Plasmaschneiden: Die ultimative Lösung für präzise und schnelle Schnitte!

Plasmaschneiden zählt generell zu den wirtschaftlichen Trennverfahren bei Stahl- und Metallzuschnitten, doch diese Tatsache allein bewirkt noch keine optimalen Schnitte.

Die "genetisch" bedingt hohe Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und seine Stärken werden erst dann ausgespielt, wenn von den Einstellungen, Parametern bis hin zur Gasversorgung alle Variablen optimal aufeinander abgestimmt sind.

Plasmaschneiden gehört zu der Gruppe der thermischen Schneidverfahren, zu der auch das Brennschneiden mit Autogenbrenner und das Laserschneiden zählen, man bezeichnet es auch als Plasmaschmelzschneiden.

Erklärung des Schaubilds "Systemaufbau eines Plasmastromkreises"

Bild 2 zeigt den Stromkreislauf eines Plasmaschneiders. Beim Plasmaschneiden spielen mehrere Komponenten zusammen:

• