Come scegliere consapevolmente la giusta tecnologia di taglio?

Taglio laser o plasma? E quando invece scegliere l’ossitaglio o il waterjet? Ciascuna di queste tecnologie ha caratteristiche e vantaggi che meglio si adattano a specifiche applicazioni ed esigenze. Uno studio condotto da Hypertherm Associates permette un confronto approfondito e a 360° di queste tecnologie.

di Mirko Milaneschi e Walter Eiselt, Hypertherm Associates

Sebbene ci siano somiglianze tra il taglio con il laser fibra e il taglio al plasma, ciascuna tecnologia ha caratteristiche, vantaggi e svantaggi unici che meglio si adattano a specifiche applicazioni ed esigenze aziendali. Alcuni fattori principali da considerare quando si sceglie tra plasma e laser a fibra sono la qualità del taglio, gli spessori e i materiali da lavorare – oltre che ai volumi e alla qualità del materiale – l’investimento iniziale, i costi operativi e la manutenzione.

Negli ultimi anni, grazie alla crescente attenzione all’ottimizzazione dei processi aziendali sulla base dei dati raccolti con sistemi MES, Internet of Things of Industria 4.0 che dir si voglia, il confronto è diventato estremamente complesso per tutte le nuove variabili che si sono aggiunte. Se poi parliamo di Industria 5.0, tale confronto è imprescindibile. La sfida è stata raccolta nel 2024 da uno studio condotto da Hypertherm Associates in collaborazione con diversi laboratori di ricerca indipendenti ed università di fama mondiale. Lo studio ha prodotto uno strumento, presentato per la prima volta al pubblico durante Expo Industria 2024, che i nostri esperti hanno ulteriormente affinato. Attualmente, tale strumento permette un confronto a 360° fra plasma, laser, waterjet e l’onnipresente ossitaglio, senza alcun pregiudizio tecnologico. La domanda posta sovente ai nostri partners è la seguente: “Il nostro attuale sistema di taglio è in grado di processare XXX tonnellate all’anno con costi pari a €€€.

Sulla base del nostro mix di materiali e spessori, quale potrebbe essere il nostro prossimo sistema di taglio?” Sebbene le dinamiche della vendita tendano a prediligere una risposta immediata e univoca, sarebbe più utile un approccio consulenziale con domande del tipo “Come processate attualmente questo mix di materiali?” oppure “Sono previste operazioni secondarie? Se si, quali? Perché?” oppure ancora “Quali sono gli obiettivi legati al nuovo acquisto? Contenimento dei costi, aumento della produttività, miglioramento della qualità?”. Ultimo e non meno importante: “Descrivete la tipologia dei pezzi da tagliare, il loro impiego successivo e le tolleranze richieste”.

Al contrario di quanto avveniva in passato oppure di quanto avviene tuttora in ambienti produttivi che seguono la logica DFMA – leggasi semilavorati o prodotti finiti – il rischio di sovraprocessamento dei pezzi è sempre dietro l’angolo e, quando analizziamo il processo produttivo a monte e a valle del taglio, ci accorgiamo di tutta una serie di banali contradizioni:

 • Pezzi tagliati al laser che potevano essere tranquillamente tagliati al plasma e perdipiù impiegando materiale grezzo di una qualità inferiore;

• Pezzi tagliati al laser con diffusa presenza – e non occasionale – di segni di molatura;

• Pezzi tagliati al laser regolarmente processati con levigatrici subito dopo il taglio;

• Pezzi tagliati al laser regolarmente processati con macchine che vanno ad arrotondare il bordo del taglio.

Mentre sul primo punto si può discutere e considerazioni analoghe valgono anche per il caso opposto – pezzi tagliati al plasma piuttosto che con il laser – le altre osservazioni sono piuttosto indicative e, indagando ulteriormente, si scopre che il processo di acquisto dell’asset aveva quantomeno sottovalutato alcuni aspetti. Uno su tutti che è anche il più comune: la prospettata produttività e relativi costi erano relativi ad un processo di taglio che non avrebbe potuto garantire la qualità auspicabile per tale tecnologia.

