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.

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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.

Hinweis: Diese hier vorgestellten Informationen und Tipps werden je nach technischem Stand und Fortschritt erweitert und aktualisiert. Sie sind niemals als fertig im Sinne "endgültig", anzusehen. Ebenso werden im Laufe der Zeit neue Themen hinzugefügt werden. Bei aller Sorgfalt und Neutralität ersetzen diese allgemein gehaltenen Vorschläge keine individuelle Beratung mit Lieferanten und externen Beratern, sondern dienen zur besseren Orientierung und als Hilfe im Betrieb. Es gelten unsere AGB.

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.

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Die Oberflächenbeschichtung einer Filterpatrone macht den Unterschied

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! 

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

Gibt es Alternativen 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.

Je nach Verhalten der abzusaugenden Substanzen, Partikel und ihrem Energiegehalt wird ein Nasswäscher als Vorstufe vor den eigentlichen Patronenfilter geschaltet, um Funken oder grobe Partikel in einem ersten Durchgang abzubremsen und so den Patronenfilter zu schützen, falls ein einfaches Prallblech diese Aufgabe nicht erfüllen kann.  

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 viele der modernen Filteranlagen ihren Zustand 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.

Manche 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.    

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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. Ja nach Patronenart entstehen unterschiedliche Differenzdrücke bei Patronenfiltern, die damit verbunden auch einen spezifischen Energieverbarauch besitzen, der weit voneinander abweichen kann, je nach Filtermodell. Die Energien können daher durchaus auch oberhalb von 12 kVA als Anschlußleistung erforderlich sein. Klären Sie dies vorab mit Ihrem Lieferanten ab und sichern Sie eine entsprechende Zuleitung und Trafoleistung ab.
  • 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. Je nach Filtergröße sind 6, 9 oder mehr Patronen in einem Filteraggregat eingebaut.
FAQ Filteranlagen

Brand Filteranlage

  • Wir haben mit unserer neuen Plasmaschneidanlage 53 Stunden geschnitten. Und zwar zweimal Edelstahl ansonsten Baustahl S235 unter anderem gestern 12 mm. Nach drei Stunden Schnitt, mitten im Schachtelplan ist uns gestern der Filter abgebrannt, die Feuerwehr musste kommen, um den Brand zu löschen. Schaden rund 12T Euro.
  • Wir haben das gleiche Problem an unsere Plasmaschneidanlage gehabt. Zwei Jahre nach dem die Anlage installiert wurde, ist uns die Filteranlage abgebrannt. Es hat nichts damit zu tun dass CrNi-Stähle gebrannt werden.
  • Eine große Rolle spielt der Weg zwischen dem Brenntisch und der Filteranlage. Bei einem kurzen Weg ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Funke bis zur Filteranlage durchdringt sehr hoch. Am schlimmsten sind Zigarettenkippen. Wenn eine in den Brenntisch geworfen und während sie noch glüht eingesaugt wird, ist ein Filterbrand vorprogrammiert. Wir haben direkt danach eine Feuerlöschanlage einbauen lassen.
  • Auf jeden Fall gehört die Löschanlage nicht zum Standard und muss vom Kunden gegen Aufpreis gefordert werden.

Eine weitere Maßnahme ist das Installieren eines Funkenvorabscheiders über Wasser. Auch dies kann die Gefahr reduzieren, dass Funken in den Filterraum eindringen, ganz ausschließen kann man es aber nicht.

Am gefährlichsten wird es, wenn unterschiedliche Materialien, insbesondere Aluminium geschnitten werden, egal ob mit Plasma oder Laser. Die Gefahr der Selbstentzündung im Filter ist dann recht hoch.

Mein Brenntisch qualmt obwohl der Filter neu ist, woran kann das liegen?

Es kann viele mögliche Ursachen haben, die es zu erfragen gilt.

  • War der Brennschneidtisch für den Plasmabrenner ausgelegt oder ist ein Plasmabrenner später hinzu gekommen?
  • Ist der Plasmabrenner gewechselt worden und der neue ist leistungsfähiger mit höheren Strom und mit mehr Gasdurchsatz?
  • Wurden weitere Brenner hinzugefügt?
  • Werden viele Längsschnitte erzeugt, z.B. beim Besäumen, so werden die einzelnen Tischsektionen schnell überfahren und die Klappen öffnen bzw. schließen nicht schnell genug. Um effizient Abzusaugen ist eine gewisse Luftströmungsgeschwindigkeit erforderlich - diese benötigt aber Zeit um sich aufzubauen. Fehlt diese Zeit, weil der Plasmabrenner zu schnell über die einzelnen Kammersegmente des Tisches fährt, kann die Absaugung ineffizient werden und Rauch entweicht.  
  • Ist der Tisch regelmäßig gereinigt und gewartet worden?
  • Schließen die Luftklappen dicht? Nicht selten schleifen oder reiben die Klappen in der Klappensteuerung, auch können herabfallende Blechreste, Schlacke die Klappen versperren oder beschädigen. Sind mehrere Kammern gleichzeitig geöffnet, wird die abzusaugende Oberfläche zu groß, bzw. die Filterleistung ist dafür nicht ausgelegt. Stimmt das Strömungsverhalten nicht mehr, wird nicht mehr der erforderliche Luftstrom abgesaugt, dann steigt der Rauch in der Halle auf, es qualmt.
  • Natürlich können Strömungsverluste auch in der Rohrleitung entstehen, hier sollten die Wege und die Dichtigkeit überprüft werden.
  • Ist das Filtergerät verstopft? Sind die korrekten Filterpatronen eingesetzt worden?  
  • und weitere Störungen möglich ...
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