på engelska kallas för shield, alltså sköld (i figur 10 ser vi den som C). I både den primära gasen och den sekundära skölden kan olika gas användas, här finns det alltså en stor mängd valmöjligheter beroende på vad det är som ska skäras [13-17-23]. En viktig sak att tänka på med plasmaskärning är att eftersom en gnista behövs så måste det material som ska bearbetas vara elektriskt ledande. Man kan alltså inte skära i material som inte leder ström så som gummi och trä [3-17-23]. Eftersom materialet värms upp kraftigt får de kanter, som blir kvar efter att man skurit, en viss värmepåverkan. Det kan göra att eventuella härdningar i materialet försvinner och får göras om, vilket inte alltid är önskvärt [3-6-13-17-23]. Figur 10. Visar munstycket på en plasmaskärande maskin i genomskärning. 16

2.3.2 Begränsningar och möjligheter Som tidigare nämnts måste materialet som bearbetas med plasmaskärning vara elektriskt ledande. Detta är en stor begränsning med denna teknik vilket innebär att exempelvis kompositer, trä och plastmaterial ej kan bearbetas och produktionen blir inte lika flexibel som med exempelvis vattenskärning. Värmepåverkan på snittytorna blir kraftig, då temperaturer upp till 30 000 C kan förekomma och då förändras materialstrukturen genom exempelvis korntillväxt och martensitbildning som då ger ett sprött och hårt material, vilket kanske inte är önskvärt och efterbehandlande processer för att återställa materialstrukturen kan vara nödvändiga [3-6-13-17-22-23]. Vid försök gjorda i The Fabricator fick skärytorna på en 6,3 mm aluminiumplatta grova skärytor, mikrosprickor och porositet vilken skärgas etc. som än provades. Ytan blev dessutom belagd med oxid som kraftigt påverkar detaljens svetsbarhet [3]. I tjocka material blir genomskärningstiden hög vilket då resulterar i att det avverkade materialet inte har någonstans att ta vägen och slagg bildas på ovansidan [3-23]. Under plasmaskärningsprocessen uppstår giftiga gaser som är både hälsofarliga och explosiva. De giftiga gaserna kan ge upphov till långvariga lungskador och vara direkt livshotande. Mycket goda ventilationsmöjligheter bör därför finnas i anslutning till plasmaskärningsanläggningen [6-17-23]. Plasman utstrålar mycket starkt infrarött och ultraviolett ljus som kan allvarligt skada synen samt ge upphov till cancer, men även ge brännskador vid hudkontakt [6-17-23]. Till följd av de extremt höga bearbetningstemperaturerna blir både arbetsstycke och skärhuvud extremt varma. Brännskador kan därför uppstå om kontakt med dessa sker för kort tid efter skäroperation, vilket då ger väntetider för att kunna utföra service etc. Varma gnistor sprids även under skärning som då kan antända kringliggande material [6-17]. Kvaliteten på skärytorna blir något sämre än med laserskärning och vattenskärning. Ytorna blir ganska grova samt att ytan ej blir helt vinkelrät. För att komma upp i tillräckligt hög kvalitet vid bearbetning i aluminium krävs enligt många standarder att skärytan mekaniskt bearbetas ungefär 3 mm för att få bort mikrosprickorna, slagg och övriga ojämnheter. Materialet blir då utsatt för mekanisk påfrestning vilket kan ge spänningar i materialet. Skärspårsbredden blir även större vilket ger högre materialspill, vilket kan bli kostsamt om dyra material bearbetas. Matningshastigheten kan dock hållas betydligt högre vilket håller ner skärkostnaderna [2-3-6-16-17-22-23]. Matningshastigheten ges från anläggningstillverkarens skärdatatabeller, både högre och lägre hastighet ger lägre kvalitet på snittet, vilket kan ses i figur 11, 12 och 13 [16-17]. Figur 11. För hög skärhastighet, spillmaterial i underkant av skärsnittet. 17

Figur 12. Rekommenderad skärhastighet ger bästa snittet. Figur 13. För låg skärhastighet, tydligare och grövre skärlinjer. Hastigheten påverkar även rakheten på snitten. Snittytan får en högre vinkel jämfört med materialets toppyta vid ökad matningshastighet, se figur 14. Detta kan skapa problem med passning mot andra detaljer längre fram i produktion [16-17]. Figur 14. Skärhastighetens påverkan på skärspårets vinkel. 2.3.3 Beräkningsmodell För att kunna utnyttja beräkningsmodellen i Bilaga 4 måste ett antal variabler tas fram, dessa variabler har vi valt att hämta från ett tidigare examensarbete då dessa ger en bra referens för kostnaderna. Detta är bland annat gaskostnader och reservdelspriser. Kostnaderna är omräknade från Euro till Svenska kronor, växlingskurs 9,11 [1-11-12-13-19-25]. För att beräkna skärhastighet för olika kvaliteter på skärytan används skärdatatabeller från anläggningstillverkare etc. och den rekommenderade skärhastigheten kommer att utgås ifrån. Denna hastighet ger den bästa ytan enligt tillverkarna och vi kommer använda denna som referens vid diskussion och slutsatser [14-15]. 18

2.4 Oxyfuel/Skärbränning 2.4.1 Hur fungerar det? Principen för att skära med gas är att hetta upp materialet till den temperatur då metallen reagerar kraftigt med syre. Då metallen reagerar bildas det oxid, oxid är lättare att bearbeta och det syre som sprutas ut i munstycket kommer att kunna skära genom den del av materialet som blivit oxid. I figur 15 visas hur ett skärande munstycke förenklat fungerar, där (A) är syrgas och (B) den förvärmande gasen. (C) är en förvärmande låga som värmer(d), arbetsstycket som ska bearbetas skärande. (E) är den skärande syrgasjetstrålen. [2-13]. Figur 15. Visar ett skärande munstycke i genomskärning. Den här tekniken lämpar sig bra för stål och järn, då järn reagerar med syret och bildar järnoxidslagg. Alltså lämpar sig metoden i praktiken bäst för låglegerade stål. Att skära tjocklekar på mer än 250 mm kan vara svårt då ytorna inte blir särskilt bra i jämförelse med till exempel vattenskärning. Dock är metoden ganska snabb. Däremot blir materialet man skär i upphettat kraftigt och kommer därmed också att få andra egenskaper som kanske inte alltid är önskvärda. Till exempel att härdning, som gjorts på materialet innan kapningen, försvinner [13-20]. Det finns några vanliga utföranden av munstyckena som skär, se figur 16. (A) är utlopp för gasen till värmelågan och (B) är utlopp för skäroxygen. Exempel på två munstycken är sticklågemunstycke (till vänster) och ringlågemunstycke (till höger) [13]. Figur 16. Visar de två vanligaste munstyckena för skärande bearbetning med gas. 19