La scoperta a posteriori della realtà dei fatti può comportare:

 • l’uso di processi di taglio subottimali tenendo buona la prospettata produttività con produzione di bave di taglio e necessità di operazioni secondarie che idealmente volevamo evitare

• l’uso del processo di taglio che garantisce la qualità ottimale sacrificando la produttività

• un ritorno sull’investimento più lungo in entrambi i casi.

Purtroppo, la combinazione di una tendenza tecnologica con l’impossibilità di taluni costruttori di offrire una più ampia gamma di soluzioni può essere estremamente fuorviante per l’utilizzatore finale.

I due macroscenari taglio laser fibra vs taglio plasma e la “giungla”

Se restringiamo l’analisi a quegli scenari dove sia il plasma sia il laser fibra sono in grado di fornire una qualità ugualmente accettabile, la scelta dovrebbe ricadere su quella che rappresenta il miglior compromesso fra produttività e contenimento dei costi secondo gli obiettivi aziendali, senza mai dimenticate la regola fondamentale riassunta nel grafico A.

All’atto pratico, lo strumento prodotto da Hypertherm Associates permette di confermare due macro-gruppi dove le scelte sono pressoché ovvie (vedi immagini B e C) Tolti gli scenari che si rifanno alle caratteristiche peculiari di ciascuna tecnologia di taglio e tutti quegli scenari che hanno bisogno di soluzioni ibride, leggasi combinazioni di più tecnologie di taglio, o che necessitino l’esecuzione di lavorazioni particolari con lo stesso portale, es. marcatura, abbiamo una giungla in cui è estremamente difficile orientarsi.

Lo studio effettuato ha sottolineato che una stessa soluzione utilizzata su scenari diversi può restituire risultati che differiscono e non poco. Paragonando soluzioni alternative sugli stessi scenari considerati, la maggior convenienza dell’una rispetto all’altra può invertirsi.

Nell’esempio delle immagini B e C, comparando il costo di processamento per tonnellata processata sul taglio del ferro con un plasma Hypertherm XPR460® e con un laser fibra da 30kW, la gamma di spessori sotto i 12 mm vede il laser fibra in vantaggio mentre a partire dal 15 mm la convenienza passa al plasma. Facendo lavorare il plasma con basso fattore di utilizzo su spessori bassi piuttosto che sugli ottimali spessori alti, la convenienza rispetto al laser si abbassa. Viceversa, facendo lavorare un laser con alti fattori di utilizzo su spessori alti piuttosto che sugli ottimali spessori bassi, la convenienza può passare all’equivalente soluzione plasma ancor prima di arrivare a mettere in crisi il sistema di carico/scarico, magari non ottimizzato per lavorare su spessori importanti. In estrema sintesi, un taglio laser che sta cercando di eseguire il lavoro di un plasma “brucia” dei soldi. Vale anche l’esatto opposto.

Con lo stesso fattore di utilizzo e considerando un’organizzazione del lavoro su due turni come riferimento, abbiamo una riduzione della convenienza passando a lavorare su un solo turno e un corrispettivo aumento andando a lavorare su tre turni:

• di pochi punti percentuali per bassi fattori di utilizzo;

• fino ad annullarsi e a raddoppiarsi per alti fattori di utilizzo – a sottolineare quanto sia importante garantire la piena operatività dei sistemi ad alta automazione. Le ultime considerazioni aprono la porta ad ulteriori argomenti che sono spesso sottovalutati nel processo decisionale:

• eventuale necessità di flessibilità nell’organizzazione del lavoro (sia in termini di tempi e di volumi) ;

• robustezza della soluzione a sostenere l’eventuale flessibilità di cui sopra o un alto fattore di utilizzo – leggasi tempi e costi di manutenzioni preventive e straordinarie.

