Genauigkeit und Schnittgeschwindigkeit beim Plasmaschneiden optimieren

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Genauigkeit beim Plasmazuschnitt: 8 mm Löcher in 8 mm dickes S235-Material war früher für Plasma eine Sensation - heute mit Qualitätsplasma und einer dafür ausgelegten Maschine machbar! Rückseite des Zuschnitts nur eine geringe Einkerbung.
Genauigkeit beim Plasmazuschnitt: 8 mm Löcher in 8 mm dickes S235-Material war früher für Plasmaschneider eine Sensation - heute mit Qualitätsplasma und einer dafür ausgelegten Maschine machbar! Rückseite des Zuschnitts kaum Einkerbung

Die erzielbare Genauigkeit und die Schnittgeschwindigkeit beim Plasmaschneiden kann man optimieren, wenn man die richtigen Stellschrauben kennt.

Die Schnittgenauigkeit läßt sich kaum pauschal angeben, sie ist abhängig von vielen Parametern, unter anderem der Materialdicke, vom eingestellten Strom, der Düsenqualität und von der Kontur und nicht zuletzt der Bedienererfahrung. Es muss im Einzelfall durch konkrete Versuche überprüft werden, ob der Plasmabrenner die an ihn gestellten Genauigkeitsanforderungen erfüllen kann.

Die Genauigkeit beim Plasmaschneiden geben Unternehmen unterschiedlich an, manche erreichen Genauigkeiten von ±0,5 mm in 40 mm dickem Edelstahl. Andere geben bei Stahl mit 10 mm Dicke eine Schnittgenauigkeit von ±0,2 mm an.

Doch wo genau liegt die erzielbare Genauigkeit beim Plasmaschneiden nun wirklich?

Die Genauigkeit des Plasmaschneidverfahrens wollen wir an einem Beispiel erörtern.

Aufgabenstellung:

Im Stahlbau müssen häufig typische 17 mm Durchgangslöcher an den Kopf- und Fussplatten eingebracht werden. Bei diesen Löchern ist es wichtig, dass eine 17 mm Schraube problemlos hindurch passen muss.

Problem:

Beim Plasmazuschnitt ist der obere Ausschnitt größer als der untere, das Loch läuft konisch zu. Die Schraube passt zwar oberhalb in das Loch aber nicht durch das Loch. Also wird das Loch in der Praxis einfach größer geschnitten, so dass es oben einen größeren Durchmesser als 17 mm besitzt und an der Materialunterseite die Schraube so gerade durch passt. So spart man sich vermeintlich die Nacharbeit ein, dem Aufbohren. Doch so einfach und zulässig ist das nicht. Der Überdeckungsfaktor ist hierbei nicht selten zu gering, d.h. die Schraube hat zu wenig Material zum Festziehen zur Verfügung, dies gefährdet unter Umständen die Statik eines Gebäudes und wird vom Architekten, Statiker nicht zugelassen.

Lösung:

Um das Problem zu lösen, wird die Bohrung so eng und passend wie möglich geschnitten, vorausgesetzt das Bauvorhaben erlaubt generell die Nutzung eines thermischen Trennverfahrens.

Die besten Schnittgenauigkeiten erreicht ein Qualitätsplasma mit einschnürendem Plasmastrahl und Sekundärgastechnik, das in der Lage ist, das 17 mm große Loch in beispielsweise 20 mm dicken Stahl mit einer Toleranz von z. B. ± 0,3 mm zu erzeugen. Während beispielsweise ein konventioneller Plasmacutter nur eine Toleranz von ± 0,6 mm oder schlechter in gleichem Material erreichen würde.

Dies bedeutet: Mit Normalplasma schneidet man das Loch z.B. mit 18,2 mm Durchmessern an der Oberseite und erhält am Lochaustritt die gewünschten 17 mm Durchgang. Während der Zuschnitt mit Feinstrahlplasma ein oberes Loch mit beispielsweise 17,6 mm Lochdurchmesser erzeugen könnte.

Fazit: Gesetz dem Fall der thermische Zuschnitt sei erlaubt, dann besteht die Chance mit einem modernen Qualitätsplasmabrenner eine bessere Toleranz zu erreichen als mit dem Normalplasmabrenner und spart so aufwendige Bohrarbeiten ein.

Die erzielbare Genauigkeit beim Plasmaschneiden wird im Kapitel über die Schneidnorm ISO 9013 vorgestellt.

Die Lochgenauigkeit ist nur ein wichtiges Thema von weiteren. So unterscheidet man noch die Positioniergenauigkeit sowie die Wiederholgenauigkeit der Plasmaschneidanlage. Beide Größen haben Einfluss auf die Genauigkeit des Plasmazuschnitts, die wir nun im einzelnen konkreter betrachten wollen.

Genauigkeit beim Plasmaschneiden

Die Genauigkeit beim Plasmaschneiden darf niemals so verstanden werden, wie bei einem Laser oder einem mechanischen Bearbeitungsprozess. Beim Plasmaschneiden hängt die Genauigkeit immer von dem zu schneidenden Teil, seiner Geometrie und dem verwendeten Material ab, sowie von diversen Prozessparametern, daher kann man die Genauigkeit beim Plasmazuschnitt in gewisser Weise als "inkonsistent" bezeichnen.

Beispiel:
Eine rechteckige Figur mit den Abmessungen von 250 x 750 mm mit einigen Ecken und Ausbrüchen in 10 mm Normalstahl stellt für Qualitätsplasma im Normalfall keine große Herausforderung dar. Das Teil sollte mit ±0,3 mm sauber und gratfrei erzeugt werden können, wenn alle Parameter optimal eingestellt sind.

ABER: Erhält das gleiche Teil beispielsweise eine Vielzahl an Bohrungen und einen oder mehrere große Ausschnitte und schon wird eine Aussage über die Genauigkeit weitaus schwieriger. Denn: Durch die vielen Ausschnitte wird eine nicht geringe Menge an Wärmeenergie in das Material eingebracht, das Material dehnt sich aus und die Zehntel "wandern" nur so dahin. Das, was vorher gut passte, ist anschließend statt ±0,3 mm, nun ±0,4 mm oder mehr "weggelaufen". Doch selbst wenn es einem guten Bediener gelänge, die Außenkontur durch entsprechende Schnittspaltkorrekturen und Wegoptimierung auf Kurs ±0,2 mm zu halten, so sind die Abstände der Innenkonturen zueinander und die Bohrungsdurchmesser und die Ausschnitte etc. unter Umständen weit weg vom ursprünglichen Ziel.

  • Je komplizierter ein Plasmateil bzw. seine Geometrie wird, desto schwieriger ist es, seine konstante Genauigkeit vorher zu sagen.
  • Die DIN EN ISO 9013 (alt DIN2310) gibt Aufschluss über die erzielbaren Genauigkeitsklassen.
  • Je abgenutzter die Düsen, die Verschleißteile sind, desto größer die Toleranz, die Genauigkeit ändert sich mit zunehmender Betriebsdauer.
  • Ändert die Maschine bestimmte Prozessparameter, wie den Abstand zum Bauteil, ändert sich auch die Genauigkeit. Sie kann noch in der zulässigen Toleranz liegen, sie kann aber auch aus ihr heraus fallen.

Die erzielbare Schnittgenauigkeit bei Plasmazuschnitten ist abhängig von vielen verschiedenen Parametern.

Die Genauigkeit von Plasmabrennteilen ist abhängig von: —

  • Materialdicke
  • Material
  • eingestelltem Strom
  • Gasen und Gasqualität
  • Brenner-, Maschinentyp
  • Höhenregelung —
  • Düsenqualität und deren Alter, Betriebsstunden
  • Kontur, Geometrie
  • Bedienererfahrung
  • Maschinenqualität

Grundsätze zum Verständnis:

  • Die Genauigkeit ist nicht konstant, sie ist nicht determiniert! Mit zunehmender Schneiddauer verändert sich der Düsendurchmesser durch den entstandenen Abbrand in der Düse und somit auch die Konturgenauigkeit. Das erste Teil einer Charge hat andere Genauigkeitswerte als das 100., 200. oder 1.000. Teil.
  • Die Genauigkeit kann je nach Geometrie und Lage des zu schneidenden Teils im Blech schwanken
  • Die Genauigkeit beim Plasmaschneiden darf nicht mit der des Laser- oder Wasserstrahlschneidens verwechselt werden.
  • Bohrungen und Ausschnitte im Innenteil des Zuschnitts beeinflussen die Genauigkeit des gesamten Plasmakonturteils ebenfalls durch zusätzliche Wärmeeinbringung. —
  • Je komplizierter die Geometrie des Teils, desto schwieriger das Erzielen einer konstanten Genauigkeit.

