Plasmaschneiden

Mar 17, 2023

Werkstücke aus elektrisch leitenden Materialien werden mit einem beschleunigten heißen Plasmastrahl durchtrennt. Es ist eine effektive Methode zum Schneiden dicker Bleche.

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Ganz gleich, ob Sie Kunstwerke erstellen oder fertige Teile herstellen, das Plasmaschneiden bietet unbegrenzte Möglichkeiten zum Schneiden von Aluminium, Edelstahl und mehr. Doch was genau steckt hinter dieser relativ neuen Technologie? Die wichtigsten Fragen klären wir in unserem Kurzüberblick mit den wichtigsten Fakten zum Thema Plasmaschneider und Plasmaschneiden.

Beim Plasmaschneiden handelt es sich um ein Verfahren, bei dem elektrisch leitende Materialien mittels eines beschleunigten heißen Plasmastrahls durchtrennt werden. Typische Materialien, die mit einem Plasmabrenner geschnitten werden können, sind Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing, Kupfer und andere leitfähige Metalle. Plasmaschneiden wird häufig in der Fertigung, bei der Reparatur und Restaurierung von Kraftfahrzeugen, im Industriebau sowie bei der Bergung und Verschrottung eingesetzt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit und Präzision der Schnitte bei geringen Kosten wird das Plasmaschneiden häufig von großen industriellen CNC-Anwendungen bis hin zu kleinen Hobbybetrieben eingesetzt, wo die Materialien anschließend zum Schweißen verwendet werden. Plasmaschneiden – Leitfähiges Gas mit einer Temperatur von bis zu 30.000°C macht das Plasmaschneiden so besonders.

Der grundlegende Prozess beim Plasmaschneiden und -schweißen besteht darin, einen elektrischen Kanal aus überhitztem, elektrisch ionisiertem Gas – also Plasma – vom Plasmaschneider selbst durch das zu schneidende Werkstück zu erzeugen und so über einen Erdungsanschluss einen fertigen Stromkreis zurück zum Plasmaschneider zu bilden . Dies wird erreicht, indem ein Druckgas (Sauerstoff, Luft, Inertgas und andere, abhängig vom zu schneidenden Material) mit hoher Geschwindigkeit durch eine fokussierte Düse auf das Werkstück geblasen wird. Im Gas entsteht ein Lichtbogen zwischen einer Elektrode in der Nähe der Gasdüse und dem Werkstück selbst. Dieser Lichtbogen ionisiert einen Teil des Gases und erzeugt einen elektrisch leitenden Plasmakanal. Wenn der Strom vom Schneidbrenner des Plasmaschneiders durch dieses Plasma fließt, gibt es genügend Wärme ab, um das Werkstück durchzuschmelzen. Gleichzeitig bläst ein Großteil des Hochgeschwindigkeitsplasmas und des komprimierten Gases die heiße Metallschmelze weg und trennt das Werkstück.

Plasmaschneiden ist eine effektive Methode zum Schneiden dünner und dicker Materialien. Handbrenner können in der Regel bis zu 38 mm dicke Stahlbleche schneiden, stärkere computergesteuerte Brenner können bis zu 150 mm dicke Stahlbleche schneiden. Da Plasmaschneider einen sehr heißen und sehr lokalisierten „Kegel“ zum Schneiden erzeugen, eignen sie sich sehr gut zum Schneiden und Schweißen von Blechen in gebogenen oder abgewinkelten Formen.

Produktentwicklung

Erstellen eines neuen Schneidwerkzeugs – Vom Konzept bis zur Spindel

Vorteile:

Nachteile:

Manuelle Plasmaschneider werden im Allgemeinen von Werkstätten für die Dünnmetallverarbeitung, Fabrikwartung, landwirtschaftliche Wartung, Schweißreparaturzentren, Metalldienstleistungszentren (Schrott, Schweißen und Demontage), Bauarbeiten (z. B. Gebäude und Brücken), kommerziellen Schiffbau, Anhängerproduktion und Automobil eingesetzt Reparatur und Kunsthandwerk (Herstellung und Schweißen).

Mechanisierte Plasmaschneider sind in der Regel viel größer als manuelle Plasmaschneider und werden in Verbindung mit Schneidtischen verwendet. Mechanisierte Plasmaschneider können in eine Stanz-, Laser- oder Roboterschneidanlage integriert werden. Die Größe eines mechanisierten Plasmaschneiders hängt vom verwendeten Tisch und Portal ab. Diese Systeme sind nicht einfach zu manövrieren, daher sollten vor der Installation alle ihre Komponenten zusammen mit dem Layout des Systems berücksichtigt werden.

