Genauigkeit und Schnittgeschwindigkeit beim Plasmaschneiden optimieren

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Von: Gerhard Hoffmann, Erstellt: 09. Februar 2008 Letzte Änderung: 22. Juni 2022

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 beim Plasmaschneiden 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 der Bedienererfahrung. Es muss im Einzelfall durch konkrete Versuche überprüft werden, ob der Plasmabrenner die an ihn gestellten Anforderungen erfüllen kann.

Mancher Lohnbetrieb wirbt mit einer Genauigkeit von ±0,5 mm in 40 mm dickem Edelstahl. Andere geben bei Stahl mit 10 mm Dicke eine Genauigkeit von ±0,2 mm an. Doch wo genau liegt die erzielbare Genauigkeit von Plasmazuschnitten 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, der Loch läuft konisch zu. Die Schraube passt zwar in das Loch aber nicht durch das Loch. Also wird das Loch einfach größer geschnitten, so dass es oben einen größeren Durchmesser als 17 mm besitzt und an der Materialunterseite die Schraube durch passt. So spart man sich vermeintlich die Nacharbeit, das Aufbohren ein. Doch so einfach und zulässig ist das nicht. Der Überdeckungsfaktor ist hierbei zu gering, d.h. die Schraube hat zu wenig Material zum Festziehen zur Verfügung, dies gefährdet unter Umständen die Statik des Gebäudes und wird vom Archtiketen 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, 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 ein Normalplasma Cutter nur eine Toleranz von ± 0,6 oder schlechter erreicht.

Dies würde bedeuten: 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 Qualitätsplasma Cutter eine bessere Toleranz zu erreichen als mit dem Normalplasmabrenner und spart so aufwendige Bohrarbeiten ein.

Die erzielbaren Genauigkeiten werden im Kapitel über die Schneidnorm ISO 9013 vorgestellt.

Die Lochgenauigkeit ist nur ein wichtiges Thema von weiteren. So unterscheidet man noch die Positioniergenauigkeit der Schneidmaschine, sowie die Wiederholgenauigkeit. Beide Größen haben Einfluss auf die Genauigkeit des Plasmazuschnitts.

Genauigkeit beim Plasmaschneiden

Die Genauigkeit bei 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 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, 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.
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
Kontur, Geometrie
Bedienererfahrung
Maschinenqualität

Grundsätze zum Verständnis der Genauigkeit:

Die Genauigkeit ist nicht konstant, sie ist nicht determiniert! Mit zunehmender Schneiddauer verändert sich der Düsendurchmesser durch den entstandenen Abbrand 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
Bohrungen und Ausschnitte beeinflussen die Genauigkeit des Plasmakonturteils ebenfalls!
Je komplizierter die Geometrie des Teils, desto schwieriger die Angabe einer konstanten Genauigkeit.

Erklärung zur Genauigkeit, 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
Erdung im Brennschneidtisch

10 Tipps: Wie erhöhe ich die Genauigkeit?

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

Wie schnell schneidet der Plasma Cutter?

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.