Plasmaschneiden - Stand der Technik

Aktuelle Entwicklungen und Trends bei Plasmaschneidern

Plasmaschneiden wird schneller und genauer

Als Trends und aktuelle Entwicklungen bei Plasmaschneidern kann man erkennen, dass nicht nur Leistungen angehoben worden sind, sondern eine Vielzahl an Kundenwünschen umgesetzt wurde. Modulare Stromquellen, die bei Bedarf mit mehr Leistung ausgestattet werden können, digitalisierte Stromquellen und Gasekonsolen, lärmsenkende Verschleißteile sind nur eine der Entwicklungen.
Noch vor wenigen Jahren sahen wir das stürmische Heranrücken des Faserlasers auf immer mehr Gebieten der klassischen Plasmaschneidanwendungen zukommen. Damit wurde ein für den Anwender positiver Wettlauf der Schneidsysteme Plasma und Laser initiiert. Und somit war auch klar, dass der Wettbewerb die Innovationen beider Schneidverfahren beflügeln wird. Der Plasmaschneider konnte 2021 erneut punkten, denn Mitte dieses Jahres wurde ein neues Plasmaschneidverfahren vorgestellt, dass sich die Vorteile eines Schwenkkopfes zu eigen macht und damit die Schnittgeschwindigkeit und die Schnittgenauigkeit, vor allem den Schnittwinkelfehler u für Plasma erheblich verbessern will.

Dieses neue Plasmaschneidverfahren kennen die Insider der Schneidtechnik bereits vom Wasserstrahlschneiden, dort wird die Vorrichtung erfolgreich eingesetzt, um den Schnittwinkelfehler zu kompensieren. Ein ähnliches System wurde nun für das Plasmaschneiden entwickelt.

Hierzu muss man die physikalischen Besonderheiten des Plasmaschneidens berücksichtigen. Je schneller mit Plasma geschnitten wird, desto größer wird der Neigungswinkel des Zuschnitts, der Schnittwinkelfehler u. Auch die Rauheit und die Gratbildung nehmen zu, so dass bisher die Regel galt: Will man einen hochwertigen Plasmazuschnitt erzeugen, sollte man möglichst mit einem kleinerem Plasmaschneidstrom und damit mit einer langsameren Schnittgeschwindigkeit arbeiten. Bisher!

Eine Entwicklung zielt darauf ab, den Schneidkopf in Abhängigkeit des Materials und seiner Dicke durch einen entsprechenden Schwenkschneidkopf so feinfühlig zu steuern, dass er mit der berechneten Schiefstellung des Plasmaschneidkopfes den Schnittwinkelfehler, der zusätzlich durch das schnelle Schneiden entsteht, kompensiert. Damit sollen höhere Schnittgeschwindigkeiten erzielbar sein und gleichzeitig soll der Schnittwinkelfehler deutlich kompensiert worden sein.

Gleichzeitig soll dieses System in der Lage sein, auch dem normalen Qualitätsschnitt, zu einer Verbesserung zu verhelfen. Der Plasmastrahl des normalen Schnittgeschwindigkeitsbereiches profitiert von einem noch geringerem Schnittwinkelfehler und produziert besonders saubere Zuschnitten.

Wie sich das System in der Praxis bewährt, bleibt abzuwarten. Doch prinzipiell klingt es sehr spannend und bietet eine gute Aussicht für Plasmaschneider.

Beispieldaten des Herstellers (gegenwärtig nicht überprüft von der Redaktion!):
Das neue System soll es erlauben, 12 mm Stahl mit 4.600 mm/min bei Schnittwinkelfehlern von 1° bis 3° zu schneiden. Um einen derart qualitativen  Schnitt mit einem hochwertigen Feinstrahlplasmabrenner zu erreichen würde man diesen eher mit 1.400 mm/min erzeugen, siehe Schnittkostenkalkulator.

Wir sind auf die ersten Live-Vorführungen und Kundenerfahrungen gespannt, da der Redaktion aufgrund der Neuheit des Systems noch keine eigenen Daten vorliegen. Das System wird am Deutschen Schneidkongress 2023 in Essen präsentiert werden.  