2.4.2 Begränsningar och möjligheter Den skärande bearbetningen sker här med hjälp av förbränning, det innebär att metallens oxider måste ha en lägre smälttemperatur är den rena metallen. Något som till exempel aluminium, rostfritt stål och koppar inte har. Alltså går dessa material inte att skära med oxyfuel [2-13]. Då skärprocessen är en termisk process kommer kanterna att bli påverkade av värmen som bildas då materialet ska förbrännas. Det gör att materialet kan få andra egenskaper vid snittytan, eftersom eventuell härdning kommer att släppa. Det kan i sin tur leda till att vidare bearbetning av produkten kan komma att behövas [2-13]. En oxyfuel anläggning är oftast billigare vid inköp än tillexempel en laserskärningsmaskin eller en plasmaskärningsmaskin. Då det inte finns stora krav på snittytorna kan tekniken både vara snabb och ekonomisk [2-20]. Det är viktigt att den yta där snittet ska göras är ren från smuts och föroreningar i form av rost och glödskal. Därför kan man behöva blästra materialet innan snittet läggs [13-20]. 2.4.3 Beräkningsmodell Eftersom Oxyfuel använder sig av en teknik där den oxidering som bildas, då gasen reagerar med metallen, bränns bort går den tekniken inte att tillämpa på aluminium. Aluminium bildar en oxid som kommer att agera som ett eldfast skal. Oxiden har en smältpunkt på ca 2050 C medan aluminium smälter vid ca 660 C. Det gör att tekniken som oxyfluel använder sig av inte är tillämpbar på den testdetalj vi valt att använda. Vi har valt att spara formlerna för beräkning av skärkostnader för oxyfuel i bilaga 5 [13]. 2.5 Skärkvalitet 2.5.1 ISO 9013 ISO 9013 är en industriell standard som används internationellt för att standardisera mätningen av en termisk skärprocess. Den tar hänsyn till tre olika begrepp, sågspåret, skärkantens kvalité och kantens kvadraticitet. Dessa delas in i fem olika kvaliteter, där 5 är den sämsta och 1 den bästa [24]. 2.5.1.1 Sågspåret Sågspåret definieras som den bredd spåret har då det är som bredast i millimeter. Det ger alltså en indikering för hur små innerradier man kan såga med metoden. Se figur 17 där (A) är största bredden för spåret, (B) är skärspåret och (C) är materialet som skärs [13]. Figur 17. Visar hur mätningen för spåret görs. 20

2.5.1.2 Skärkantens kvalité Skärkantens kvalité ger en indikering på hur slät ytan blir som skurits ut och kan ge en ytterligare indikering om vidare efterbearbetning är nödvändig efter att den skärande processen är klar. Ytan mäts med hjälp en nål som registrerar de gropar den stöter på då den förs över snittytan, likt nålen på en skivspelare sparas resultatet och kan sedan användas för att få fram ett R Z värde. ISO 4827-1 beskriver parametrarna för att ta fram ytjämnheten. Figur 18 visar hur mätningen av ytan går till. (A) visar snittytan och (B) används för att ytterligare standardisera mätningen genom att ytjämnheten ska mätas på 2/3 av materialets tjocklek med utgång från den övre ytan [13-24]. Figur 18. Mätningsmetod för skärkantens kvalité. Kantens kvadraticitet Kantens kvadraticitet ger en fingervisning om hur bra olika komponenter kommer att passa ihop med varandra efter skärande bearbetning. Om inte passformen är till belåtenhet kan ytterligare en bearbetningsprocess vara nödvändig. Figur 19 visar hur denna mätning går till. (A)är den yta som använd för mätningen. (B) är toleransen mellan den yttersta och den innersta ytan i snittet A. (C) är en yta som inte ingår i den yta som används för mätningen av B. C varierar med tjockleken på biten som skurits. (D) är den skurna detaljen [13-24]. Figur 19. Visar en yta vid ett snitt i genomskärning. 21

2.5.2 Kantsprickor I en termisk skärprocess finns en överhängande risk att materialet påverkas av värmen. Värmen kan leda till små sprickor i materialet tillföljd av inneslutna spänningar. Risken är störst i höghållfasthetsstål och vid skärning med gasbrännare, då mest värme då överförs till materialet [13]. Vätemängden i stålet och tjockleken på materialet avgör hur stor risken för kantsprickor är. Det finns ett antal olika typer av kantsprickor, t.ex. mikrosprickor som oftast uppstår i mitten av materialets tjocklek. Längden på dessa sprickor kan variera från mindre än 1 mm till cirka 40 mm och bredden är oftast inte mer än någon millimeter, parallellt mot ovansidan av det bearbetade materialet vilket gör dem ytterst svåra att upptäcka visuellt. För att detektera sprickorna krävs ultraljudsundersökning [13]. Vidgar sig sprickorna vid skärkanten så kan de då bli tydligt synliga. Ett helt nytt snitt eller efterbearbetning kan då bli nödvändigt för att få tillräcklig kvalitet på snittet. Är sprickan ej synlig kan den fortsätta växa (upp till 1 meter i längd är fullt möjligt), ändra riktning och nå materialets yta. Hela stycken av material kan klyvas till följd av detta. Beroende på vad för material som skärs kan dessa sprickor växa till sig under olika lång tid. När materialet svalnar så kan sprickorna bli synliga efter några timmar, men det kan även dröja upp till 6 månader efter skäroperationen innan de syns, denna utvidgning kan ses i figur 20. Där (A) är direkt efter skäroperation. Vid (B) svalnar materialet och spänningarna gör så sprickorna breder ut sig. (C) är lång tid efter skärningen, sprickorna har tagit sig genom materialet och vidgat sig och är först nu synliga [13]. Ska den utskurna detaljen sedan svetsas byggs nya spänningar in i materialet och de sprickor som då uppstod i skärprocessen kan åter börja växa till sig [13]. För att undvika kantsprickor är det enklaste sättet att använda en icke termisk skärprocess, exempelvis abrasiv vattenskärning. Ett annat alternativ är mycket långsam nedkylning av materialet, något som ökar ledtiden för en tillverkad detalj avsevärt. För att säkerställa avsaknaden av sprickor i detaljen är det rekommenderat att tiden mellan skärprocessen och inspektionen är så lång som möjligt [13]. Figur 20. Kantsprickornas utbredning sett i genomskärning av materialet. 22

2.5.3 Kvalitetsindelning vattenskärning Vattenskärningens snittkvalitet delas in i fem nivåer, Q=1,2,3,4,5. Laserskärning och vattenskärning ligger inom ungefär samma toleransnivå, vilket då ger oss att vattenskärningens medelkvalitet håller ungefär samma kvalitet som ISO 9013 bästa. Se figur 21 [4-7-8-9-18-21]. Figur 21. ISO 9013 kvalitet med olika skärmetoder. 2.6 Redogörelse av arbetet 2.6.1 Projektupplägg Projektet inleddes via ett möte med Anders Jönsson från Swedish Waterjet Association den 26 februari 2014. Vid mötet gavs en genomgång av tanken med projektupplägget och ungefärlig tidspunkt för start av arbetet. Den 14 mars hölls ett telefonmöte med Anders Jönsson där projektets utformning närmare bestämdes samt sammarbetande företag inom vattenskärning diskuterades. Mjölby Vattenskärning AB var första alternativet för samarbete vid skärning av beräkningsdetaljen. Efter telefonmöte med Christer Magnusson på Mjölby Vattenskärning den 18 mars verkade han positiv till samarbetet. Dock visade det sig att företaget hade mycket att göra för tillfället och därmed ej kunde hjälpa till. Företaget Widal Industri AB i Getinge kontaktades istället och ett studiebesök anordnades den 28 april. Testdetaljen som vi tidigare utarbetat skars ut och en hel del frågor som uppstått under vår uppbyggnad av teoriramen blev besvarade. Vi fick här en fördjupad förståelse för hur en vattenskärningsmaskin fungerar i praktiken. Vi gjorde även en intervju med Kvalitet/Miljö och Svetsansvarig, Jan-Anders Bengtsson om priser på reservdelar och tider på reservdelsbyten och service med mera. 23