Costi fissi per il taglio

Il costo d’impianto e il suo ammortamento hanno un impatto che può essere estremamente variabile. Le soluzioni di taglio laser a fibra sono generalmente da due a cinque volte più costose rispetto alle macchine al plasma comparabili, imponendo tempi di recupero del capitale più lunghi L’altro costo fisso da considerare attentamente è quello relativo al sistema di carico/ scarico, spesso legato a doppio filo al costo dell’impianto. Le soluzioni di taglio laser a fibra offrono generalmente un livello di automazione delle operazioni di carico e scarico più elevato rispetto a quello di una macchina plasma.

In ogni caso, queste ultime possono raggiungere produttività comparabili raddoppiando la lunghezza del banco e creando due zone di lavoro. In alternativa al cambio banco, quest’ultima soluzione è adottata anche in alcune macchine laser dove, a differenza del totale confinamento dell’area di lavoro, si va a confinare solo la zona del portale. Laddove presente, un cambio banco estremamente veloce potrebbe essere totalmente ininfluente se non accompagnato da un altrettanto veloce carico/scarico: questo può avvenire con adeguati sistemi di alimentazione che fanno ulteriormente salire il costo totale dell’impianto.

In alternativa, possiamo impiegare più addetti alla fase di carico e scarico con un aggravio sui costi operativi. Si devono infine considerare le problematiche di approvvigionamento del materiale nonché la logistica e le successive lavorazioni sui pezzi tagliati ad evitare che ci siano colli di bottiglia a monte o a valle che potrebbero determinare un sottoutilizzo dell’asset. Tali problematiche sono più evidenti in soluzioni ad alta automazione dove il bilanciamento fra tempistiche di asservimento materiale, carico/scarico ed esecuzione delle lavorazioni è difficile da ottenersi su tutta la gamma di spessori e materiali, mentre è una variabile meno significativa in soluzioni con bassa automazione.

Costi variabili di taglio

Mentre i costi d’investimento sono in qualche modo legati ai volumi, l’analisi dei costi operativi deve essere fatta a partire dal mix di spessori e materiali utilizzati Approfondendo il tema operatore/i che è stato introdotto solo alcuni paragrafi sopra, i relativi costi hanno un ovvio e forte legame con il livello di automazione delle varie soluzioni: più alto è tale livello (e il costo dell’impianto), più basso sarà il presidio richiesto da parte dell’operatore e il relativo costo.
In ogni caso, ci sono delle operazioni non completamente automatizzabili che richiedono sempre e comunque una minima presenza di almeno un operatore, es. cambio ugelli e lenti. Per quanto riguarda il consumo di energia elettrica, sappiamo che il laser è una tecnologia a una bassa efficienza: sebbene la situazione sia migliorata passando dal CO2 al fibra, è sempre necessario un chiller per il mantenimento della temperatura ideale. Considerando tutti i componenti di un sistema, ivi compresa aspirazione e movimentazione, e correlando i relativi consumi alla produttività, il confronto energetico fra plasma e laser fibra vede quest’ultimo in vantaggio sui bassi spessori mentre il plasma vince negli alti spessori.

È decisamente più complessa la valutazione del costo del gas che è anche legato alla modalità di fornitura – con pacchi bombole oppure allo stato liquido in serbatoi criogenici – da scegliersi in base ai gas necessari e ai relativi volumi. Nonostante l’evoluzione delle tecnologie possa cambiare gli scenari, quella dei gas tecnici rappresenta ad oggi una quota particolarmente importante dei costi operativi di un impianto di taglio laser, specie per quei processi che fanno uso di azoto ad alta pressione. Capitolo importante specialmente per il plasma è quello dei consumabili che, in parte, controbilancia quello del gas per il laser: mentre per quest’ultimo la spesa per ugelli e lenti è generalmente limitata, gli elettrodi e gli altri componenti della torcia plasma rappresentano una spesa da tenere sotto controllo.