Smart Factory und eServices ziehen in die Plasmawelt ein

Plasmazuschnitt in 1.4301
Plasmazuschnitt in 1.4301

Am Deutschen Schneidkongress® 2018 sowie der CUTTING WORLD® wurden eine Reihe von Innovationen vorgestellt. So auch die ersten Industrie 4.0 tauglichen Stromquellen, die via EtherCAT oder einer anderen Schnittstelle eine Prozesskommunikation ermöglichen. Sie erlauben eine Kommunikation der Stromquelle mit der Führungsmaschine und weiteren Komponenten der Fertigung, sofern diese über entsprechende Schnittstellen und Software verfügen. Das Dashboard besitzt eine Bedienoberfläche für das Monitoring und die Diagnose bestehender Stromquellen oder die Vernetzung zwischen Stromquelle und beispielsweise der Absaugtechnik, so dass eine automatische Klappensteuerung angesteuert werden kann, was zu einer Reduzierung der Energiekosten beitragen soll.

Auch Update- und Diagnose-Aufgaben können durch den Hersteller derartiger Anlagen als Remote Service über eine VPN-Verbindung durchgeführt werden. Dabei zielen die neuen Features auf die Vernetzung und Automatisierung in der Produktion und die Erhöhung der Maschinenverfügbarkeit. Für den Anwender werden darüber hinaus Endgeräte unabhängige Tools für die Visualisierung, Bedienerunterstützung und Fehlerhilfe zur Verfügung gestellt.

Auch wird an Lösungen für Bestandsanlagen gearbeitet. Die Vorteile der Digitalisierung, Vernetzung und Bedienung sollen damit auch für vorhandene Stromquellen nutzbar werden.

I4.0 ist auch beim Plasmaschneiden angekommen

Auf diesem Gebiet der Vernetzung und der Digitalisierung von Stromquellen und Brennern mit weiteren Aggregaten einer Fertigung oder den vor- oder nachgelagerten Prozessen ergibt das größte Entwicklungspotential, mit einem hohen Nutzwert und einer Fülle an neuen Ideen und Geschäftsfeldern, die sich Unternehmen erschließen, wenn sie sich auf die Digitalisierung einlassen. Wir sind sicher, dass zukünftig der Schneidmaschinenmarkt verstärkt auf vernetzte Systeme, digitalisierte Prozesse und offene Schnittstellen achten wird. Zu groß ist der Reiz für den Anwender jederzeit über seine Kosten und Leistungsdaten seiner Fertigung im Bilde zu sein und die Produktivität in Echzeit überwachen und effizienter steuern zu können als dies jemals zuvor möglich war. 

Auch eine vorbeugende Wartung, die mit den neuen Systemen möglich ist, bietet den Reiz vor Störungen rechtzeitig bewahrt zu bleiben und nicht in der Rushhour vom Ausfall heimgesucht zu werden.  

Dass Maschinen und Anlagen aufgrund der eingebauten Sensorik, Digitalisierung, Schnittstellen und Auswerteelektronik zwangsweise teurer werden müssen, liegt nahe. Dennoch, der Kunde hat nun die Wahl und kann sich durch Investition in I4.0 die Vorteile der Digitalisierung erschließen. 

Leistungsdaten und Ausbaustufen von Plasmastromquellen

Plasmabrenner mit Präzisionsplasmaschneidkopf beim Lochstechen
Plasmabrenner mit Präzisionsplasmaschneidkopf beim Lochstechen

Die modulare Bauweise einiger Plasmastromquellen erlaubt eine Erhöhung der Flexibilität, indem sich die Schneidleistung je nach Bedarf operativ auch nachträglich erweitern und somit an wachsende Bedürfnisse adaptieren lässt.

Auf der CUTTING WORLD® 2018 stellte Kjellberg Finsterwalde eine weitere Produktneuheit vor - die neue Plasmabrennergeneration erlaubt die Reduktion der Lärmbelästigung bis zu bestimmten Schneidstromstärken. Dabei zeigen die ersten Ergebnisse, dass beim Schneiden von Baustahl bei bestimmten Blechdicken den Lärm um bis zu 10dB(A) reduziert werden kann, was das menschliche Ohr als nahezu Halbierung des Lärms wahrnimmt und für eine wesentlich angenehmere Umgebung im Schneidbetrieb sorgt.

Auf der EuroBlech 2018 hat Hypertherm, als weiterer Hersteller eine neue Plasmastromquelle, die XPR-Baureihe, vorgestellt, in denen mehrere Technologien des Unternehmens integriert wurden und die sich besonders im Schneiden von Edelstahl, nicht legiertem Stahl und Aluminium durch Erzielung hoher Schnittqualität auszeichnen soll.

