Was versteht man unter Plasmaschneiden und wie funktioniert ein Plasmaschneider?

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Beim Lochstechen mit dem Plasmabrenner starker Funkenflug beim Plasmaschneiden
Plasmaschneiden mit 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, zu verstehen, wie Plasmaschneiden funktioniert, was die Grenzen, die Vorteile aber auch die Nachteile des Schneidverfahrens sind.

Plasmaschneiden gehört zu der Gruppe der thermischen Schneidverfahren, zu der auch das Brennschneiden mit dem Autogenbrenner und das Laserschneiden zählen.

Funktionsweise Plasmaschneiden

Der Plasmastrahl wird durch einen elektrischen Strom erzeugt, der das Schneidgas ionisiert und Temperaturen oberhalb von 30.000 Kelvin erreicht. Seine Energie reicht aus, um beispielsweise 160 mm Edelstahl zu trennen. Plasmaschneiden zählt generell zu den wirtschaftlichen Trennverfahren bei Stahl- und Metallzuschnitten. Doch seine "genetisch" bedingte hohe Wirtschaftlichkeit erreicht das Verfahren nur dann, wenn bestimmte Randbedingungen berücksichtigt werden. Plasmaschneiden kennt auch technische Grenzen, die zu berücksichtigen sind, wenn man das Verfahren erfolgreich einsetzen will.

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 den folgenden Kapiteln rund um das Plasmaschneiden. Welche Genauigkeiten, Schnittgeschwindigkeiten und Toleranzen mit dem Plasmaschneider zu erreichen sind, erfahren Sie hier.

Die dazu gehörigen Plasmaschneidmaschinen werden in einem gesonderten Kapitel unter "Schneidmaschinen" betrachtet.

Was versteht man unter Plasmaschneiden?

Unter Plasmaschneiden versteht man einen thermischen Schneidprozess, bei dem ein Gas durch elektrische Energie ionisiert wird, d.h. die Elektronen auf den äußeren Atomschalen werden frei gesetzt. Beim Auftreffen des ionisierten Gases auf das Schneidgut fallen die Elektronen auf ihre ursprünglichen Schalen zurück und geben so Rekombinationsenergie frei, die am Auftreffpunkt des Materials Temperaturen um die 30.000 K erreicht. Das zu schneidende Material verflüssigt sich quasi sofort und wird durch den Gasstrahl aus der entstehenden Schnittfuge heraus geblasen. Aufgrund der hohen Energie wird ein geringer Teil des Materials auch subklimiert.  

Das Material schmilzt sehr schnell, durch den Vorschub der Maschine und das Ausblasen der Schnittfuge entsteht ein Schnittspalt. 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.

Als Plasmagas wird häufig, aber nicht immer, Sauerstoff eingesetzt. Wir sprechen beim Plasmaschneiden von einem Schmelzschneidprozess, da der Einfluss der extremen Hitze durch den Lichtbogen größer ist, als der des Brennschneidprozesses, der bei Verbrennung mit Sauerstoff zum Tragen kommt.

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.

Durch Ionisation des Plasmagases und seiner anschließenden elektrischen Entladung entsteht ebenfalls Ozon.

Ozon ist ein Gas, dass die Lunge gut aufnimmt und es bewirkt neben einem "frischen" Geruch auch ein Schwindelgefühl im Kopf. Es zerfällt im Körper nach kurzer Zeit von allein und verflüchtigt sich auch im Betrieb. Dennoch muss beim Betrieb einer Plasmaschneidanlage für genügend Frischluft gesorgt werden. Ozon gilt als keimtötendes Desinfektionsmittel und kann zu einer Reizung der Atemwege führen.

Wie funktioniert der Plasmaschneider?

Systemaufbau eines Plasmastromkreises für das Plasmaschneiden mit Plasmastromquelle und Stromlaufplan
Systemaufbau eines Plasmastromkreises für das Plasmaschneiden

Erklärung des Schaubilds "Systemaufbau eines Plasmastromkreises"

Das Schaubild erklärt die Funktionsweise eines Plasmaschneiders. 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. Sowie das zu schneidende Material, das elektrisch leitfähig sein muss.

Wir werden im Folgenden über alle Punkte ausführlich berichten.