Då vi sedan har all data vi behöver för att kunna använda oss av de beräkningsmodeller vi tidigare i projektet nämnt började en tid av beräkningar och hantering av formler. Här har vi försökt att jobba mot en struktur som gjort de olika skärteknikerna så jämförbara som möjligt. 2.6.2 Tillvägagångssätt Här presenterar vi hur vår testdetalj utvecklades. 2.6.2.1 Detaljkonstruktion Eftersom vi vill undersöka vattenskärningens olika kvalitéer utformade vi själva en testdetalj som på ett pedagogiskt vis kunde åskådligöra hur de olika ytorna ser ut beroende på skärhastighet och kvalité. Då vi vill visa fem kvalitéer gjorde vi testdetaljen femkantig, vi markerade även de olika ytornas skärkvalité med siffror på ovansidan. Siffrorna på ovansidan är även de utskurna med vattenskärning, de är alltså inte genomgående utan bara graverade på ytan. Figur 22 visar detaljen, från CAD-modell i Creo Parametric till färdigtillverkad detalj. Figur 22. Visar processen från cad-modell (figur till vänster) sedan ritning (figuren i mitten) och till sist färdig produkt (figur till höger). 2.6.2.2 Studiebesök Widal Industri Den 28 april besöktes Widal Industri i Getinge för att vattenskära ut den detalj som tidigare ritades upp i Creo Parametric. Jan-Anders Bengtsson, Kvalitet/Miljö- och Svetsansvarig, hjälpte oss med detta och hade tagit fram skärdata för att uppnå de kvaliteter i skärsnitten som vi ville uppnå. CADmodellen hade konverterats till G-kod till vattenskärningsanläggningens styrsystem. Tiden för de olika skärsnitten mättes utöver de skärdata som vi fick. All skärdata och koden redovisas i bilaga 6 och tillverkningen kan ses i figur 23. Detaljen skars ut i en anläggning från Water Jet Sweden som drevs av en 100 hk intensifierpump. Materialet som bearbetades var 30 mm tjock aluminium av standardkvalitet. Trycket, vattenflödet och abrasivmatningen var samma på alla skärytor och den enda parametern som förändrades var matningshastigheten. Högre matningshastighet gav en lägre skärkvalitet. Frågor som uppstått under uppbyggnaden av teoriramen gällande reservdelskostnader, servicetider och intervall m.m. fick vi även besvarade. Frågor och svar finns i bilaga 7. 24

Figur 23. Tillverkning av detaljen med hjälp av vattenskärning på Widal Industri AB. 25

26

3. Resultat 3.1 Vattenskärning 3.1.1 Beräkningsresultat Beräkningar för fasta och rörliga kostnader har tagits fram oberoende av skärhastigheten. Dessa har sedan summerats för att få fram en total timkostnad för anläggningen. Utifrån timkostnaden har skärkostnaden per meter tagits fram för de olika skärkvaliteterna och skärhastigheterna. Alla variabler och formler finns specificerade i bilaga 1 och beräkningarna finns i bilaga 8. 3.1.1.1 Rörliga kostnader De rörliga kostnaderna är en sammanställning av de kostnader som är förknippande med inköp av komponenter, kostnader för arbete och driftstopp. De rörliga kostnaderna kommer bli sammanlagt 296 kr/h. För att se vad som ingår närmare, se bilaga 8. 3.1.1.2 Fasta kostnader De fasta kostnaderna består av investering av anläggningen, hyra för den yta som maskinen behöver samt kostnaden för operatören. Den fasta kostnaden blir då 642 kr/h. För att se vad som ingår närmare i beräkningarna se bilaga 8. 3.1.1.3 Total timkostnad Den totala timkostnaden blir då alltså 938 kr/h. Den kostnaden har sedan räknats om till en kostnad per meter med de fem olika skärkvalitéer som vi undersökt. Se figur 24. För att närmare se vad som ligger till grund för dessa siffror se bilaga 8. Kvalitet/Kostnad Vattenskärning Q=1 312 kr/m Q=2 242 kr/m Q=3 174 kr/m Q=4 109 kr/m Q=5 78 kr/m Figur 24. Skärkostnad per meter vid vattenskärning. 3.2 Laserskärning Skära med laser fungerar bra i låglegerat stål upp till cirka 25 mm och i aluminium upp till ungefär 10 mm. Aluminium reflekterar ljuset effektivare än stål och det blir därför svårt för lasern att få fokus på materialet och effektintensiteten minskar. Som teoridelen påvisade är laserskärning ej ett lämpligt alternativ som tillverkningsprocess av vår testdetalj då detaljens tjocklek överstiger laserns kapacitet. 3.3 Plasmaskärning 3.3.1 Beräkningsresultat Beräkningar för fasta och rörliga kostnader har tagits fram oberoende av skärhastigheten. Dessa har sedan summerats för att få fram en total timkostnad för anläggningen. Utifrån timkostnaden har skärkostnaden per meter tagits fram för de olika skärkvaliteterna och skärhastigheterna. Variabler samt formler återfinns i bilaga 2 respektive 4 och beräkningar med ingående värden återfinns i bilaga 9. 27

3.3.1.1 Rörliga kostnader De rörliga kostnaderna är en sammanställning av de kostnader som är förknippande med inköp av komponenter, kostnader för arbete och driftstopp. De rörliga kostnaderna kommer bli sammanlagt 341,47 kr/h. För att se vad som ingår närmare, se bilaga 9. 3.3.1.2 Fasta kostnader De fasta kostnaderna består av investering av anläggningen, hyra för den yta som maskinen behöver samt kostnaden för operatören. Den fasta kostnaden blir då 642 kr/h. För att se vad som ingår närmare i beräkningarna se bilaga 9. 3.3.1.3 Total timkostnad Den totala timkostnaden blir då alltså 983,47 kr/h. Den kostnaden har sedan räknats om till en kostnad per meter med den rekommenderade skärhastigheten vi utgått ifrån. Se figur 25. För att närmare se vad som ligger till grund för dessa siffror se bilaga 9. Kvalitet/Kostnad Q=Rekommenderad Plasmaskärning 10,3 kr/m Figur 25. Skärkostnad per meter vid plasmaskärning. 3.4 Oxyfuel/skärbränning Som teoridelen påvisade är oxyfuel ej ett lämpligt alternativ för tillverkningsprocess av vår testdetalj eftersom skärning av aluminium ej är möjligt på grund av det oxidskikt som bildas har betydligt högre smältpunkt än aluminiumet. 3.5 Sammanställning av egenskaper Efter att ha gått igenom teorin för de olika bearbetningsmetoderna är resultatet att enbart två metoder var lämpliga, där den ena var vattenskärning och den andra plasmaskärning. Utöver kostnaderna per skärmeter presenterar vi här viktiga egenskaper för dessa bearbetningsmetoder som starkt påverkar valet av metod. Se figur 26 och 27. Vattenskärning Plasmaskärning Skär icke metalliskt material Ja Nej Skär material som består av flera lager Ja Nej Skär lätt kompositmaterial Ja Nej Orsakar värmeverkan på materialet Nej Ja Orsakar gradbildning Nej Ja, vid vissa hastigheter Kräver efterbearbetning Nej Ja Snävaste toleransen 0,1-0,3 mm 0,2-0,5 mm Skapar giftiga gaser Nej Ja Figur 26. Egenskaper för skärmetoderna. 28