Mittlerweile bieten Hersteller auch Kombigeräte an, die sowohl zum Plasmaschneiden als auch zum Schweißen geeignet sind. Im industriellen Bereich gilt die Faustregel: Je komplexer die Anforderungen beim Plasmaschneiden, desto höher die Kosten.

Das Plasmaschneiden entstand in den 1960er Jahren aus dem Plasmaschweißen und entwickelte sich in den 1980er Jahren zu einem sehr produktiven Verfahren zum Schneiden von Blechen und Platten. Im Vergleich zum herkömmlichen „Metall-gegen-Metall“-Schneiden entstehen beim Plasmaschneiden keine Metallspäne und es werden präzise Schnitte erzielt. Die frühen Plasmaschneider waren groß, langsam und teuer. Daher wurden sie hauptsächlich zur Wiederholung von Schnittmustern in der Massenproduktion eingesetzt. Wie bei anderen Werkzeugmaschinen kam auch beim Plasmaschneider von Ende der 1980er bis in die 1990er Jahre die CNC-Technologie (Computer Numerical Control) zum Einsatz. Dank der CNC-Technologie erhielten Plasmaschneider eine größere Flexibilität beim Schneiden verschiedener Formen, basierend auf einer Reihe verschiedener Anweisungen, die in die numerische Steuerung der Maschine programmiert wurden. Allerdings waren CNC-Plasmaschneidemaschinen in der Regel darauf beschränkt, Muster und Teile aus flachen Stahlblechen mit nur zwei Bewegungsachsen zu schneiden.

In den letzten zehn Jahren haben die Hersteller der verschiedenen Plasmaschneider völlig neue Modelle mit kleinerer Düse und dünnerem Plasmalichtbogen entwickelt. Dies ermöglicht eine laserähnliche Präzision an den Plasmaschneidkanten. Mehrere Hersteller haben die CNC-Präzisionssteuerung mit diesen Brennern kombiniert, um Teile herzustellen, die nur wenig oder gar keine Nacharbeit erfordern, was andere Prozesse wie das Schweißen vereinfacht.

Der Begriff „thermische Trennung“ wird als Überbegriff für Prozesse verwendet, bei denen Materialien durch Wärmeeinwirkung mit oder ohne schneidendem Sauerstoffstrom so geschnitten oder umgeformt werden, dass bei der Weiterverarbeitung keine Nachbearbeitung erforderlich ist. Die drei vorherrschenden Verfahren sind Autogen-, Plasma- und Laserschneiden.

Autogenschneiden

Bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen entsteht Wärme. Wie bei anderen Verbrennungsprozessen ist auch beim Autogenschneiden keine teure Ausrüstung erforderlich, die Energiequelle ist leicht zu transportieren und die meisten Prozesse erfordern weder Strom noch Kühlwasser. Ein Brenner und eine Brenngasflasche reichen in der Regel aus. Das Autogenschneiden ist das vorherrschende Verfahren zum Schneiden von schwerem, unlegiertem und niedriglegiertem Stahl und wird auch zur Vorbereitung des Materials für das anschließende Schweißen eingesetzt. Nachdem die autogene Flamme das Material auf Zündtemperatur gebracht hat, wird der Sauerstoffstrahl eingeschaltet und bringt das Material zum Brennen. Wie schnell die Zündtemperatur erreicht wird, hängt vom Brenngas ab. Die Geschwindigkeit für den richtigen Schnitt hängt von der Reinheit des Sauerstoffs und der Geschwindigkeit des Sauerstoffgasstrahls ab. Hochreiner Sauerstoff, optimiertes Düsendesign und korrektes Brenngas garantieren eine hohe Produktivität und minimieren die Gesamtprozesskosten.

Plasmaschneiden

Das Plasmaschneiden wurde in den 1950er Jahren zum Schneiden von Metallen entwickelt, die nicht gebrannt werden konnten (z. B. rostfreier Stahl, Aluminium und Kupfer). Beim Plasmaschneiden wird das Gas in der Düse durch die spezielle Konstruktion der Düse ionisiert und fokussiert. Nur mit diesem heißen Plasmastrahl können Materialien wie Kunststoffe (ohne übertragenen Lichtbogen) geschnitten werden. Bei metallischen Werkstoffen wird beim Plasmaschneiden außerdem ein Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück gezündet, um die Energieübertragung zu erhöhen. Eine sehr schmale Düsenöffnung bündelt den Lichtbogen und den Plasmastrom. Eine zusätzliche Verschnürung der Entladungsstrecke kann durch ein Sekundärgas (Schutzgas) erreicht werden. Durch die Wahl der richtigen Plasma-Schutzgas-Kombination können die Gesamtprozesskosten deutlich gesenkt werden.

