Filteranlagen und Patronenfilter für thermische Schneidanwendungen

Hitzebständiger Schutzanzug
Filtern - mal anders. So geht es auch ;-)

Plasma-, Brenn- und Laserschneidanlagen produzieren beim Zuschnitt einen feinen Staub, der hohe Anforderungen an eine geeignete Filteranlage stellt. Untersuchungen einiger Filterhersteller ergaben, dass 99% des erfassten Staubes eine sehr feine Körnung besitzt, die kleiner als 1 µm ist. Die Konsistenz des Filterstaubes ist für gewöhnliche Filteranlagen nur schwer handhabbar. Bei unseren Testreihen stellten wir fest, dass normale Schweißrauchfilter mit einfachem Gewebefiltermaterial bereits nach wenigen Minuten irreparabel zugesetzt waren. Eine Abreinigung des Filtermaterials war somit nicht mehr möglich. Schneiden wir das Filtermaterial auf, so stellen wir fest, dass es voller Metallkörnchen ist, die sich mit dem Gewebe verklebt haben und somit nicht abgereinigt werden konnten. Patronenfilter sind aufgrund ihrer einfachen Handhabung in der Regel die häufig anzutreffenden Filtersysteme für den Einsatz an thermischen Schneidanlagen.

Geeignete Filtersysteme für Plasma-, Brenn- und Laserschneidanlagen

Staub, der < 1 µm ist, besitzt die Eigenschaft, dass er alveolengängig ist. Will man Plasmastaub oder Laserstäube erfassen, so bedarf es eines geeigneten Filtersystems - man setzt hierzu Systeme ein, die nach dem Prinzip der Oberflächenfilterung arbeiten. Doch auch Gewebefilter eignen sich, wenn ihre Oberfläche und Strömungsgeschwindigkeiten entsprechend ausgelegt werden. Am häufigsten kommen Patronenfilter bei CNC-gesteuerten Schneidanlagen zum Einsatz, da diese eine bis zu dreifach größere Oberfläche bei gleicher Baugröße bieten als normale Gewebefilter dies vermögen oder anders ausgedrückt, man kann Patronenfilteranlagen kompakter bauen, was den begrenzten freien Stellflächen in so manchem Betrieb gelegen kommt. Auch die Handhabung beim Wechsel der Filtermedien gestaltet sich bei Patronenfilter in der Regel als sehr unkompliziert und einfach.

Prekutierte Patronen versus nicht prekutierten Filterpatronen

Wir unterscheiden mindestens zwei Arten von Patronenfilterkonzepten bei der Filterung von Stäuben beim thermischen Schneidprozess:
Filtersysteme mit Filterpatronen mit Prekutierung und Filtersysteme mit Filterpatronen ohne Prekutierung.

Bei dem Konzept Filterpatrone mit Prekutierung wird mit Hilfe einer Oberflächenfilterung gearbeitet. Dabei wird das Gewebematerial außenwandig beschichtet - man spricht von "prekutierten" Filtern z.B. mit Teflon oder Talkum (Steatit, Magnesiumsilikathydrat, in pulverisierter Form Talkum; nicht zu verwechseln mit Talg).

Talkum ist ein sehr häufig vorkommendes Schichtsilikat mit der chemischen Zusammensetzung Mg3[Si4O10(OH)2].

Filtersysteme ohne prekutierte Patronen stehen für ein anderes Filterkonzept, bei dem die Patronen in der Regel preiswerter sind und weniger Wartung benötigen. Diese Filtersysteme unterscheiden sich durch ihre lufttechnische Auslegung. Sie arbeiten mit anderen Differenzdrücken und Strömungsgeschwindigkeiten. Bei nicht prekutierten Patronen hängt der Erfolg des Filtersystems von einer besonders großzügig ausgelegten Filteranlage mit geringem Differenzdruck und genügender Filterfläche ab.

Wozu dient die Oberflächenbeschichtung einer Filterpatrone beim thermischen Schneiden?

Der evakuierte Feinstaub kann nicht mehr in das Filtermaterial eindringen. Er bleibt an der Oberfläche haften und baut einen Staubkuchen auf der Oberfläche des Filtermediums auf. Ist die Staubkuchenmenge groß genug angewachsen, so lässt sie sich mit einem Druckluftstoß abreinigen. Diese Abreinigung erfolgt automatisch durch die Filtersteuerung in einem zyklischen Rhythmus. Das abgesprengte Staubmaterial fällt in den Staubsammelbehälter. Je nach Metallart (Edelstahl, Aluminium,...) muss der abgereinigte Staub entsorgt werden.

Oberflächenbeschichtete Filter müssen aufgrund der geringen Luftdurchlässigkeit des Filtermaterials mit höheren Differenzdrücken arbeiten, als normale Gewebefilter oder nicht prekutierte Patronen. Dies erfordert eine höhere Leistungsaufnahme der Motoren. Den idealen Arbeitspunkt erhält die Patrone erst nach leichter Staubbeaufschlagung, d.h. die optimale Filterwirkung stellt sich erst dann ein, wenn der Filter an der Oberfläche mit Staub beschichtet ist.

Für die Abreinigung des Staubkuchens benötigt der Filter saubere, ölfreie Druckluft. 

Man kann es bereits erahnen - ein Filtersystem kostet einiges in der Anschaffung und verursacht natürlich auch höhere Betriebskosten. Doch aufgrund der auftretenden Emissionen ist eine Filterung bei thermischen Schneidprozessen unabkömmlich.

Ein solches Filtersystem arbeitet zuverlässig, wenn es auf den Schneidprozess, die Schneidanlage und die Tischabmessungen richtig dimensioniert und großzügig ausgelegt wurde UND regelmäßig gewartet wird.

Aus Sicht des Umweltschutzes und aus Verantwortung gegenüber den eigenen Mitarbeitern kann die Bedeutung eines funktionierenden Filtersystems nicht groß genug betont werden! 

Worauf sollten Sie bei der Auswahl eines Filtersystems achten?

  • Beim Plasmabrennschneiden mit Mischgasbrenner werden Gase mit 8 bis 11 Bar in den Tisch eingeblasen. Die aufgewirbelte Luftmenge benötigt eine Erfassungsgeschwindigkeit des Absaugluftstromes von min. 1 m/sek.
  • Die Filteranforderungen für Laserschneidanlagen, bei denen ebenso Gase mit hohen Drücken in den Schneidtisch eingeblasen werden, sind ähnlich wie beim Plasmaschneiden, wobei hier mengenmäßig bei gleichen Schneidaufgaben in der gleichen Zeiteinheit in der Regel weniger Staub anfällt.
  • Die Filterung von Stäuben an Autogenanlagen hingegen gestaltet sich meist unkomplizierter, da hier eine andere Staubbeschaffenheit vorliegt, so dass Filter für Autogenanlagen in der Regel einfacher ausgestattet sind.
  • Doch nur mit einem geeigneten Filtersystem ist ein umweltverträglicher Betrieb einer thermischen Schneidanlage überhaupt erst möglich.
  • Achten Sie auf die einfache Entleerung des Staubsammelbehälters. Plastikbeutel können bei den Gewichten von Metallstaub leicht reißen. Ist der Sammelbehälter auch groß genug oder muss er stündlich geleert werden?
  • Der Lärm eines Filters kann für die Belegschaft unerträglich sein, so dass eine Einhausung oder eine Außenaufstellung des Filters erforderlich sein können.
  • Nicht jeder Filter darf außen aufgestellt werden. Fragen Sie hierzu Ihren Lieferanten.
  • Vorsicht, wenn Sie verschiedene Stoffe auf einer Anlage schneiden. Besonders beim Zuschnitt von Aluminium besteht Brandgefahr. Vor allem wenn der Filter nach einem Schnitt geöffnet wird und Sauerstoff eindringt, besteht die Gefahr der Selbstentzündung. Klären Sie dies vorher mit dem Lieferanten ab.
  • Bei manchen Anwendungen und Zuschnitten bestimmter Metalle besteht Explosionsgefahr im Filter, daher sollte, wo es erforderlich ist, ein Explosionsschutz integriert werden.
  • Ein ausreichenden Funkenabscheider soll vor glühenden Metallfunken das Filtermaterial vor Zerstörung schützen.
  • Bedenken Sie auch, dass im Winter wertvolle Wärmeenergie der Halle nach außen abgeführt wird. Hier kann sich der Einsatz eines Wärmetauschers lohnen, ist vor allem auch vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit eine sinnvolle Maßnahme.
  • Kalkulieren Sie auch den Energiebedarf des Filters ein.
  • Erfassen Sie die Kosten für den regelmäßigen Austausch verbrauchter Patronen. Klären Sie die Kosten vor dem Kauf mit dem Hersteller ab und beziehen Sie diesen Posten in Ihre Betriebskalkulation mit ein.
  • Das Abblasen der Abluft nach Außen kann je nach Umgebung problematisch sein. Eine Klärung vorab ist zu empfehlen.
  • Ein Umluftbetrieb des Filtersystems ist möglicherweise wünschenswert, doch muss vorher geklärt werden, welche Stoffe geschnitten werden sollen und ob ein Umluftbetrieb für diese Stoffe zulässig ist.
  • Lassen Sie das gesamte Lufterfassungssystem vom Hersteller berechnen. Die Tischfläche ist ebenso zu berücksichtigen, wie das Schneidverfahren, das Erfassungssystem, die Rohrlängen und die Rohrdurchmesser.
  • Bedenken Sie, dass das nachträgliche Adaptieren weiterer Brenner den vorher errechneten Luftstrom durcheinander bringt und die Evakuierung gefährdet ist, der einwandfreie Betrieb der Filteranlage ist dann nicht mehr gewährleistet, die Werker nehmen dann zu viel Stäube auf, die Halle verschmutzt.

Thermische Schneidanlagen dürfen generell nicht ohne eine geeignete Filteranlage betrieben werden.

Alternative Filtersysteme zum Patronenfilter: Der Nasswäscher

Manche Hersteller bieten sogenannte Nasswäscher an. Hierbei handelt es sich um einen großzügig ausgelegten Ventilator, der den Staub der Schneidanlage erfasst und über einen Prallabscheider, der als Funkenlöscher dient den Staub in eine große Beruhigungskammer führt. Am Boden der Kammer befindet sich ein Wasserbad. In der Kammer ist ein Trennblech eingeschweißt, das einen Spalt zum Wasserbad offen lässt, durch den das Gas geleitet wird. Die schweren Staubteilchen werden dabei an der Oberfläche des Wasserbads vom Wasser gebunden. Das Wasser verwandelt sich dabei in eine Art Schlacke, die irgendwann entsorgt werden muss.

Da keine Filterstoffe, keine Patronen etc. zum Einsatz kommen ist die Filterwirkung bescheiden. Für einfache Anwendungen mag das System ausreichen. Der Vorteil liegt in der Wartungsfreundlichkeit und den geringen Betriebskosten. Die Abluft des Nasswäschers muss in der Regel nach außen geführt werden.

Darüber hinaus gibt es aber auch Filtersysteme, die zusätzlich über ein Wasserbad verfügen. Diese Systeme unterscheiden sich vom hier vorgestellten einfachen Nasswäscher und werden hier nicht weiter betrachtet.   

Der eingesetzte Schneidtisch beeinflusst ganz wesentlich auch die Auswahl des Filtersystems. Wir unterscheiden Trockenbrenntische und Wasserbrenntische, die wir auf den folgenden Seiten gesondert behandeln.

Bedingungen für einen funktionierenden Filter

Es ist ganz einfach, kein Filter funktioniert ohne Wartung. Regelmässige Reinigung, Auswechseln der Filterpatronen oder der Gewebefilter sollten eine Selbstverständlichkeit sein. Zum Glück überwachen sich viele der modernen Filteranlagen selber und geben der CNC-Steuerung der Maschine ein entsprechendes Freigabesignal. Detektiert die Filteranlage eine Störung oder einen Wartungsbedarf, dann erteilt die Filteranlage der Schneidanlage kein Freigabesignal mehr und der Service ist gefragt.

Nur so kann die Sicherheit der Bediener sicher gestellt werden und auch die Qualität der Abluft in unsere Umwelt als ungefährlich bezeichnet werden.

Moderne Filteranlagen besitzen IIoT-Elemente, sind digitalisiert und somit in der Lage, rechtzeitig eine Bestellung der passenden Patronenfilter auszulösen, wenn Bedarf besteht und verhindern damit Anlagenstillstand.    

Kosten einer Filteranlage

  • Die Anschaffungskosten liegen je nach Modell, Größe, Ausstattung und Materialoberfläche von 4.000,- Euro bis 25.000,- Euro. Natürlich können große Anlagenfilter, die gleich mehrere Schneidanlagen evakuieren auch über 100.000,- kosten.
  • Die Energiekosten können je nach Strompreis nicht unerheblich sein. Aufgrund des hohen Differenzdruckes bei Patronenfiltern können Energien oberhalb von 12 kVA als Anschlußleistung erforderlich sein. Klären Sie dies vorab mit Ihrem Lieferanten.
  • Die Wartungskosten für Patronen sind abhängig von der Anzahl der Patronen. Die Lebensdauer der Patronen ist abhängig von der Belastung und der Feuchtigkeit. Patronen kosten je nach Modell von 200,- bis 600,- Euro pro Stück. In Einzelfällen auch darüber hinaus, je nach Modell.

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