Schneiden mit Fasenkopf auf der Portal-Schneidanlage

3D-Fasenkopf mit Autogenbrenner
3D-Fasenkopf mit Autogenbrenner

Beim automatisierten Fasen-Schneiden unterscheidet man das Schneiden mit einer Portalmaschine und das Schneiden mit einem Robotersystem. Beide Verfahren sind praxisbewährt und im Einsatz. Für jedes Verfahren gibt es Gründe die dafür und ebenso die dagegen sprechen. Genau diese wollen wir uns ausführlich ansehen.

 

 

Schneiden mit einem Fasenschneidkopf auf einer Portalschneidmaschine

Bei den Portalschneidmaschinen kommen 2 Schwenkmechaniken für das Fasen zum Einsatz:

  • Endlos drehbar
  • Winkelbegrenzt/Winkelkoordiniert

Bei den endlos drehbaren Aggregaten treten in der Praxis nicht selten folgende Probleme auf: Dichtigkeit der Gasverteiler und Kontaktwiderstände,Signalstörungen bei den Schleifringen für die elektrische Energieübertragung beim Plasma.

  • Endlos drehbar: Schleifkontakte unterliegen der Verschmutzung und Abnutzung
  • Endlos drehbar: die gasführenden Leitungen können undicht werden

Wir konnten bereits bei einigen Anwendern abgebrannte Fasenaggregate begutachten, die sich durch Undichtigkeiten entzündet hatten und zum Maschinenausfall führten. Daher haben die Maschinenentwickler Weiterentwicklungen hervor gebracht, die eine andere Technologie einsetzen - sie überwachen den Drehwinkel elektronisch mit Hilfe einer dafür geeigneten CNC-Steuerung. Man geht dabei nicht mehr von einer Endlosdrehung aus, sondern limitiert den Drehwinkel zum Beispiel auf 500° bis 800°, was für die meisten technischen Anforderungen ausreicht.

Leistungsfähige CNC-Steuerungen erlauben diesen Überwachungsaufwand, da die Steuerung das Rückdrehen des Aggregats in Abhängigkeit des zu schneidenden nächsten Teils, überwachen muss. Nach einer ausgeschnittenen Kontur dreht die CNC automatisch den Fasenbrenner in die Ausgangsposition zurück.

Erfordert die Kontur einen größeren Drehbereich, so entscheidet die CNC ob sie in einer Ecke, in der der Schneidkopf neu positioniert wird, gleichzeitig zurück dreht oder nicht. Da eine Grundforderung für ein auszuschneidendes Teil darin besteht, dass die Kontur geschlossen sein muss, liegt also auch der Schluss nahe, dass man mit 360° Drehung zuzügl. Anstich- und Abstichkontur (je 90°), zuzügl. eventl. geometrischer Anforderungen bzw. Reserven (180°) auskommen sollte. Die Drehung darf nicht zu groß sein, sonst besteht die Gefahr, dass die Kabel und Schläuche mittelfristig durch Torsion in Störung gehen. Sinnvoll sind je nach Anwendung ± 440° Drehwinkel, d.h. eine volle Kreisbewegung plus Anschnitt jeweils in links und in rechts Richtung ergeben gesamt also 880°. Spiralen lassen sich daher nur bedingt automatisch fasen. Viele Hersteller konstruieren aufwendige Schlauchführungssysteme, die ein konstantes Tordieren des Schlauchpaketes erlauben sollen, ohne das Nachteile in Schnittqualität oder Lebensdauer spürbar sein sollen. Ein Reihe von Lieferanten für Energieketten, haben mittlerweile interessante Ketten-Systeme für kontinuierliche Drehbewegung entwickelt, so dass man vermehrt die Möglichkeit hat, auf bestehende Systemkomponenten zurück zu greifen. Je länger dabei der einkalkulierte Schlauchweg, desto weniger Flächenbelastung wird auf den Schlauch übertragen.