Figur 27. Toleranser och skärspårsbredd för skärmetoderna, för att ge en fingervisning om skillnader i maximalt uppnåbara toleransområden. 3.5.1 Skärkvalitet vattenskärning Vattenskärningen ger ett skärsnitt som är helt opåverkat av värme och mekanisk stress. Ytan får en ytfinhet som oftast ej kräver någon efterbearbetande operation. Eftersom det finns fördefinierade kvalitetsnivåer på skärsnitten kan processen användas för att enkelt uppnå de krav som ställs på detaljen, kvaliteten på skärsnitten för vår detalj kan ses i figur 28. Figur 28. Testdetaljens skärsnittskvalitet. 29

En viss vinkel kan förekomma på snittet, men med en korrekta skärdata är denna så liten att tillräckliga toleranser ändå kan uppnås, se figur 29 för vinkelfelet på Q=5 på vår testdetalj. Figur 29. Vinkelfelet på Q=5-snittet, nästintill obefintligt. 3.5.2 Skärkvalitet plasmaskärning Teorin kring plasmaskärningens snittkvalitet har visat att materialet i ytorna blir kraftigt värmepåverkade vilket kan ge exempelvis sprött material, oxidbildning och mikrosprickor. Stor mängd spillmaterial kommer uppstå då både skärspårsbredden får stor diameter samt efterbearbetande operationer kan komma att krävas beroende på toleranskrav på detaljen och efterkommande steg i produktionsprocessen. Enligt ISO 9013, den internationella standarden för termiska skäroperationers skärsnitt, och fakta hämtad från tillverkare klarar en plasmaskärare att komma ner till kvalitetsnivå 2 eller 3, där då 5 är den sämsta kvaliteten och 1 den bästa. Detta innebär att ytjämnheten blir ganska grov och snäva passningstoleranser blir svåra att uppnå. Då snittet får en vinkel måste detta kompenseras för så att detaljen ej bearbetas för mycket i ovankant och därför blir mindre än mått enligt ritningsmaterialet. Tillverkare ger rekommenderad skärdata som ska ge den bästa snittytan och både högre och lägre matningshastighet ger då sämre kvalitet, dvs. större vinkelfel, mer slagg, grövre yta etc. 30

4. Slutsatser Vi har alltså kommit fram till att vattenskärning lämpar sig bra att använda då hög snittkvalité önskas, dess utom att materialet är tjockare än 30 mm och består av i princip vilket material som helst. Det material som inte går att skära med en vattenskärningsmaskin är härdat glas. Det som i huvudsak skiljer vattenskärning från de övriga skärmetoderna vi undersökt är att vattenskärningen inte använder sig av värme. Det gör att materialet som skärs inte blir värmepåverkat vilket i sin tur gör att eventuell efterbearbetning inte är nödvändig. Då man vill skära tunnare material upp till 8 mm som inte reflekterar ljus bra, till exempel sten eller glas, och som inte har en oxid som smälter senare än själva grundmaterialet kan laserskärning användas med fördel. Då den är överlägset snabbast i förhållande till de andra metoderna med tanke på snittkvaliten. När det inte finns krav på snittkvalité och man vill skära i ett material som inte har en oxid som smälter senare än själva grundmaterialet kan oxyfuel användas, den klarar nämligen av material med tjocklekar upp mot 250 mm. Alltså passar metoden bra till att nedmontera stora objekt snabbt, till exempel nedmontering av stora båtar. Eller då grovbearbetning av råmaterial ska göras. Då material tunnare än 30 mm som är elektriskt ledande och där värmepåverkan upp till 3 mm in i materialet inte är något problem kan plasmaskärning användas med fördel. Vi har kommit fram till slutsatserna att vattenskärning som ren grovbearbetning inte är billigare än plasmaskärning, men om aspekter som efterbearbetning, kvalité och miljö tagits in i sammanställningen har vattenskärning visat sig stå stark i förhållande till plasmaskärning. 31

32

5. Diskussion Vi har med detta arbete försökt att redogöra för hur vattenskärning kan konkurera i förhållande till andra skärande bearbetningsmetoder. Vi har under projektets gång avgränsat vår uppgift till att konkret jämföra vattenskärning med plasmaskärning. Eftersom vi begränsat oss till att undersöka en konkret detalj, i aluminium och med konstant tjocklek, har vi inte konkret kunnat visa vilken skärmetod som lämpar sig bäst för olika material och tjocklekar. Vi har däremot tagit upp dessa aspekter i teoriramen. Vår slutsats ger dock en fingervisning för vilken typ av skärande bearbetning som lämpar sig bäst för olika material och tjocklekar vad gällande plasmaskärning, laserskärning, oxyfuel och vattenskärning. För att gå vidare med arbetet och för att ytterligare påvisa fördelar och nackdelar med de olika metoderna bör flera testdetaljer skapas i olika material med olika tjocklek. För ritning av testdetalj se bilaga 10. Då kan fördelar och nackdelar tydligare och mer konkret påvisas med de olika metoderna. Då snittkvalité är vattenskärningens största fördel har vi försökt att visa hur kvalitéerna i relation till varandra skiljer sig åt. Vi har på olika sett ställt teknikerna mot varandra för att på så vis få en så övergripande bild som möjligt av vilken teknik som bör användas och när. Då vi inte har arbetat med flera testdetaljer av olika material och tjocklek har vi enbart teoretiskt kunnat behandla de flesta av de frågeställningar som uppkommit under arbetste gång. För att få en bättre bild över hur snittkvalitéer skiljer sig åt bör flera testdetaljer användas. Vår rekommendation är att använda sig av den detalj som vi utformat men att variablerna, tjocklek och material, förändras för att på så vis konkret kunna påvisa på skillnaderna med de skärande metoderna. Vi har använt oss av beräkningar på kostnader och skärhastigheter för de två olika metoderna vattenskärning och plasmaskärning. För vattenskärning har vi använt oss av de data som vi fått under vårt besök på företaget där testdetaljen skurits ut. För plasmaskärning har vi använt oss av rekommenderade data från de källor vi tidigare i rapporten hänvisat till. Då vi inte hade möjlighet att skära ut detaljen med plasmaskärning och därför inte få ut konkreta skärhastigheter till skillnad från metoden med vattenskärning. För att ytterligare få en mer exakt bild av kostnader och skärtider rekommenderar vi även här att flera konkreta testdetaljer skapas och undersöks. Då vi haft en begränsad tidsram har vi valt att fokusera på den vattenskärande bearbetningen och i teorin ställt den mot de andra fyra skärmetoderna vi hanterat tidigare i rapporten. Idag konkurrerar företag ofta med hjälp av flexibilitet, det gör att vi ser stora fördelar med vattenskärning. Eftersom så många olika material kan skäras med denna metod kan produktutbudet snabbt ställas om. Man kan till exempel snabbt gå från att skära stål till att skära gummi. Utan att göra vidare investeringar i nya dyra maskiner kan alltså flera produkter köras i samma anläggning. 33