Plasmaschneiden basiert auf einem geschlossenen Stromkreis. Die Plasmastromquelle liefert zwei Anschlüsse, die Masse, mit der der Brennschneidtisch verbunden wird, auf dem über elektrische leitende Metallstreben das Metall aufliegt und den Pluspol, der über das Schlauchpaket zur Plasmaschneidkopf geführt wird.

Störungen beim Plasmaschneiden treten mitunter häufig dadurch auf, dass eine der Leitungswege unterbrochen ist oder Übergangswiderstände oder lose Schraub- oder Klemmverbindungen den Stromfluss behindern.

Was genau im Inneren des Brenners passiert, hängt ein Stück weit vom Modell des Brenners ab. Ausgehend von den weit verbreiteten Maschinenbrennern wird die erste Zündung, der Pilotlichtbogen, zwischen Elektrode und Düse gezündet. War die Zündung erfolgreich wird der Lichtbogen auf das Werkstück übertragen indem das Gas einströmt. Die Gasemischkonsole spielt ebenso wie die Regelung des Stromflusses eine große Rolle beim wirtschaftlichen Plasmaschneiden.

Der übertragende Lichtbogen erzeugt in der Blechtafel das Einstechloch, man spricht vom piercing. Das Lochstechen mit dem Plasmabrenner erfolgt in kürzester Zeit, in der Regel auch in größeren Materialdicken von z.B. 40 mm in rund 1 Sekunde. Nach erfolgtem Einstechen schaltet die Stromquelle den Hauptstrom ein und erteilt ein Freigabesignal an die CNC-Steuerung des Portalschneidsystems - der Ausschnitt kann nun beginnen.

So weit die vereinfachte Darstellung des Schneidverfahrens beim Plasmaschneiden.

Für einen wirtschaftlichen Schnitt sind neben der Schnittqualität und der Schnittgeschwindigkeit auch die Lebensdauer der Verschleißteile ein wichtiges Kriterium. Sprunghafte Anstiege vom Strom-und Gasdurchfluss sind zu vermeiden. Moderne Qualitätsplasmastromquellen sorgen für geregeltes Ein- und Absenken der Energien und erreichen durch optimierte Verschleißteile lange Standzeiten und sehr hohe Schnittqualitäten.

Da Plasmaschneiden auf einem Stromfluss basiert liegt die Vermutung nahe, dass Plasmastromquellen und die Plasmaschneidmaschine samt dem Plasmabrenntisch sehr gut geerdet sein sollten. Die Plasmahersteller geben hier unterschiedliche Richtlinien vor, an die man sich tunlichst halten sollte. Denn die Ströme und Spannungen sind hoch genug, um Personen zu gefährden. Daher ist eine sorgfältige Erdung der Anlage zwingend erforderlich. In einem besonderen Fall sollte eine Plasmaschneidanlage bei einem Kunden im Rheingebiet aufgebaut werden. Da das Grundwasser im Gebiet des Rheinufers für die Trinkversorgung der Gegend verwendet wird, liegt der Grundwasserspiegel sehr tief. Der Hersteller des Plasmaschneiders gab nun vor, dass der Erdungswiederstand kleiner 3 Ohm einzuhalten sei, was nur durch einen eigenen Erder zu erreichen war. Dieser Erder sollte aber auch im Sommer immer mit dem Grundwasser in Kontakt stehen. Damit diese Vorgaben erfüllt werden konnte, musste ein 18 m tiefen Erder in den Boden eingeschlagen werden. Sicherheit geht vor. Planen Sie solche Unwägbarkeiten lieber im voraus mit ein, wenn Sie sich dafür entscheiden, ein Plasmaschneidsystem zu installieren.

An anderer Stelle im Schneidforum sprechen wir auch über Fundamente, Logistik, Krananlagen und weiteren Tools, die mit dem wirtschaftlichen Plasmaschneiden zusammen hängen.

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

Mit einer 600-Ampere Plasmastromquelle, die 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.

Zum Vergleich: 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, insbesondere der Halbleiter-Diodenlaser hingegen arbeitet mit einem rund drei- bis viermal so hohem Wirkungsgrad von bis zu 45%, so dass seine Anschlussleitung im Verhältnis zum CO2-Laser geringer ausfällt.

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.

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 während des Schneidprozesses kontinuierlich nachzuführen.

