Plasmaschneiden
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Plasmaschneiden ist ein leistungsfähiges thermisches Verfahren für das Schneiden von Blechen. Die Schneidtechnologie macht sich die thermische und kinetische Energie eines Plasmagasstroms zunutze, um den Werkstoff zu verflüssigen und auszublasen. Plasmaschneider sind neben ihrer Flexibilität und Vielseitigkeit auch in der Lage dicke Materialien präzise, robust und wirtschaftlich zu schneiden. Damit ist Plasmaschneiden eine unverzichtbare und breit eingesetzte Schneidtechnologie. Erfahren Sie hier wichtige Fakten zum Plasmaschneiden.
Plasmaschneiden – Funktionsweise und Methoden
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Mehr InformationenDirektes und indirektes Plasmaschneiden
Plasmaschneiden ist ein Prozess, der für elektrisch leitfähige Metalle wie beispielsweise Edelstahl, Aluminium oder Kupfer geeignet ist. Beim Plasmaschneiden unterscheidet man grundsätzlich zwei Verfahren:
Direktes Plasmaschneiden:
- Der Lichtbogen brennt zwischen der nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück. Dabei bildet die Elektrode die Kathode und das Werkstück die Anode. Man spricht auch von Plasmaschneiden mit übertragenem Lichtbogen. Sowohl die Schnittgeschwindigkeit als auch die Schnittqualität dieses Plasmabrennens sind hoch. In der Praxis kommt meist das direkte Plasmaschneiden zum Einsatz.
- Indirektes Plasmaschneiden: Der Lichtbogen brennt zwischen der nicht abschmelzenden Elektrode und der Düse bzw. einem abschmelzenden Draht. Wiederum bildet die Elektrode die Kathode. Die Anode wird entweder von der Düse oder dem abschmelzenden Draht in Form einer Hilfsanode gebildet. Das Prinzip wird auch als indirektes Plasmaschneiden bezeichnet. Da die Geometrie und die Stabilität des Lichtbogens schlecht kontrollierbar und nicht konstant sind, lässt sich mit diesem Verfahren keine hohe Schnittqualität erzielen. Jedoch lassen sich auch nichtmetallische Materialien trennen.
Hand- und maschinengeführtes Plasmabrennen
Um Plasmaschneiden möglichst flexibel einsetzen zu können, kommen einerseits mobile handgeführte und andererseits maschinengeführte CNC-Plasmaschneider zum Einsatz.
- Handgeführte Plasmabrenner: Mobile Plasmabrenner kommen vor allem dort zum Einsatz, wo es um hohe Mobilität sowie eine einfache und störungsfreie Handhabung geht. Der Brenner wird von Hand geführt, mitunter finden mechanische Führungseinrichtungen Verwendung. Die Schnittqualität ist geringer als bei maschinengeführten Brennern, da sich bei der manuellen Handhabung die Bewegungsgeschwindigkeit nicht vollständig konstant halten lässt. Eine hohe Schnittqualität kann aber nur dann erreicht werden, wenn die richtige Schnittgeschwindigkeit genau eingehalten wird. Handplasmageräte nutzen die wenig effektive Luftkühlung und verfügen in der Regel über eine Einschaltdauer von 60 bis 80 %: Nach einigen Minuten Schneidbetrieb benötigt das Gerät eine Betriebspause, da es sonst zu einer Überhitzung kommen würde. 60 % Einschaltdauer bedeuten dabei beispielsweise, dass nach 10 Minuten Betrieb eine Betriebspause von 4 Minuten erforderlich sind.
- Maschinengeführte CNC-Plasmaschneider: Maschinenplasmabrenner werden stationär montiert und arbeiten in der Regel mit wesentlich höheren Strömen als dies bei handgeführten Geräten der Fall ist. Die maschinengeführten Geräte verfügen über ein aufwendiges System für die Kühlung des Schneidkopfes. Düse und Elektrode werden dabei während des Schneidvorgangs effektiv mit Kühlwasser gekühlt. Mithilfe der CNC-Steuerung werden üblicherweise die Schneiddaten für unterschiedliche Materialien aus einer Datenbank ausgelesen und in die Maschine eingesteuert. Weiters lassen sich CNC-basiert die Plasmastromquelle ein- und ausschalten sowie die Höhe des Lichtbogens und die Schnittgeschwindigkeit regeln. Die CNC-Steuerung erlaubt dabei eine absolut gleichmäßige Bewegung, was eine hohe Schnittqualität ermöglicht. Plasmaschneiden ist eine Schneidtechnologie, die einen Vorschub von 1.000 mm/min und mehr abhängig von Material und Dicke zulässt. Maschinengeführte Plasmaschneider weisen wegen des aufwendigen Kühlsystems meist 100 % Einschaltdauer auf, d. h. sie können im Dauerbetrieb laufen.