34

6. Referenslista 6.1 Artiklar och litteratur 1. Dave Cook (2000-05): Cost of Operation in Mechanized Plasma Cutting. Welding Design & Fabrication. Tillgänglig: http://www.centricut.com/new_lessons/lessons_11.html 2. Rick Neff, Chris Maier, Jeff Hahn, Ron Schneider, Al Julian (2008-07-15): Making sense of metal cutting technologies. The Fabricator. Tillgänglig: http://www.thefabricator.com/article/lasercutting/making-sense-of-metal-cutting-technologies 3. Charles M. Hackett (2001-07-12): Plasma cutting stainless steel and luminium. The Fabricator. Tillgänglig: http://www.thefabricator.com/article/plasmacutting/plasma-cutting-stainless-steel-andaluminum 4. Christian Öjmertz (2008): Konstruera för vattenskärning. Swedish Waterjet Association. 6.2 Elektroniska 5. Nordic Innovation, CUT Competetive use of waterjet technology, http://www.nordicinnovation.org/no/publikasjoner/cut-competitive-use-of-waterjet-technology/, 2014-03-28 6. AGA Gas AB, Facts about cutting aluminium, http://www.aga.com/international/web/lg/aga/like35agacom.nsf/repositorybyalias/facts_cut_alu_u k/$file/aga%20cutting%20aluminium%20facts%20about%20uk.pdf, 2014-05-02 7. Wardjet, Cutting Characteristics, http://www.wardjet.com/01-waterjet-cuttingcharacteristics.html, 2014-04-03 8. Fedtech, Abrasive Waterjet Cutting, http://www.fedtech.com/services/abrasive-waterjet.html, 2014-04-03 9. ABQ Manufacturing inc., Waterjet Cutting, http://www.abqmfg.com/pages/waterjet-cutting, 2014-04-03 10. KMT Waterjet, Waterjet Cutting Technology, http://www.kmtwaterjet.com/waterjettechnology.aspx, 2014-04-03 11. AGA Gas AB, Prislista 1, 2, 3. November 2013, http://www3.elmia.se/global/svets/dokument/pricelist%20industri_svets_2013-11.pdf, 2014-05-02 12. Konsumenternas Energimarknadsbyrå, Nät- och elkostnad i löpande priser för olika elprisavtal, http://www.energimarknadsbyran.se/documents/prisstatistik/n%c3%a4t- %20och%20elkostnad.pdf?epslanguage=sv, 2014-04-21 13. Luleå universitet, Cut Cost Calculation, http://epubl.ltu.se/1402-1617/2006/243/ltu-ex-06243- SE.pdf, 2014-04-02 14. Victor Technologies, Cutting Speed Chart, http://victortechnologies.com/im_uploads/doclib_8351_doclib_233_thermal%20dynamics%20cut 35

MASTER%2081%20Automated%20Plasma%20Cutting%20System%20Cut%20Speed%20Chart.pdf, 2014-04-27 15. Victor Technologies, TORCH DATA for Ultra-Cut 8-90 Manual 0-4828 Rev AP, http://victortechnologies.eu/im-uploads/doclib_37_0-4828.pdf, 2014-05-05 16. Cumaq, Cut characteristics, http://www.cumaq.com/pdf/cut_characterirstics.pdf?hl=en&tab=nw&1lightbox[iframe]=true&lightb ox[width]=720&lightbox[height]=600, 2014-05-06 17. KTH, Plasmaskärning: Metod, användning och utvecklingsmöjligheter, http://kth.divaportal.org/smash/get/diva2:508308/fulltext01.pdf, 2014-04-15 18. Kjellberg, Parameters for Evaluating the Quality of Plasma Cuts, http://www.kjellberg.de/cutting- Equipment/Plasma/Plasma-cutting/Technology-notes/Quality-parameters.html, 2014-04-17 19. Lincoln Electric, Reservdelspriser, www.torchmatestore.com/, 2014-05-08 20. GnosjöRegion.se, Gasskärning, http://www.gnosjoregion.se/laserskarning/gasskarning.asp, 2014-05-13 21. ESAB, What is the best value plasma, laser or waterjet?, http://www.esab-cutting.com/the-cnccutting-blog/cutting-systems/what-is-the-best-value-plasma-laser-or-waterjet.html, 2014-05-14 22. ESAB,Why combine waterjet and plasma on the same machine?, http://www.esabcutting.com/the-cnc-cutting-blog/waterjet-cutting/why-combine-waterjet-and-plasma-on-the-samecnc-machine.html, 2014-05-14 23. BOC, Facts about plasma technology and plasma cutting, http://www.bocgas.com.au/internet.lg.lg.aus/en/images/boc%20facts%20about%20plasma%20technology351_681 07.pdf, 2014-05-14 24. Inox Service, Relevant standards, http://www.inoxservice.hu/index.php/en/szabvanyok, 2014-05- 14 25. Hypertherm Inc., HyPerformance Plasma HPR260, http://www.baw.com.br/media/1284/hpr260_2_flyer.pdf, 2014-05-14 26. Wardjet, Waterjet University, http://www.wardjet.com/waterjet-university.html, 2014-04-03 27. Wardjet, Build-a-Waterjet, http://www.wardjet.com/bawj.html, 2014-04-03 36

6.3 Figurer Figur 1. Eget material... 32 Figur 2. Eget material.... 54 Figur 3. Eget material... 65 Figur 4. Eget material.... 76 Figur 5. Eget material.... 87 Figur 6. Wardjet, Build-a-Waterjet, http://www.wardjet.com/bawj.html, 2014-04-03... 19 Figur 7. Nordic Innovation, CUT Competetive use of waterjet technology, http://www.nordicinnovation.org/no/publikasjoner/cut-competitive-use-of-waterjet-technology/, 2014-03-28... 110 Figur 8. Eget material.... 121 Figur 9. Eget material.... 154 Figur 10. Eget material.... 165 Figur 11. Eget material... 176 Figur 12. Eget material.... 27 Figur 13. Cumaq, Cut characteristics, http://www.cumaq.com/pdf/cut_characterirstics.pdf?hl=en&tab=nw&1lightbox[iframe]=true&lightb ox[width]=720&lightbox[height]=600, 2014-05-06... 27 Figur 14. KTH, Plasmaskärning: Metod, användning och utvecklingsmöjligheter, http://kth.divaportal.org/smash/get/diva2:508308/fulltext01.pdf, 2014-04-15... 27 Figur 15. Eget material... 28 Figur 16. Eget material.... 28 Figur 17. Eget material.... 29 Figur 18. Eget material.... 30 Figur 19. Eget material.... 30 Figur 20. Eget material.... 31 Figur 21. Kjellberg, Parameters for Evaluating the Quality of Plasma Cuts, http://www.kjellberg.de/cutting-equipment/plasma/plasma-cutting/technology-notes/qualityparameters.html, 2014-04-17... 32 Figur 22. Eget material.... 33 Figur 23. Eget material.... 34 Figur 24. Eget material.... 36 Figur 25. Eget material.... 37 Figur 26. Eget material... 37 Figur 27. Eget material.... 38 Figur 28. Eget material... 38 Figur 29. Eget material.... 39 37