Beispiel: Wird der Schlauch über einen Weg von 1m tordiert, so belastet es ihn weniger, als wenn der tordierte Schlauch nur 30 cm zum Verdrehen zur Verfügung hätte. Daraus ergeben sich auch die Konstruktionsformen mancher Fasenaggregate, die bei langer Schlauchführung schnell 1 bis 1,5m Bauhöhe erreichen und ein hohes Eigengewicht besitzen, was zu aufwendigen Maschinenbaugrößen, Lagern, Antriebssystemen etc. führen kann. Wenn gleich die neuen Energieketten der Systemlieferanten durchaus sehr klein bauen können, weil sie radial auf- und abwickeln. Bei Robotersystemen wird eine andere Schlauchführung gewählt, da diese Systeme aufgrund ihres hohen Freiheitsgrades an Bewegungsmustern den Schlauch ähnlich einer Handführung halten können. Dennoch muss auch hier darauf geachtet werden, dass der Schlauch nirgendwo an einem Bauteilkörper hängen bleiben kann und so beschädigt oder abreißen könnte. In der Vergangenheit wurden im Autogenbereich Fasenaggregate mit 3-Brennerkopf eingesetzt. Doch diese Systeme hatten ihre spezifischen Eigenheiten.

 

 

3-Brenneraggregat

3-Brenneraggregate sind für die Bediener nicht einfach einstellbar, so dass diese oftmals nur mit 2 Brennern gleichzeitig schneiden. Doch auch dabei treten systembedingt einige Nachteile auf. Der größte Nachteil ist der große Material-Verschnitt, den diese Systeme mit sich bringen. Aufgrund des Brennerversatzes benötigen die Mehrkopfsysteme auch eine große Fläche, auf der sie wenden müssen. Sowohl der Autogen- als auch der Plasmaschneidprozess arbeiten nur, solange sie Material schneiden, Material verfügbar ist. Also muss die Drehung auch in "echtem", teuren Material erfolgen. Dies bedeutet größere Schachtelabstände und somit mehr Schrott. Ein weiteres Problem liegt darin, dass jeder Winkel natürlich auch eine andere Schneidlänge besitzt - jede Schneidlänge hat natürlich auch eine eigene individuelle Schnittgeschwindigkeit - diese Systemeigenschaft wurde, wie es scheint, von vielen Anwendern oft übersehen. Denn bei einem 3-Brenneraggregat wurde in der Vergangenheit häufig der Kompromiss getroffen, welche Schnittkante am ungenausten sein dürfe. Die Maschine kann nur mit einer Vorschubgeschwindigkeit betrieben werden.

Es macht einen großen Unterschied ob man 40mm Stahl senkrecht mit beispielsweise idealen 350 mm/min einstellt und der Fasenschnitt sich dann auf z.B. 56 mm beläuft und eigentlich mit 240 mm/min ideal geschnitten werden müsste. Wie man es auch anstellt, eine Schnittkante besitzt mehr Grat, da sie nicht mit der optimalen Schnittgeschwindigkeit erzeugt werden konnte. Damit verbunden besitzt eine Schnittkante nur eine kompromissbehaftete Maßhaltigkeit, da eben nur eine Schnittspaltkompensation zur Verfügung steht. Apropos Schnittfugenkompensation - auch hier gilt, dass eine CNC nur einen Wert für die ganze Kontur ansetzen kann, obwohl physikalisch jeder Winkel eine eigene Kompensation erforderlich macht. Damit überhaupt vernünftig kompensiert werden kann, benötigen die Winkelbrenner auch eine Lateralverstellung, die jedoch bei vielen 3-Brenneraggregaten aus Kostengründen nicht integriert wurde. Elektrische Lateralverstellungen mit eigenen Antrieben bieten den Vorteil, dass die CNC-Steuerung die Kompensation in Abhängigkeit des Winkels automatisch vornehmen kann, sofern die Korrekturwerte der CNC bekannt sind. Zu berücksichtigen ist auch, dass bedingt durch verschiedene Winkel auch verschiedene Vorheizzeiten erforderlich wären, wobei man diesen Nachteil dadurch umgehen kann, dass erst nach dem Lochstechen die Brenner geschwenkt werden und somit das Vorheizen im senkrechten Zustand für alle drei Brenner identisch sein kann.