Maschinenplasmabrenner mit unterschiedlichen Gastechniken
Maschinen für das Plasmaschneiden werden auch auf Basis der genutzten Gastechnik klassifiziert. Während manche Plasmabrenner lediglich mit einer Art von Gas betrieben werden, nutzen komplexe Plasmabrenner Mehrgastechnik:
- Einfache Druckluft-Plasmaschneider: Geräte dieses Typs sind für ein bestimmtes Gas konzipiert. Meist handelt es sich um Druckluft bzw. Stickstoff. Die Kühlung erfolgt in der Regel mit Luft. Die Geräte werden für einfache Aufgaben eingesetzt und zeichnen sich durch geringe Betriebskosten und preiswerte Verschleißteile aus. Jedoch lässt sich keine hohe Schnittqualität erreichen.
- Konventionelle Dualgas-/Mischgasbrenner: Das Sekundärgas übernimmt bei Dualgasplasmabrennern mehrere Funktionen. Es ist für die Kühlung des Plasmaschneidkopfes sowie der Plasmaschneiddüse verantwortlich. Dabei wird das Sekundärgas passend zum Schneidmaterial gewählt, da es die Schnittqualität beeinflusst. Beispielsweise kommt Sauerstoff bei Normalstahl zur Verwendung. Es lassen sich größere Dicken und eine bessere Schnittqualität als beim einfachen Druckluft-Plasmaschneider erreichen.
- Mehrgasplasmabrenner mit erhöhter Einschnürwirkung: Die konstruktiv bedingt erhöhte Wirkung auf die Einschnürung des Plasmastrahls ermöglicht die Ausbildung eines Feinstrahlplasmas, das auch als Qualitätsplasma bezeichnet wird. Maschinen dieses Typs erreicht eine hohe Schnittqualität. Für verschiedene Metalle kommen zwei oder mehrere Gase zur Verwendung. Der Schneidkopfaufbau ist aufwendiger, ebenso die Mischkonsole für die eingesetzten Gase.
Vor- und Nachteile von Plasmaschneiden
Plasmaschneiden als Verfahren in der Metallbearbeitung hat einige spezifische Vor- und Nachteile im Vergleich zu anderen Schneidtechniken. Zu den Vorteilen zählen:
- Kosteneffizienz: Die Stärke der Schneidtechnologie liegt im Schneiden dicker Metalle mit herausragender Wirtschaftlichkeit. Zudem sind die Wartungskosten für das eingesetzte Werkzeug gering. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad von über 60 % ermöglicht geringe Betriebskosten.
- Vielseitigkeit: Plasmaschneiden ermöglicht ein breites Spektrum an Metallschnitten. Grundsätzlich lassen sich alle elektrisch leitfähigen Metalle schneiden. Das Schneiden von Profilen und Rohren ist problemlos möglich. Zudem sind spezielle Schneidtechnologien wie Unterwasser- bzw. Trockenschnitte realisierbar.
- Große Schneiddicken: Edelstahl kann beispielsweise problemlos bis 160 mm Dicke geschnitten werden.
- Hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit: Damit eignet sich das Verfahren sehr gut für das Schneiden von Teilen mit anspruchsvollen Geometrien.
- Hohe Schnittgeschwindigkeit: Insbesondere für Stahl bis zu etwa 40 mm Dicke machen die geringen Schnittkosten und die hohe Wirtschaftlichkeit das Plasmaschneiden zu einer attraktiven Schneidtechnik.
- Robustheit: Sowohl der Plasmaschneider als auch das Verfahren selbst zeichnen sich durch hohe Robustheit aus. Ölige Oberflächen, rostiger Stahl sowie lackierte Oberflächen können mit Plasmaschneidern meist problemlos getrennt werden.
Dies sind die wichtigsten Nachteile von Plasmaschneiden:
- Hoher Strombedarf: Abhängig vom Gerätemodell kann der Strombedarf hoch sein.
- Umweltbelastung: Da es beim Schneidvorgang zu einer Belastung mit Staub und Ozon kommt, ist verpflichtend ein Filter erforderlich. Bei Trockenschnitt kommt es zu einer hohen Lärmentwicklung.
- Einschränkungen in der Präzision: Bedingt durch den sogenannten Nachlaufeffekt treten insbesondere an Innenkonturen Ungenauigkeiten auf, welche die erreichbare Präzision beeinträchtigen.