Ebenfalls auf der EuroBlech 2018 hat Lincoln seine Produktreihe SPIRIT II von 150 bis 400 A vorgestellt, die ebenfalls zu den Präzisionsplamabrennern zählen.

ESAB verfügt ebenso über ein modulares Feinstrahlplasmaschneidsystem.

Auch an den Standzeiten der Verschleißteile haben die Hersteller positive Entwicklungen vollzogen und somit für günstigere Schnittpreise gesorgt. Besonders beim Herunterfahren (engl. "ramping down") des Stromes werden die Verschleißteile in Mitleidenschaft gezogen - neuartige elektronische Regelungen reduzieren diese negativen Auswirkungen erheblich.

Neu ist auch, dass an der Bedienerfreundlichkeit optimiert wurde, so hat Hypertherm 2022 ein einteiliges Verschleißteil-Kit vorgestellt, dass es bereits für eine Vielzahl an Stromstärken gibt. Es erlaubt, statt Düse, Elektrode, Wirbelring, Shield, innere Schraubkappe nur ein einziges Teil anstelle von fünfen einzusetzen. Der Austausch gelingt schneller und ist sicherer gegen Vertauschen von Teilen geschützt.  

Nach wie vor unterscheiden wir Handgeräte und Maschinenbrenner. Die maschinentauglichen Plasmastromquellen besitzen in der Regel 100% Einschaltdauer, was durch eine angemessene Überdimensionierung und Kühlung der Stromquellen erreicht wird. Während die handgeführten Plasmastromquellen kompakt, leicht und transportabel aufgebaut sind und daher in der Regel eine geringere Einschaltdauer von beispielsweise 60% ED besitzen.

Der Markt bietet mechanisierte Stromquellen für den Maschinenbetrieb mit bis zu 1.600 Ampere Schneidstrom im konventionellen Bereich und Präzisionsschneidanlagen bis 300 A / 440 A / 600 A für qualitativ anspruchsvolle Zuschnitte.

Die Schneidleistung des Plasmabrenners im Qualitätsbereich reicht bis 50/60 mm Materialdicke beziehungsweise 80 bis 100 mm Dicke in Trennschnittqualität.

Die Schneidleistung im Normalplasmabereich reicht bis 160 mm Materialdicke und wird besonders bei Edelstahlzuschnitten gerne eingesetzt. 

Die zur Verfügung stehenden Plasmastromstärken decken den Markt hinsichtlich seiner Erfordernisse für Schneiddicken weitestgehend ab, während hingegen im unlegierten Baustahlbereich durchaus Materialdicken bis 1.500 mm zu schneiden sind, doch dieses Metier obliegt dem autogenen Brennschneidverfahren.

Wenn Sie wissen wollen, wie die Zukunft für das Plasmaschneiden aussehen könnte, empfehlen wir Ihnen den Bericht auf der Folgeseite: Quo vadis Plasma ...

FAQ Plasma Aktuelles FAQ
Trennschnitt beim Plasmaschneiden

Wir möchten mit unserer CNC Plasmaschneidanlage mit Lichtbogenhöhenregelung eine 8 mm starke Stahlplatte mit der Tafelgröße 1,5 m x 3 m sauber trennen, d.h. ohne Einstichloch. Ein Workaround wäre ja, neben der Platte eine kleine Hilfsplatte zu fixieren, wo der Einstich erfolgt und der Trennschnitt startet. Aber gibt es nicht elegantere und einfachere Möglichkeiten per Software oder EInstellungen am Gerät?

Prinzipiell kann man das so machen. Aber es geht schneller und wird in der Regel auch so gemacht, wenn Du den Plasmaschneidkopf an den Rand des Blechs bewegst und den Schnitt von dort aus direkt startest. Du willst doch nur eine Blechplatte abtrennen, d.h. es kommt dabei nicht auf die beste Schnittqualität an. Und deshalb wird häufig die Höhenregelung ausgeschaltet und man fährt mit konstanter, unter Umständen auch falscher Höhe, den Trennschnitt manuell ab. Aufpassen, dass der Brenner nicht aufsetzt, daher lieber etwas zu hoch, als zu nah dran. Und dann geht das ziemlich schnell. Einfach seitlich ran fahren, Libo aus, Starten und losfahren. Der Plasmabrenner zündet sobald er das Blech erreicht. Kleiner Nachteil: Die Elektrode brennt ein wenig schneller ab und Du solltest auf eine mögliche Crashgefahr achten.