38

Bilagor Bilaga 1, formler för vattenskärning Formler och antaganden hämtade från forskningsprojektet CUT. För beräkning av vattenskärning. Skärhastighetsmodellering v f = N m 1.15 f a 1,15 P w 1,25 m w 0,842 R 10.406R2 4,9R+0,5 C q 1,15 t 0,8817t0,0715 N m =bearbetningstal (Anger hur svårbearbetat ett material är, Stål ca 80, Alu ca 210) f a =abrasivfaktor (Anger skärförmågan hos ett abrasivmedel, Barton Garnet=1, GMA Garnet=0,92) P w =Vattentryck [MPa] m w=vattenflöde [l/min] m a=abrasivmedelsflöde [kg/min] R=Kvoten m a/ m w C=Konstant (6800) q=kvalitetsindex (1,2-5, 1 är hög kvalitet) t=materialtjocklek [mm] 39

Abrasivmatning R = m a [kg/min]/[l/min] m w Viktiga saker att ta hänsyn till vid beräkning Maximalt tryck Maximalt antal munstycken Tillgänglig pumpeffekt Fasta kostnader, C fast [kr/h] Investering anläggning, C invest [kr/h] C skärbord = Investeringskostnad för skärbord [kr] C pump = Investeringskostnad för pump [kr] T avskr = avskrivningstid [år] T år = arbetstimmar per år [h] C invest = C skärbord + C pump T avskr T år Hyra, C hyra [kr/h] C hyra = C århyra S T år C århyra = Årshyra [m 2 /år] S = Ytåtgång för anläggning [m 2 ] Operatör, C operatör [kr/h] Timlön för operatör Total fast kostnad C fast = C invest + C hyra + C operatör 40

Rörliga kostnader Kostnad för komponenter (reservdelar) Kostnad för arbete och driftstopp i samband med service Övriga kostnader (abrasivmunstycken m.m) Pumpunderhåll Kostnad för komponenter (reservdelar) [kr/h] basinställningen i modellen (k = 4 10-19, n=5,5). Maxflöde för vald pump = 7,1 En pump av nyare modell De första 10 000 driftstimmarna. C pr = k P w n m w 7,1 m w = vattenflöde [l/min] P w n = vattentryck [bar] k och n = konstanter Kostnad för arbete/stillestånd i samband med service Man anger ett känt serviceintervall vid 3500 bar Så många gånger som kostnaden för reservdelar ökar med trycket, så många gånger tätare blir serviceintervallet vid högre tryck. Serviceintervallen kortare med ökande flöde. Intervallet mellan service i timmar: I p = I 3500 c pr,3500 C pr 7,1 m w I 3500 =Angivet serviceintervall vid 3500 bar c pr, 3500 =Angiven komponentkostnad vid 3500 bar C pr =Kostnaden för komponenter vid aktuellt tryck Kostnaden för arbete vid service [kr/h]: C pa = c pa I p c pa =genomsnittlig arbetskostnad per service [kr/h] Driftstoppskostnad [kr/h]: C pd = c pd I p 41

c pd =genomsnittlig driftstoppskostnad per service [kr] Total kostnad för pumpunderhåll: C p = C pr + C pa + C pd Rörliga kostnader övrigt Kostnad abrasivmunstycken [kr/h] Denna antas bero linjärt på abrasivmatningen, och användaren anger denna vid 400 g/min. m a=abrasivmatning [g/min] c am =Inköpspris för munstycken [kr] t am,300 =Utslitningstid vid m a =400 g/min [h] C am = c am t am,300 m a 400 Kostnad vattenmunstycken [kr/h] Denna antas inte bero på några parameterinställningar. c vm =Inköpspris för munstycken [kr] t vm =Utslitningstid [h] C vm = c vm t vm Kostnad för underhåll och reservdelar till skärhuvudet utöver munstycken [kr/h] Denna kostnad fördelas ut på antalet timmar per år enligt nedan. C skh =Underhåll per skärhuvud och år [kr/år] A=Antal timmar per arbetsår [h] T=Tillgänglighet [%] C skh = c skh A T Kostnad för underhåll och reservdelar till skärbord [kr/h] C skb =Underhåll skärbord per år [kr/år] A=Antal timmar per arbetsår [h] T=Tillgänglighet [%] C skb = c skb A T 42

Kostnad abrasivmedel [kr/h] Abrasivmedelskostnaden beror direkt av abrasivmatningen. m a=abrasivmatning [g/min] c a =Kostnad för abrasivmedel [kr/kg] C a = c a m a 60 1000 Viktigt att notera är att kostnaden för abrasivmedel i kr/kg ska inkludera: Inköpspris Hanteringskostnad Eventuell deponikostnad Vattenkostnad [kr/h] Vattenförbrukningen utgörs av skärvattenflöde samt kylvattenflöde. Den senare är ca 2,5 l/min för en 50 hk pump. Den ökar eller minskar med pumpens märkeffekt, men är konstant för en viss pump. m w=skärvattenflöde [l/min] c w =Vattenkostnad [kr/m 3 ] P M =Pumpmotorns märkeffekt [hk] C w = m w + 4,5 P M 50 c w 60 1000 Elkostnad [kr/h] Denna är beroende av pumpmotorns märkeffekt och ej av uttagen effekt, då det antas att pumpen by-passar hydrauliska effekten vid sänkt skärvattenflöde. Faktorn 0,735 ger omräkning till kw från den oftast använda effektenheten hk. c el =Elkostnad [kr/kwh] P M =Motorns märkeffekt [hk] C el = c el P M 0,735 Total rörlig timkostnad, med hänsyn till antal munstycken n j C rörlig = n j C am + n j C vm + n j C skh + n j C a + C skb + C v + C el + C p Den totala timkostnaden [kr/h] C tot = C rörlig + C fast Den totalt kostnaden per meter med skärhastigheten v f i mm/min [kr/m] C skär = C tot 1000 n j v f 60 43