Erklärung, Ursachen schlechter Plasmazuschnitte:

  • Wärmeausdehnung
  • Düsenabbrand (hochwertige Verschleißteile einsetzen!)
  • Materialqualität, Legierung und Materialdicke
  • Falsche Schnittparameter, falsche Höhe, flascher Schneidstrom
  • Plasmabrenner zu heiß, mangelnde Kühlung
  • Schlechte Gasqualität
  • Schwankende Energiezufuhr, Stromschwankungen
  • Geringe Nutzererfahrung
  • Ungünstige Blechtafel Oberflächentemperatur
  • Schlechte Führungsmaschine
  • Mangelnde Wartung oder Crash gefahren
  • Defekte Steuerung
  • Unterschiedliche Widerstände der Masseverbindung, kann sich auch dadurch bemerkbar machen, dass die Schnittergebnisse an verschiedenen Stellen des Plasmaschneidtisches anders aussehen.
  • Erdung im Plasmaschneidtisch.

10 Tipps: Wie erhöhe ich die Genauigkeit beim Plasmaschneiden?

  1. Die Genauigkeit des Plasmazuschnitts steigt bei Verwendung einer modernen Plasmastromquelle mit Mehrgastechnik und eingeschnürtem Plasmastrahl.
  2. Die Genauigkeit des Plasmazuschnitts steigt, wenn das Material mit einer kleineres Stromstärke und damit mit einer geringeren Schnittgeschwindigkeit geschnitten wird.
  3. Die Schnittgenauigkeit beim Plasmaschneiden nimmt zu, wenn frische Verschleißteile verwendet werden. Um maximale Ergebnisse zu erhalten, empfiehlt es sich, die Original-Verschleißteile des jeweiligen Herstellers einzusetzen.
  4. Die Schneidgenauigkeit wird erhöht, wenn alle Prozessparameter optimal eingestellt sind.
  5. Die Schnittqualität steigt im Normalfall, wenn mit geringerem Plasmastrom geschnitten wird.
  6. Steigt die Erfahrung des Maschinenbedieners, verbessern sich auch die Ergebnisse.
  7. Besitzt die Schneidmaschine gute dynamische Eigenschaften, eine geringe Neigung zu Schwingungen, eine gute Regelung und Antriebstechnik so werden die Schnitte generell maßhaltiger.
  8. Auf homogenes Vormaterial achten, die Materialtemperatur beeinflusst die Genauigkeit. Ebenso die Materialzusammensetzung, je nach Charge kann es zu verschiedenen Schnittergebnissen kommen.
  9. Öfters Proben der Zuschnitte entnehmen und nachmessen und die  Schnittfugenkompensation an der CNC nachjustieren, so dass die Maschine wieder möglichst nah an die Sollvorgaben heran kommt.
  10. Regelmäßige Wartung der Schneidanlage, Sauberkeit und Gründlichkeit im Umgang. Original Ersatz- und Verschleißteile einsetzen.

Wie schnell schneidet der Plasmaschneider?

Die Schnittgeschwindigkeiten beim Plasmaschneiden hängen vom Plasmaschneider und damit vom eingesetzten Plasmastrom und von der Plasmaschneidmaschine ab. Auch das eingesetzte Plasmagas spielt eine gewisse Rolle bei der Schnittgeschwindigkeit.