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

Was wird zum Plasmaschneiden benötigt?

Für das erfolgreiche Plasmaschneiden wird benötigt:

  • die Plasmastromquelle,
  • der Plasmaschneidkopf, der oftmals auch als Plasmabrenner bezeichnet wird,
  • die Verbindungsschlauchpakete,
  • eine Gaskonsole mit dazugehörigen Gasen,
  • eine Erdung und eine Masseverbindung.
  • ein geeignetes Führungssystem, sei es eine manuelle Vorrichtung oder eine halbautomatische Einheit oder ein vollautomatisches CNC-gesteuertes Antriebs- und Koordinatensystem, dass man Plasmaschneidanlage bzw. Plasmaschneidmaschine nennt.

Darüber hinaus wird noch benötigt:

Plasmaschneiden ohne Filter sollte man in jedem Fall vermeiden. Im Außenbereich auf Baustellen in freier Umgebenung ist der Einsatz eines Filtersystems oftmals nicht möglich, dann sollte aber für genügend Frischluft und eine geeignete Filtermaske für den Bediener gesorgt werden. Auch andere Schutzkleidung und Augenschutz sind beim handgeführten Plasmaschneiden erforderlich.

Beim Plasmaschneiden mit einer CNC-gesteuerten Schneidmaschine sind der Brennschneidtisch und ein geeignetes Filtersystem Grundvoraussetzung.

Wenn man maschinell schneiden möchte, sollte man auch Schneidmaschinen mit CAD/CAM-Software zur Verfügung haben, die über eine geeignete schnelle Höhenregelung der motorischen Z-Achse verfügen, damit der Abstand des Brenners zum Schneidmaterial exakt nachgeführt werden kann.

Setzt man eine Plasmaschneidmaschine ein, so muss diese auch auf einem hierfür geeignetem Fundament montiert werden. Für ein wirtschaftliches Artbeiten mit einer Plasmaschneidanlage sollte diese an eine gute Intralogistik, Krananlagen etc. adaptiert werden, so dass Sie große Aufträge wirtschaftlich abarbeiten können.

Für die Materialvorhaltung brauchen Sie Lagerfläche und Ablagefläche für die Fertigprodukte.

Denken Sie auch an die Entgratung der Teile.

Natürlich sind auch die elektrischen und die gastechnischen Energiequellen bereit zu stellen. Abhängig von der Plasmastromquelle ist der elektrische Anschluss zu wählen und der kann je nach Plasmaschneider ziemlich hoch sein, Anschlussleistungen von mehr als 120 kVA sind möglich.

Welche Gase werden zum Plasmaschneiden benötigt?

Die Gase hängen von dem zu schneidenden Material und dem eingesetzten Plasmaschneider ab. Es gilt: Immer primär die Vorgaben und Anweisungen der Hersteller im Handbuch beachten!

  • Im Minimum bei einfachsten Anwendungen genügt Druckluft zum Plasmaschneiden.
  • Die meisten Plasmaschneider können auch alternativ mit Stickstoff betrieben werden.
  • Zu unterscheiden ist beim Plasmabrenner ob ein Eingassystem oder ein Mehrgasbrenner zum Einsatz kommen. Bei Mehrgasbrennern sind durchauus zwei und mehr verschiedene Gase im Einsatz. Ein Gas dient zum Plasmazuschnitt und das zweite Gas, meist als Sekundärgas bezeichnet übernimmt die Einschnürrung des Plasmagases und die Kühlung der Düse.

Bei Qualitäts-Feinstrahlplasmabrennern kommen in der Regel weitaus mehr Gase zum Einsatz, die wir im über die Plasmabrenner-Arten gesondert vorstellen. Hier eine kurze Zusammenfassung:

  • Stickstoff, Sauerstoff bei Stahlzuschnitten;
  • Argon-Wasserstoff oder Formiergase für den Zuschnitt von Edelstahl.

Manche Plasmabrenner benötigen darüber hinaus noch Kühleinheiten und Kühlmittel.

Sie sehen, das ganze Umfeld addiert sich schnell zu einem komplexen und leistungsfähigen System, wobei das schwächste Glied in der Kette die Wirtschaftlichkeit und den Materialausstoß bestimmt.

Marktplatz für Plasmaschneidanlagen, Verschleißteile und Plasmazuschnitte

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