Laser schneiden

Das Laserschneiden ist die neueste thermische Schneidtechnologie und wurde nach dem Plasmaschneiden entwickelt. Der Laserstrahl wird im Resonatorhohlraum der Laserschneidanlage erzeugt. Während der Verbrauch des Resonatorgases gering ist, sind dessen Reinheit und die richtige Zusammensetzung entscheidend. Spezielle Resonatorgase schützen die Geräte vom Zylinder bis in den Resonatorhohlraum und optimieren die Schneidleistung. Zum Schneiden und Schweißen wird der Laserstrahl durch das Strahlengangsystem vom Resonator zum Schneidkopf geführt. Es ist darauf zu achten, dass das System frei von Lösungsmitteln, Partikeln und Dämpfen ist. Insbesondere für Hochleistungssysteme (> 4 kW) empfiehlt sich Stickstoff aus flüssiger Quelle. Beim Laserschneiden können Sauerstoff oder Stickstoff als Schneidgas dienen. Sauerstoff wird für unlegierten und niedriglegierten Stahl verwendet, obwohl der Prozess dem Autogenschneiden ähnelt. Auch hier spielt die Reinheit des Sauerstoffs eine wichtige Rolle. Stickstoff wird für Edelstahl-, Aluminium- und Nickellegierungen verwendet, um eine saubere Kante zu erzielen und die kritischen Eigenschaften des Grundmaterials beizubehalten.

Wasser wird in vielen industriellen Prozessen als Kühlmittel verwendet, was zu hohen Prozesstemperaturen führt. Gleiches gilt für die Wasserinjektion beim Plasmaschneiden. Durch den Injektor wird Wasser in den Plasmalichtbogen des Plasmaschneiders eingespritzt. Der Plasmalichtbogen entsteht üblicherweise, wenn Stickstoff als Plasmagas verwendet wird, wie es bei den meisten Plasmaschneidern der Fall ist. Sobald das Wasser in den Plasmalichtbogen injiziert wird, kommt es zu einer starken Einschnürung. Bei diesem speziellen Verfahren steigt die Temperatur deutlich auf 30.000 °C und mehr. Vergleicht man die oben genannten Prozessvorteile mit herkömmlichem Plasma, zeigt sich, dass sowohl die Schnittqualität als auch die Rechtwinkligkeit des Schnitts deutlich verbessert werden und die Materialien optimal für das Schweißen vorbereitet werden. Neben der Verbesserung der Schnittqualität beim Plasmaschneiden sind auch eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeit, ein geringeres Risiko einer Doppelkrümmung und eine Verringerung der Düsenerosion zu beobachten.

Wirbelgas wird in der Plasmaschneidindustrie häufig verwendet, um eine bessere Eindämmung der Plasmasäule und einen stabileren Einschnürungslichtbogen zu erreichen. Wenn die Anzahl der Einlassgaswirbel zunimmt, verschiebt die Zentrifugalkraft den Punkt maximalen Drucks an den Rand des Plenums und den Punkt minimalen Drucks viel näher an die Achse. Der Unterschied zwischen maximalem und minimalem Druck nimmt mit der Anzahl der Wirbel zu. Der große Druckunterschied in radialer Richtung verengt den Lichtbogen und führt zu einer hohen Stromdichte und Ohm-Erwärmung in der Nähe der Achse.

Dies führt zu einer viel höheren Temperatur in der Nähe der Kathode. Es ist zu beachten, dass Drallgas die Kathodenerosion aus zwei Gründen beschleunigt: Erhöhung des Drucks im Plenum und Änderung des Strömungsmusters in der Nähe der Kathode. Es ist auch zu berücksichtigen, dass das Gas mit hoher Drallzahl gemäß der Drehimpulserhaltung die Drallgeschwindigkeitskomponente am Schnittpunkt erhöht. Es wird angenommen, dass dadurch unterschiedliche Winkel am linken und rechten Rand der Schnittfuge entstehen.

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