  • Die Schnittgeschwindigkeiten beim Plasmaschneiden gelten im Vergleich zu den anderen Schneidverfahren generell als hoch, bis sehr hoch.
  • Beispielsweise können Dünnbleche im HKL-Bereich mit bis zu 20 m/min Schnittgeschwindigkeit geschnitten werden.
  • 10 mm Baustahl kann mit über 2.000 mm/min geschnitten werden.
  • 40 mm Baustahl kann mit über 1.000 mm/min geschnitten werden.
  • Die Schnittgeschwindigkeit ist abhängig vom Plasmastrom und der Plasmaschneidmaschine.
  • Die Schnittgeschwindigkeit wird auch vom zu schneidenden Material und seiner Materialstärke abhängig.
  • Es kommt darauf an, was Sie schneiden wollen. Schneiden Sie beispielsweise einen Lüftungsrohrbogen aus 0,5 mm verzinktem Blech mit einem Durchmesser von 1.500 mm aus, kann dies mit hoher Geschwindigkeit erfolgen. Die ausgeschnittenen Teile werden zu einer Kontur gebogen und am Ende wird überstehendes Material mit der Blechschere abgeschnitten. Selbst Ungenauigkeiten von 1 bis 2 cm spielen dabei keine Rolle. Also liegt die hohe Schnittgeschwingkeit in der geringeren Anforderung begründet. Ähnliches gilt für den Zuschnitt von Streifen - auch hier kann die Plasmastromquelle ihre Leistung gut auf die "Straße" bringen, denn die Anforderungen an die zu schneidenden Teile sind gering. Wollen Sie hingegen ein Formteil für den Maschinenbau erzeugen, so ist eine Ungenauigkeit von einem Milimeter oder gar wenigen Zehntelmillimetern bereits ein Ausfallkritierium, so dass man in diesem Fall bewusst langsamer schneiden wird.
  • Schneiden Sie Normalstahl mit Sauerstoff erhöht sich die Schnittgeschwindigkeit um ca. 10 % - 15% gegenüber dem Zuschnitt mit Druckluft oder Stickstoff.

Will man genau schneiden, muss man langsamer schneiden, gleichgültig was die Plasmaanlage an Strom hergibt! Dies ist ein Grundsatz für das Plasmaschneiden.

Einen weiteren Engpass bei der Schnittgeschwindigkeit stellt die Schneidmaschine dar. Plasmaschneidanlagen werden auf die Bedürfnisse der Kunden zugeschnitten und für viele Anwenderbetriebe ist der Anlagenpreis von hoher Bedeutung. Eine preiswerte Maschine ist deshalb preiswert, weil sie preiswerte Komponenten besitzt. Hier darf man sich nichts vormachen: Hohe Geschwindigkeit, Dynamik und Genauigkeit erfordern extrem hochwertige Bauteile, Antriebssysteme, Taktgeber, Linearführungen, Steifigkeit des gesamten Antriebssystems, Fundamente, schnelle Steuerungen etc. - und dies hat nun mal seinen Preis, der in der Regel bei Laserschneidmaschinen oder auch bei Mikroschneidmaschinen zum Tragen kommt, bei denen die hohe Genauigkeit und Geschwindigkeit primäre Entscheidungsfaktoren sind.

Plasmachneidmaschinen, mit denen man mit beispielsweise 10.000 mm/min Schnittgeschwindigkeit kleine Plasmateile mit kleinen Löchern, Aussparungen, Einklinkungen, 90° Ecken etc. mit einer Genauigkeit in der Klasse 2 der ISO 9013 erzeugen will, sind selten und teuer.

Das Schneiden eines 100 mm Rechtecks aus 10 mm S255 Baustahl mit 5.000 mm/min Vorschub wird komplett andere Genauigkeitsparameter aufweisen, als wenn man das gleiche Teil mit 750 mm/min Schnittgeschwindigkeit erzeugt. Der Unterschied wird am Schnittbild der Kanten, am Grat und an der Genauigkeit sichtbar sein. Es hängt also von den persönlichen Vorlieben, den ISO 9013-Vorgaben und dem Einsatzfall ab, wie schnell man in der Praxis schneiden wird.

Es wäre fatal hier von Beispielzahlen auszugehen, die zwar gemäß Handbuch den HighSpeed-Bereich erreichen, aber letztendlich nicht Ihrem Wunsch entsprechen, was Qualität und Maßhaltigkeit der Plasmazuschnitte angeht. Daher ist die Planung im Vorfeld von hoher Bedeutung, wir empfehlen den Einsatz eines Lastenhefts, damit Enttäuschungen und Ärger reduziert werden.   

Im Schnittkostenkalkulator haben wir drei Klassen von Schnittgeschwindigkeiten für das Plasmaschneiden eingebaut, so dass Sie die Schneiddaten bezogen auf verschiedene Stromstärken und damit verbunden auch unterschiedliche Schnittqualitäten sehen können.

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