Per entrambe le tecnologie, il costo aumenta all’aumentare degli spessori processati e può essere tenuto sotto controllo con una formazione adeguata degli operatori. Una nota speciale deve essere fatta per il materiale grezzo: mentre il plasma taglia qualsiasi materiale conduttivo ed è pressoché insensibile a qualsiasi imperfezione dello stesso, il laser fibra è ancora molto sensibile alla qualità del materiale tanto da richiedere materiali specifici o più pregiati con stoccaggio dedicato, lavorazioni preliminari e un inevitabile impatto sui costi. Spesso trascurata, la condizione del materiale grezzo può influenzare drasticamente anche i tempi di processamento, es. imponendo una riduzione della velocità di taglio, con conseguente impatto sulla produttività complessiva. Parlando infine di manutenzione, gli impianti di taglio laser a fibra hanno generalmente costi più elevati in ragione dei costosi componenti ottici sulla testa e delle meccaniche di precisione che sono sensibili ai contaminanti e che possono ricevere riparazioni solo da centri di assistenza autorizzati.
Inoltre, non c’è uno storico su tale voce con alte potenze (20kW e oltre), ma è facile ipotizzare che questi costi saranno ancora più elevati. Al contrario, le soluzioni basate sul plasma hanno generalmente costi di manutenzione più bassi in quanto le stesse sono meno complesse, più robuste e pensate per operare in ambienti di lavoro difficili, tanto da prestarsi ad una manutenzione semplice generalmente effettuata da manutentori interni.

Considerazioni sulla qualità di taglio

Ricordiamo che tutta l’identificazione dei due macroscenari partiva dall’avere una qualità ugualmente accettabile per entrambe le tecnologie e abbiamo escluso gli scenari dove la qualità del taglio dell’una e dell’altra è invece discriminante. Se chiediamo a dieci clienti cosa considerano come buona qualità di taglio, probabilmente otterremo quindici risposte diverse. Questo perché non esiste una definizione unica di cosa significhi qualità del taglio e ogni utilizzatore valuta aspetti differenti. Gli aspetti comuni includono l’angolarità del bordo, la finitura della superficie del bordo, la tolleranza rispetto al disegno, la capacità di eseguire particolari complessi, la formazione di scorie e la larghezza del taglio.

Nell’attesa di un approfondimento nelle prossime edizioni, è importante ricordare che:

• Un taglio laser a fibra produce tagli nella gamma 1-2 secondo la norma ISO 9013 mentre un plasma ad alta definizione di solito produce tagli nella gamma 2-4.

• Fin dai tempi dei laser a CO2 , il taglio laser su spessori medio bassi è stato associato al concetto del “pezzo pressoché perfetto” senza necessità di operazioni secondarie. In tali casi, l’unica valida alternativa è il taglio waterjet, da sempre sinonimo di “pezzo finito perfetto pronto all’uso”.

• I processi plasma sono stati perfezionati nel corso degli anni con un focus importante sull’aumento della qualità per renderla il più possibile uguale se non migliore a quella del laser, producendo finiture superficiali sui bordi estremamente lisce con strati di ossido e scorie minimi.

• Viceversa, i processi laser a fibra stanno subendo delle trasformazioni che vanno a limitare alcuni costi operativi e ad aumentare la produttività a scapito della tradizionale qualità della tecnologia, sostituendo l’azoto all’ossigeno come gas di taglio se non addirittura utilizzando l’aria compressa.

Conclusioni

Questo articolo offre molti spunti di riflessione, raccolti in oltre 10 anni di supporto ai nostri clienti nel miglioramento dei processi produttivi e nell’assistenza durante il processo di acquisto di un nuovo impianto di taglio. Sebbene venga fornita una buona panoramica, la discussione non è comunque esaustiva. Ad esempio, l’intera questione ambientale non è stata trattata e alcuni punti richiedono ulteriori approfondimenti che presenteremo nelle prossime edizioni.
Per maggiori informazioni sullo strumento di calcolo sviluppato e un supporto nella scelta della migliore tecnologia per le vostre esigenze, gli esperti di Hypertherm Associates sono sempre disponibili.