- Qualitätseinschränkungen: In den Randzonen des Plasmaschnittes kommt es zu einer Aufhärtung. Hier schneidet beispielsweise das Wasserstrahlschneiden deutlich besser ab. An die Schnittqualität von Laserschneiden kommt das Plasmaschneiden nicht heran.
- Technische Gase: Um optimale Schnittergebnisse zu erzielen sind spezielle technische Gase erforderlich.
Brenn- und Plasmaschneiden – die Unterschiede
Plasmaschneiden und Brennschneiden (auch Autogenschneiden genannt) sind zwei thermische Schneidverfahren, die sich in vielen Aspekten wesentlich voneinander unterscheiden:
- Freigesetzte thermische Energie: Plasmaschneiden erzeugt im Vergleich zum autogenen Brennschneiden weniger thermische Energie beim Zuschnitt.
- Energieverbrauch: Plasmaschneiden benötigt viel Strom. Im Gegensatz dazu bezieht das Autogenschneiden seine Energie primär aus der Gasverbrennung.
- Investitionskosten: Eine automatisierte CNC-Plasmaschneidanlage verursacht höhere Investitionskosten als eine CNC-gesteuerte Autogenschneidanlage.
- Vielseitigkeit: Plasmaschneiden durchtrennt praktisch jeden elektrisch leitfähigen Stoff. Dahingegen eignet sich Brennschneiden nur für Kohlenstoffstähle mit einem geringen C-Anteil sowie einige Titanlegierungen.
- Robustheit: Plasmaschneider haben mit rostigen Stählen kein Problem. Das gilt ebenso für Stähle die grundiert, geölt, pulverbeschichtet oder geprimert sind. Brennschneiden kommt dagegen mit Beschichtungen nicht zurecht und ist bei Oberflächenrost empfindlich.
- Qualitätsmerkmale: Das Brennschneiden bewirkt eine geringere Aufhärtung an der Schnittkante als das Plasmaschneiden. Weiters ist die die Rechtwinkligkeit nach ISO 9013 beim Brennzuschnitt besser.
- Einstechvorgang: Beim Plasmaschneiden ist das Einstechen in Materialdicken bis zu 50 mm sehr schnell und dauert nur wenige Sekunden. Beim Brennschneiden dauert das Lochstechen bedingt durch das Vorheizen je nach Materialdicke 15 – 40 Sekunden und mehr.
- Schnittgeschwindigkeit: Das Autogenschneiden ist speziell bei größerer Materialdicke deutlich langsamer als das Plasmaschneiden.
- Spezielle Geometrien: Plasmaschneiden ist besser für kleinere Innenkonturen und Bohrungen geeignet.
- Filterung und Absaugung: Die Plasmatechnik hat im Vergleich zum Brennschneiden höhere Anforderungen an die technische Ausstattung.
- Lärmpegel: Plasmaschneiden ist wesentlich lauter als Brennschneiden.
- Materialverbrauch: Plasmaschneiden hat eine geringere Schnittfugenbreite.
Plasmaschneiden – geeignete Materialien
Um Materialien mit einem Plasmaschneider zu bearbeiten, muss der Werkstoff leitfähig sein. Vor allem kommt Plasmaschneiden daher bei metallischen Werkstoffen zum Einsatz. Gängige Werkstoffe sind:
- Stahl sowie Edelstahl
- Grauguss und Eisen
- Aluminium
- Kupfer
- Legierungen wie beispielsweise Messing oder Bronze
Stahl ist in allen Arten bis zu circa 160 mm Materialdicke geeignet. Auch Werkzeugstahl und Baustahl lassen sich mit dem Plasmaschneider zuverlässig durchtrennen. Selbst hitzebeständiger sowie hochfester Stahl sind kein Problem. Plasmaschneiden ist auch für Bronze und Kupfer geeignet. Jedoch muss bei diesem Materialien berücksichtigt werden, dass die zulässige Dicke wesentlich geringer ausfällt. Auch Edelstähle lassen sich bis zu einer Dicke von circa 160 mm je nach Legierung mit unterschiedlichen Schnittergebnissen hinsichtlich Grat und Schnittparameter schneiden. Das Anstechen ist bei Edelstahl nur vom Rand aus möglich. Das Durchtrennen von Aluminium ist mit einem Plasmaschneider bei größerer Materialdicke nur mit Einschränkungen möglich.