Wenn Dir jedoch auch die Schnittqualität wichtig ist, dann gibt es noch eine andere Möglichkeit.

Daher probiere mal folgendes aus: Fahre den Schneidkopf an den Rand des Bleches, aber ein oder zwei (muss man ausprobieren) Millimeter darüber hinaus, so dass der Brenner jetzt nah am Blech aber dennoch in der Luft zündet. Schalte vorher die Libo aus und starte erst dann den Brenner. Der Pilotlichtbogen zündet unter Umständen mehrmals, vielleicht muss man dann noch manuell ein Stück näher dran ans Blech, bis der Pilotlichtbogen den Rand findet. Hat er das Blech erkannt, zündet der Hauptlichtbogen und Du kannst starten. Jetzt kannst Du sogar die Libo wieder einschalten und bekommst eine geregelte Schnitthöhe. Kurz vor dem Ende muss man die Libo aber wieder ausschalten, damit der Brenner nicht abtaucht. Sonst ist der Düsenverschleiß zu hoch. Damit sollte es gelingen einen sauberen Schnitt hinzubekommen.

Trennen durch Programmierung? Was hingegen nicht funktioniert, ist der folgende Plan: Durch das CNC-Programm den Brenner so zu verfahren, dass der Brenner nahe an die Kante der Platte fährt, so dass die THC Steuerung beim Start die Oberfläche antippt und den Abstand messen kann. Dann fährt der Brenner wie gehabt hoch, zündet, fährt 2 cm in die entgegengesetzte Richtung, fährt bis auf den korrekten, zuvor gemessenen Abstand herunter und fährt dann die zu schneidende Linie ab?

Dies funktioniert aus folgendem Grund nicht: Wenn man ein Programm auf der CNC lädt, dann wird der gesamte G-Code in den RAM-Speicher geladen, die Verfahrdatensätze werden berechnet, die Schnittfugenkompensation wird ermittelt und vieles mehr. Normalerweise ist da ein manueller Eingriff nicht mehr möglich. Deshalb werden die Achsen auch vorher verfahren, der Startpunkt wird vorher gesetzt. Wenn Du nun einen zusätzlichen Befehl für das Verfahren der Anlage zum Blechrand von 2 cm einprogrammierst ist das zwar möglich, doch wenn Du diese 2cm danach erneut abfährst, geht Dir sehr wahrscheinlich der Plasmabrenner aus, denn er findet dort kein Material mehr vor. Daher dürfte das auch problematisch werden. Probleme könnte es auch damit geben, dass Du keine geschlossene Kontur hast und die Ermittlung der Schnittfugenkompensation damit nicht möglich ist - die CNC wird wahrscheinlich aussteigen.

Runde Löcher ø 12 mm in Edelstahl mit Plasma mit der Kjellberg 161 i neo in 6 mm Blech

Bei den Plasmaquellen älterer Generation war bei schwarzem Material die Regel Blechdicke x 1,5 mm = min Durchmesser für runde Bohrungen. Die neuen Feinstrahlplasmaquellen garantieren Blechdicke vs. Durchmesser = 1:1. Bei Edelstahl trifft das nicht ganz so zu. Doch in Ihrem Fall liegt das Verhältnis bei 2 zu 1, also noch günstiger.

Hier einige Tipps:

Tipp 1: Beim Plasmaschneiden hängt die Schnittschräge stark vom Abstand des Brenners zum Blech ab. Durch Änderung der Libo-Spannung kann man näher zum Blech oder weiter weg. Ansonsten hängen unrunde Löcher in erster Linie von der Geschwindigkeit ab. Der Strahl ist oben weiter als unten, ist also oben früher am Schnittende, als unten und dann schaltet die Stromquelle ab. Unten ist der Schnitt praktisch noch nicht fertig und somit nicht rund. Weitere Faktoren sind Anschnittfahne und Ausschnittfahne. Es macht teilweise Sinn gerade auf die Kontur zu fahren, manchmal ist es besser gerade mit Bogen anzufahren. Beim Ausfahren das Gleiche. Manchmal erzielt man die besten Schnittergebnisse ohne Ausschnittfahne, manchmal ist es besser, eine Fahne zu setzen. Aber es gibt leider keine Anleitung, die für alle Anlagen passt. Das kann von Maschine zu Maschine anders sein. Leider. Im Endeffekt heißt das probieren, probieren, probieren.