Zusammenfassung der Nachteile der 3-Brenneraggregate:

  • hoher Materialverschnitt
  • keine optimalen Schnittgeschwindigkeiten für die anderen Brenner
  • keine Schnittfugenkompensation für die restlichen Brenner
  • je nach Modell, fehlt eine auto. Lateralverstellung
  • unterschiedliche Vorheizzeiten
  • Schneiddicke begrenzt, Einsatz hört oft bei 80 bis 100 mm Materialdicke auf
  • erlischt ein Brenner, ist ein Schnitt zwar wieder aufnehmbar, jedoch mit Kompromissen
  • durch die Komplexität des Systems, ist dies für einen Bediener nur steuerbar, wenn dieser viel Erfahrungen besitzt, hohe Personalanforderung

Trotz dieser Nachteile, gibt es Anwendungen die dennoch für den Einsatz eines 3-Brenneraggregates sprechen, vor allem wenn Stückzahlen und Materialdicken dies sinnvoll erscheinen lassen. Hersteller, die hier brauchbare Lösungen entwickeln und anbieten, dürften sich über einige interessante Aufträge freuen.

Vorteile des 3-Brenneraggregats

  • Oftmals die einzige maschinelle Lösungsmöglichkeit bei besonders großen Materialdicken
  • Schnelle Lösung, das die Schweißnaht in einem Zug erzeugt wird
  • Wenn die Erfahrung des Bedieners ausreicht, sind technisch ansprechende Schnittqualitäten möglich

 

Das 3-Brenneraggregat ist vergleichbar mit dem dreirädrigem Auto - manche lieben es, andere können damit nichts anfangen. Es hängt eben vom Anwendungsfall und den Randbedingungen ab. Da wo es passt, erfreut sich das 3-Brenneraggregat hoher Beliebtheit, selbst dann, wenn nur mit 2 anstelle der 3 Brenner gleichzeitig geschnitten wird. Mit manchen Kompromissen kann man gut leben, andere bekommt man im Laufe der Zeit in den Griff.

 

NEU: Das 2-Brenner-Plasmaaggregat

Auf dem Deutschen Schneidkongress® 2016 hat Dr. Hassel, Leibniz Universität Hannover, UWTH ein ganz neues Verfahren vorgestellt:

Das 2-Brenner-Plasmaaggregat

Dabei kamen im Labor zwei einfache konventionelle Plasmabrenner zum Einsatz. Man wollte testen, ob zwei räumlich eng beieinander liegende Plasmaschneidbrenner sich magnetisch beeinflussen. Sollte dies der Fall sein, so würde das Ergebnis negativ ausfallen.

Doch die Versuche verliefen extrem positiv: Zwei einfache und damit verhältnismäßig preiswerte Normal-Plasmabrenner konnten parallel betrieben werden. Der eine Kopf wurde nur leicht um wenige Grad geneigt, so dass er eine fast 90° senkrechte Schnittkante erzeugte, während der zweite Kopf die Schweißfase einbrachte, ohne vom anderen Kopf elektrisch oder magnetisch signifikant beeinflusst worden zu sein.

Das Resultat darf als erfreulich bezeichnet werden, da Schweißnahtfasen erzeugt wurden, die maßhaltig und sauber waren und dieses Ergebnis konnte mit verhältnismäßig geringem Aufwand mit nur zwei konventionellen Plasmabrennern erreicht werden, Qualitätshochleistungsplasmabrenner waren dabei nicht erforderlich.

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