Werkstücke bis zu 40 mm Dicke lassen sich mit einem Plasmaschneider grundsätzlich problemlos trennen. Bei kompakten handgeführten Geräten sind sogar bis zu 60 mm Dicke machbar. Maschinengeführte Plasmabrenner schaffen materialabhängig Dicken von bis zu 160 mm bei Stahl sowie bis zu 80 mm bei Aluminium.
Warum DeSta GmbH & Co KG ?
DeSta::Microcut steht für innovative Ideen, Kreativität in der Problemlösung, gleichbleibende Qualität und langjährige Erfahrung im Laserfeinschneiden. Der moderne Maschinenpark und die hochqualifizierten Mitarbeitenden von DeSta::Microcut stellen sicher, dass die individuellen Bauteile der Kunden mit höchster Sorgfalt und Präzision gefertigt werden.
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Präzision von Plasmaschneiden
Um beim Plasmaschneiden eine gute Präzision zu erreichen sind die richtige Einstellung der Stromquelle sowie ein absolut konstanter Vorschub erforderlich. Daher sind CNC-gesteuerte Maschinenplasmabrenner die bevorzugte Wahl für hochpräzise Schnitte. Dabei lassen sich sowohl dünne als auch dicke Metalle präzise und ohne große Materialverluste trennen. Während Plasmaschneiden vor allem bei dickeren Materialien seine Stärken ausspielt, hat es bei dünnen Materialien im Vergleich zum Laserschneiden das Nachsehen. In Summe bietet Plasmaschneiden neben der Wirtschaftlichkeit eine hervorragende Vielseitigkeit, wenn es um das Schneiden dickerer Bleche geht.
Erreichbare Genauigkeiten liegen beim Plasmaschneiden abhängig von Material, Dicke und Gerätekonfiguration bei bis zu ±0,5 mm bei 40 mm dickem Edelstahl. Bei dünneren Materialien wie beispielsweise Stahl mit 10 mm Dicke ist es bei optimierter Maschinenkonfiguration und CNC-Steuerung möglich eine Schnittgenauigkeit von ±0,2 mm zu erreichen. Ganz allgemein lassen sich die besten Schnittgenauigkeiten auf Basis eines Qualitätsplasma mit einschnürendem Plasmastrahl und Sekundärgastechnik erreichen. Ein konventioneller Plasmaschneider würde beim Schneiden wesentlich höhere Toleranzen aufweisen.
Um eine gute Schnittgenauigkeit zu erzielen, muss der Prozess exakt auf Dicke und Material abgestimmt werden. Beispielsweise sind Anpassungen bei dem für das Plasmaschneiden eingesetzten Gas erforderlich. Dünnere Bleche werden oft mit Stickstoff geschnitten. Je dicker das Material, desto mehr wird Luft oder Sauerstoff als Plasmagas genutzt. Ist das Material sehr dick, so bewährt sich in der Regel eine Mischung aus Argon und Wasserstoff als Plasmagas. Diese Mischung kann bei Bedarf mit Stickstoff ergänzt werden. Nur wenn das Gerät entsprechend hohe Stromstärken verarbeiten kann, lassen sich dickere Materialien in guter Schnittgenauigkeit trennen. Zudem gehen noch die Düsenöffnung und die Betriebsspannung des Brenners als weitere die Genauigkeit beeinflussende Parameter ein.
Wichtig ist, Besonderheiten der Schneidtechnik zu berücksichtigen. So ist beispielsweise beim Plasmazuschnitt von Durchgangslöchern der obere Ausschnitt größer als der untere, das Loch läuft also konisch zu. Alternative Schneidtechnologien wie das Drahterodieren vermeiden diese Problematik.
Einsatzbereich von Plasmaschneiden
Plasmaschneiden kommt vor allem in der metallverarbeitenden Industrie für das Durchtrennen von Blechen zum Einsatz. Neben Stahl handelt es sich dabei meist um Edelstahl, Aluminium, Kupfer und Messing. Die Schneidtechnologie kommt beispielsweise in den folgenden Bereichen zur Anwendung:
- Stahl- und Metallbau
- Maschinenbau und Anlagenbau
- Automobilindustrie und Nutzfahrzeugbau
- Behälter- und Apparatebau
- Off-Shore- und Brückenbau
- Instandhaltung von Anlagen
- Bergungen und Verschrottungen
- Schiffbau
- Kranbau
Plasmaschneiden ist eine vielseitige und flexible Schneidtechnologie. Da kompakte Plasmaschneider auch für Heimwerker erschwinglich sind, finden sich praktische Einsatzgebiete für das Plasmaschneiden in nahezu allen Bereichen von der Baustelle bis zum Kunsthandwerk.