44

Bilaga 2, konstanter för laser-, plasma- och oxyfuelskärning konstanter för beräkning av kostnader som gäller för både laser-, plasma- och oxyfuel-skärning. Hämtade från forskningsprojektet Cut Cost Calculation. N p = Antalet detaljer i en batch N stp = Antalet skärstarter per detalj. L cutp = Skärlängd per detalj, [m] N sh = Antal skift P lab = Operatörskostnad, [kr/h] P cab = Investerat kapital, [kr] U = Beläggningsgrad, [%] N op = Körtimmar per år och skift T mach = Maskinlivstid, [år] Int = Årlig ränta, [%/år] Ins = Försäkring, [% av P cap /år] S req = Platsåtgång, [m 2 ] P rent = Hyra, [kr/m 2 och månad] Maint = Underhåll, [% av P cap och år] T prep = Förberedelsetid (programmering etc.), [h] P el = Elkostnad, [kr/kwh] Elp = Elåtgång, [kw] 45

46

Bilaga 3, beräkningsformler för laserskärning Formler för beräkning av kostnader för laserskärning. Konstanter från bilaga 2 används delvis. Konstanter specifika för laserskärning P cgas = Kostnad för skärgas, [kr/m 3 ] P lgas = Kostnad för lasergas, [kr/m 3 ] T tip = Livslängd munstycke, [h/munstycke] P tip = Kostnad för munstycke, [kr/munstycke] T lens = Livslängd lins, [h/lins] P lens = Kostnad för lins, [kr/lins] Cut sp = Skärhastighet, [m/min] T st = Tid för skärstart, penetrering och rörelse, [s] Con cgas = Åtgång av skärgas, [l/h] Con lgas = Åtgång av lasergas, [l/h] Formler specifika för laserskärning Total gaskostnad, [kr/h] C gash = Con cgas P cgas + Con lgas P lgas 1000 Elkostnad, [kr/h] C elh = El p P el Maskintimmar per år, [h] Räntekostnad, [kr/år] Avskrivningskostnad, [kr/år] Försäkringskostnad, [kr/år] Utrymmeskostnad, [kr/år] Underhållskostnad, [kr/år] N opy= N op N sh U 0,01 C int = P cap 0,5 Int 0,01 C dep = P cap T mach C ins = P cap Ins 0,01 C s = S req P rent 12 C maint = P cap Maint 0,01 Kostnad per maskintimme, [kr/h] R mh = C int + C dep + C ins + C s + C maint N opy Antal munstycken, [munstycken/h] Con tip = 1 T tip 47

Munstyckeskostnad, [kr/h] C tiph = Con tip P tip N pt Total skärlängd, [m] L cuttot = L cutp N p Total skärstartstid, [h] Total skärtid, [h] Total arbetskostnad, [kr] T sttot = N stp T st N p 3600 T cuttot L cuttot (Cut sp 60 + T sttot ) C labtot = P lab T prep + T cuttot Total elkostnad, [kr] C eltot = C elh T cuttot Total gaskostnad, [kr] C gastot = C gash T cuttot Total maskintidskostnad, [kr] C mhtot = R mh T cuttot Total munstyckeskostnad, [kr] C tiptot = C tiph T cuttot Total linskostnad, [kr] C lenstot = C tiph T cuttot Total skärkostnad, [kr] C tot = C labtot + C eltot + C gastot + C mhtot + C tiptot + C lenstot 48

Bilaga 4, beräkningsformler för plasmaskärning Formler för beräkning av kostnader för plasmaskärning. Konstanter från bilaga 2 används delvis. Konstanter specifika för plasmaskärning P pg = Kostnad för plasmagas, [kr/m 3 ] P cg = Kostnad för kylgas, [kr/m 3 ] N pt = Antal parallella skärlågor T tip = Livslängd munstycke, [h/munstycke] P tip = Kostnad för munstycke, [kr/munstycke] T cat = Livslängd katod, [h/katod] P cat = Kostnad för katod, [kr/katod] Cut sp = Skärhastighet, [m/min] T st = Tid för skärstart, penetrering och rörelse, [s] Con plg = Åtgång av plasmagas, [l/h] Con cog = Åtgång av kylgas, [l/h] Fasta kostnader, C fast [kr/h] Investering anläggning, C invest [kr/h] C skärbord = Investeringskostnad för skärbord [kr] C pump = Investeringskostnad för nätaggregat [kr] T avskr = avskrivningstid [år] T år = arbetstimmar per år [h] C invest = C skärbord + C nätagg T avskr T år Hyra, C hyra [kr/h] C hyra = C århyra S T år C århyra = Årshyra [m 2 /år] S = Ytåtgång för anläggning [m 2 ] Operatör, C operatör [kr/h] Timlön för operatör Total fast kostnad C fast = C invest + C hyra + C operatör Rörliga kostnader Total gaskostnad, [kr/h] C gas = Con pg P pg + Con cg P cg 1000 Elkostnad, [kr/h] C el = El p P el 49

Skärbordskostnad, [kr/h] C skb = C galler + C reservdelar T år C galler = Årlig gallerkostnad, [kr] C reservdelar = Årlig kostnad för reservdelar [kr] Kostnad för skärhuvud, [kr/h] C skh = P tip T tip + P cat T cat Kostnaden för arbete vid service [kr/h] Driftstoppskostnad [kr/h] C pa = c pa I p C pd = c pd I p Total rörlig kostnad Den totala timkostnaden [kr/h] C rörlig = C gas + C el + C skb + C skh + C pa + C pd C tot = C rörlig + C fast Den totalt kostnaden per meter med skärhastigheten v f i mm/min [kr/m] C skär = C tot 1000 v f 60 50

Bilaga 5, beräkningsformler för oxyfuelskärning Formler för beräkning av kostnader för oxyfuelskärning. Konstanter från bilaga 2 används delvis. Konstanter specifika för oxyfuelskärning P fg = Kostnad för bränslegas, [kr/m 3 ] P o = Kostnad för syre, [kr/m 3 ] N pt = Antal parallella skärlågor T tip = Livslängd munstycke, [h/munstycke] P tip = Kostnad för munstycke, [kr/munstycke] Cut sp = Skärhastighet, [m/min] T st = Tid för skärstart, penetrering och rörelse, [s] Con fg = Åtgång av bränslegas, [l/h] Con co = Åtgång av syre för skärning, [l/h] Con ho = Åtgång av syre för värmning, [l/h] Fasta kostnader, C fast [kr/h] Investering anläggning, C invest [kr/h] C skärbord = Investeringskostnad för skärbord [kr] C pump = Investeringskostnad för nätaggregat [kr] T avskr = avskrivningstid [år] T år = arbetstimmar per år [h] C invest = C skärbord + C nätagg T avskr T år Hyra, C hyra [kr/h] C hyra = C århyra S T år C århyra = Årshyra [m 2 /år] S = Ytåtgång för anläggning [m 2 ] Operatör, C operatör [kr/h] Timlön för operatör Total fast kostnad C fast = C invest + C hyra + C operatör 51

Rörliga kostnader Total gaskostnad, [kr/h] C gash = Con fg P fg + (Con co + Con ho ) P o 1000 Skärbordskostnad, [kr/h] C skb = C galler + C reservdelar T år C galler = Årlig gallerkostnad, [kr] C reservdelar = Årlig kostnad för reservdelar [kr] Kostnad för skärhuvud, [kr/h] Kostnaden för arbete vid service [kr/h] Driftstoppskostnad [kr/h] C skh = P tip T tip C pa = c pa I p C pd = c pd I p Total rörlig kostnad Den totala timkostnaden [kr/h] C rörlig = C gas + C skb + C skh + C pa + C pd C tot = C rörlig + C fast Den totalt kostnaden per meter med skärhastigheten v f i mm/min [kr/m] C skär = C tot 1000 v f 60 52