Tipp 2: Teilweise wird auch das Argument gebracht, dass die Erdung des Tisches entscheidend ist.

Tipp 3: Und natürlich überprüfen Sie, ob auch die Daten für Edelstahlschneiden eingespielt sind? Nicht, dass Sie mit Daten für Baustahl schneiden.

Tipp 4: Das Gas ist bei Edelstahl ebenso von großer Bedeutung. Bei Edelstahl im dünnen Bereich wird Formiergas 5 % verwendet. Sie können es auch mal mit Formiergas 10 % versuchen. Argon/Wasserstoff-Gemisch eignet sich bei dickeren Blechdicken. Auch hier hilft austesten.

Tipp 5: Was sind Ihre Erwartungen? Was hat man Ihnen vor dem Kauf der Anlage zugesagt? Was brauchen Sie an Genauigkeit? Vielleicht liegen Ihre Erwartungen einfach eher beim Laserschnitt als beim Plasma. Ich würde aber auf jeden Fall dem Hersteller mit ins Boot holen.

Hoffe, Ihnen damit geholfen zu haben.

Kühlmittelverlust bei einer Hypertherm HPR260

Wir haben eine Hypertherm HPR260 im Einsatz. Bei der Brenneraufnahme des Aggregates tropft beim Verschleißteilwechseln die Kühlflüssigkeit aus. 8 - 12 Wochen später entwickelt sich aus diesem Tropfen ein Fließen des Kühlmittels. Wird das Kühlkreislaufventil gewechselt ist alles wieder in Ordnung. Wir müssen daher das Ventil mehrmals jährlich wechseln. Ist das normal?

Die HPR 260 ist eine zuverlässige und bewährte Präzissionplasmaschneidanlage und läuft normalerweise sehr sicher und robust. Wasseraustritt beim Brennerwechsel kann viele Ursachen haben. Ein regelmäßiges Wechseln des Ventile ist allerdings "normalerweise" nicht notwendig, wenn alle Präventivwartungen fachgerecht durchgeführt werden.

Tauschen Sie jährlich das Kühlwasser der Plasmaschneidanlage aus! ACHTUNG: Das Kühlwasser der Plasmaanlage dient nicht nur zur Kühlung, sondern verhindert auch die Patina des Kupfers. Dabei wird das Kühlwasser im Laufe der Zeit flockig und verstopft die winzigen Kühlkanäle in den Düsen. Daher ist es sinnvoll und erforderlich min. 1 mal pro Jahr den gesamten Kühlkreislauf zu wechseln. Verwenden Sie nur das Originalkühlwasser des Herstellers und entfernen Sie die Kühlreste auch aus dem Schlauch und Brenner. Damit wird die Kühlleistung wieder hergestellt und der Verbrauch an Verschleißteilen reduziert.

Ich vermute, dass dies auch Einfluß auf Ventile und Dichtungen haben kann. Fragen Sie hierzu auch den Hersteller.

Wie finde ich den optimalen Anschnitt für kleine Löcher bei einer Kjellberg HiFocus 280i mit Contour Cut?

Es wird mittig eingestochen – wobei bei einigen CNC Steuerungen der Fugenversatz berücksichtigt werden muss. Unter Umständen muss also der Einstichpunkt verschoben werden, damit die CNC nach Versatz in der Mitte zündet. Dann wird die Kontur mit entsprechenden Contour Cut Schneidwerten geschnitten. Die CNC sollte die Höhenregelung dabei selbstständig starr schalten, also sperren.

Die Einfahrt in die Kontur kann je nach Blechdicke und Brennschneidmaschine direkt oder „sanft“ mit einem kleinen Radius erfolgen.
Wichtig ist nun der Ausschnitt. Wir empfehlen einen kurzen Überschnitt. Das heißt, die Anlage fährt auf der Kontur weiter und die Plasmaanlage wird während der Bewegung ausgeschaltet. Es wird also ein Vor-AUS-Signal verwandt, das etwas größer als der benötigte Downslope der Plasmaanlage ist (diese Werte finden Sie in den Schneidtabellen im Handbuch der Anlage).

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