Plasmaschneiden - das robuste Schneidverfahren

Beim Lochstechen mit dem Plasmabrenner starker Funkenflug
Doppel-Plasmaschneidbrenner mit Feinstrahlplasma 260A-Brennern. Zuschnitt von Stahl S235 mit einer Materialdicke von 12mm.

Plasmaschneiden zählt generell zu den wirtschaftlichen Trennverfahren bei Stahl- und Metallzuschnitten. Doch seine "genetisch" bedingte hohe Wirtschaftlichkeit erreicht das Verfahren nur, wenn bestimmte Randbedingungen berücksichtigt werden. Plasmaschneiden kennt auch technische Grenzen, die es zu kennen und zu berücksichtigen gilt. Für den optimalen Einsatz der Plasmaschneidtechnologie lohnt es sich, die Hintergründe zu beleuchten.

Plasma wird auch als "robustes" Verfahren bezeichnet, weil es relativ geringe Anforderungen an die betriebliche Umgebung und das Schneidgut stellt. Welche dies im Einzelnen sind, erfahren Sie in diesem Kapitel.

Hier erfahren Sie herstellerneutral Wissenswertes rund um das Plasmaschneiden. Die dazu gehörigen Plasmaschneidanlagen werden in einem gesonderten Kapitel unter "Maschinen" betrachtet. Passende Lohnschneider finden Sie im Marktplatz ebenso, wie Angebote für Neu- und Gebrauchtmaschinen, Prospekte, Videos oder eine Menge an geldwerten Informationen für Mitglieder. 

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Was versteht man unter Plasma?

Feinstrahlplamsabrenner mit Fasenkopf
Feinstrahlplamsabrenner mit Fasenkopf

Plasma wird als der 4. Aggregatzustand in der Natur bezeichnet. Wahrscheinlich hatte bereits jeder Mensch schon einmal Kontakt mit Plasma in der freien Natur - nämlich bei einem Gewitter. Die elektrische Entladung des Lichtbogens erzeugt Plasmagas - ein Gas, das man sogar riechen kann. Manche Menschen sprechen auch von "reiner Luft" nach einem Gewitter und meinen dabei das als "frisch" riechende Gas - Ozon O3, das durch die elektrische Entladung entsteht. Wie man mit diesem "Gewitter" Stahl trennt, beispielsweise bis zu 160 mm dickem Edelstahl oder Aluminium erfahren Sie hier.

 

Ein Gas wird durch elektrische Energie ionisiert (d.h. die Elektronen auf den äußeren Atomschalen werden frei gesetzt). Beim Auftreffen der Gasmoleküle auf den elektrisch leitfähigen, zu schneidenden Gegenstand fallen die Elektronen in ihren Ausgangszustand zurück und setzen dabei ihre Rekonfigurationsenergie frei. Im Auftreffpunkt werden Temperaturen um bis zu 30.000 K erreicht. Das Material schmilzt sehr schnell, durch den Vorschub der Maschine und das Ausblasen der Schnittfuge entsteht ein Schnitt. Dabei bläst der Gasstrom kontinuierlich das weiche Material aus der Schnittfuge heraus und trennt so das Material. Die entstehenden Gase müssen über einen geeigneten Filter abgesaugt werden. Auch wenn Sauerstoff als Plasmagas zum Einsatz kommt, sprechen wir beim Plasmaschneiden von einem Schmelzschneidprozess, da der Einfluss der externen Hitze durch den Lichtbogen größer ist, als der des Brennschneidprozesses, der bei Verbrennung mit Sauerstoff zum Tragen kommt. Charakteristisch für den Lichtbogen ist seine blasenförmige Ausgestaltung, womit sich die Notwendigkeit ergibt, über eine geeignete Z-Achsen Höhenregelung einen optimalen Brennpunkt für das Auftreffen des Lichtbogens einzustellen und nachzuführen.

Der Wirkungsgrad heutiger Plasmaschneidsysteme liegt bei 80 bis 90%, das bedeutet, dass seine elektrische Anschlußleistung bei vergleichbarer Schneidleistung erheblich geringer als bei einem CO2-Laser ausfällt.

 

CO2-Laser erreichen physikalisch bedingt einen Wirkungsgrad von 10 bis max. 15%, d.h. ein 5 kW Laser benötigt rund 50 bis 60 kVA Anschlussleistung inkl. der erforderlichen Kühlung. Der Faserlaser hingegen arbeitet mit einem rund doppelt so hohen Wirkungsgrad von bis zu 35%, der Halbleiter-Diodenlaser hingegen kommt auf rund 40%, so dass seine Anschlussleitung im Verhältnis zum CO2-Laser geringer ausfällt.

Die Schnittleistung beispielsweise eines 260A-Präzisions-Plasmabrenner entspricht ca. der eines 6 kW CO2-Lasers, wobei seine Anschlussleistung hingegen nur ¼ beträgt, ca. 35 kVA.

Mit einer 600-Ampere Plasmastromquelle, die samt Kühlung eine elektrische Anschlussleistung von ca. 190 kVA samt Kühlung benötigt, kann 150 mm dicker Edelstahl mit einer Schnittgeschwindigkeit von rund 250 mm/min geschnitten werden.

Der Plasmastrahl ist zwar sehr energiereich, jedoch lässt sich seine Energie nicht auf eine so kleine Fläche fokussieren wie beim Laser, seine Energiedichte ist somit geringer als beim Laser.  Dies bedeutet im praktischen Einsatz, dass sich eine breitere Schnittfuge bildet und damit auch ein größerer Materialaustrag entsteht.
Die geringe Bündelungsfähigkeit des Plasmastrahls erhöht auch den Einfluss der Hitzeeinwirkung auf das Material und seine Gefügeänderung im Randzonenbereich des Schnittes.

Beim Plasmaschneiden spielen mehrere Komponenten zusammen, wenn man der Einfachheit von dem "Plasmaschneiden" spricht, so umfasst der Begriff eine Vielzahl von erforderlichen Komponenten:

  1. Die Plasmastromquelle
  2. Die Gase-Mischkonsole
  3. Das Schlauchpaket
  4. Den Plasmabrenner samt seinen Verschleißteilen
  5. Und nicht zu vergessen: Der CNC-Schneidanlage, die für die korrekte Ansteuerung und die geometrische Bahnbewegung verantwortlich ist.

Wir werden im Folgenden über alle Punkte ausführlich berichten.

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