Bilaga 6, G-kod och skärdata från Widal Industri 53

54

55

56

57

58

59

60

Bilaga 7, Intervju Widal Industri AB Vad för abrasivmedel används, vad kostrar det (inköp, hantering, deponikostnad) Indian Garnet 80, kostar 3kr/kg Vad för vattentryck används, är det samma vid alla kvaliterer 3500 bar, samma vattentryck för alla kvalitéer Vad använder de för vattenflöde och vad har pumpen för maxflöde 3-3,5 l/min per munstycke, pumpens maximala vattenflöde 7,1 l/min Vad har de för abrasivmedelsflöde, är det olika för olika kvalité 400g/min, samma vattentryck för alla kvalitéer Vad har pumpmotorn för effekt 100hk Hur ofta servas pumpen, och med viket tryck körs den oftast med. Servas 1 gång per år. Körs oftast med 3500-3600bar Vad byts ut på pumpen under servis och vad kostar materialet. 4st packningar ca 2000kr, tar ca 1,5 timmar Start stopp ventil kostar ca 500kr, tar ca 30 minuter att byta. Byts oftare än en gång per år. Vad kostar inköpet av vattenskärningsmaskinen, pumpen och skärmunstycken Ca 2 miljoner kronor Operatörskostnad i timman, måste operatören alltid närvara vid maskin under körning Operatören behöver inte vara närvarande vi drift, dock vid materialbyte och programmering. Att köra maskinen kostar 1200kr/h Hur mycket är maskinen belagd * Maskinen körs 5 timmar per dag, resten är programmering och materialbyte. Maskinen körs dock på helger utan bemanning. Maskinen kan köra 30 timmar utan att någon tittar till den. Vad kostar det er om maskinen står stilla. Vad tar de i timman för att skära ut en produkt 1200kr/timma Vad kostar ett abrasivmunstycke, hur ofta byts de ut (tillverkare och modell) 1100kr byts efter ca 60 timmar, bytet tar ca 1 min. Vad kostar ett vattenmunstycke, hur ofta byts de ut (tillverkare och modell) Diamant skärsafir lite dyrare än rubin eller smaragd ca 1200-2000kr/styck men de har bättre 61

driftsäkerhet. Ca 25 timmar. Vad kostar reservdelarna till skärbord och tillbehör Galler ca 4000kr per styck, 4st per maskin. Byts 3 gånger per år. Kylvattenflöde till pumpen Kylvattenflödet till pumpen, ett slutet system med värmeväxlare. Flödet 4,5l/min. Tryckluft till styrning 5,9bar. Skärbordet och pumpen Skärbordet som användes var 4 gånger 2 meter med 2 skärande huvuden. Pumpen som användes är en KMT Streamline SL-V 100 Plus Kostar ca 0,5 miljoner kronor. 62

Bilaga 8, utförda beräkningar för vattenskärning Beräkningsresultaten med ingående värden för vattenskärning. Formlerna återfinns i bilaga 1. Rörliga kostnader C pr = k P n w m w 7,1 = 4 109 3500 5,5 3,25 = 5,69 kr/h 7,1 I 3500 = 2080 h C pa = c pa = 400 = 0,19 kr/h I p 2080 C pd = c pd = 800 = 0,38 kr/h I p 2080 C p = C pr + C pa + C pd = 5,69 + 0,19 + 0,38 = 6,26 kr/h C am = c am m a t am,300 400 = 1200 400 = 20 kr/h 60 400 C vm = c vm = 1600 = 64 kr/h t vm 25 C skh = c skh A T = 1500 = 0,72 kr/h 2080 C skb = c skb A T = 48000 = 23 kr/h 2080 C a = c a m a 60 60 = 3 400 = 72 kr/h 1000 100 C w = m w + 4,5 P M 100 c w 100 = 3,5 + 4,5 60 1000 100 1,5 = 0,0002 kr/h 60 1000 C el = c el P M 0,735 = 1,5 100 0,735 = 110 kr/h C rörlig = C am + C vm + C skh + C a + C skb + C v + C el + C p = 6,26 + 20 + 64 + 0,72 + 23 + 72 + 110 = 296 kr/h Fasta kostnader C invest = C skärbord + C pump T avskr T år = 2000000 + 500000 5 2080 C hyra = C århyra S = 500 8 = 1,92 kr/h T år 2080 C operatör = 400 kr/h 63 = 240 kr/h C fast = C invest + C hyra + C operatör = 2404 + 1,92 + 400 = 642 kr/h Total timkostnad C tot = C rörlig + C fast = 296 + 642 = 938 kr/h

Kostnad per meter vid olika kvaliteter Q=1 v f = 50,1 mm/min C skär = C tot 1000 n j v f 60 = 938 50,1 1000 = 312 kr/m 60 Q=2 v f = 64,7 mm/min C skär = C tot 1000 n j v f 60 = 938 64,7 1000 = 242 kr/m 60 Q=3 v f = 90,1 mm/min C skär = C tot 1000 n j v f 60 = 938 90,1 1000 = 174 kr/m 60 Q=4 v f = 143,7 mm/min C skär = C tot 1000 n j v f 60 = 938 143,7 1000 = 109 kr/m 60 Q=5 v f = 200 mm/min C skär = C tot 1000 n j v f 60 = 938 200 1000 = 78 kr/m 60 64

Bilaga 9, utförda beräkningar för plasmaskärning Beräkningsresultaten med ingående värden för plasmaskärning. Variabler samt formler återfinns i bilaga 2 respektive 4. Rörliga kostnader C gas = Con pg P pg + Con cg P cg 1000 C el = El p P el = 1,5 160 = 240 kr/h = 2700 9,6 + 5160 2,8 1000 C skb = C galler + C reservdelar 48000 + 5000 = = 25,5 kr/h T år 2080 C skh = P tip + P cat = 240 T tip T cat 10 + 110 = 35 kr/h 10 C pa = c pa = 400 = 0,19 kr/h I p 2080 C pd = c pd = 800 = 0,38 kr/h I p 2080 = 40,4 kr/h C rörlig = C gas + C el + C skb + C skh + C pa + C pd = 40,4 + 240 + 25,5 + 35 + 0,19 + 0,38 = 341,47 kr/h Fasta kostnader C invest = C skärbord + C nätagg T avskr T år = 2000000 + 500000 5 2080 C hyra = C århyra S = 500 8 = 1,92 kr/h T år 2080 C operatör = 400 kr/h = 240 kr/h C fast = C invest + C hyra + C operatör = 144 + 1,92 + 400 = 642 kr/h Total timkostnad C tot = C rörlig + C fast = 341,47 + 642 = 983,47 kr/h Kostnad per meter vid olika kvaliteter C skär = C tot 1000 v f 60 = 983,47 1000 = 10,3 kr/m 1590 60 65

66

Bilaga 10, ritningsunderlag för testdetalj 67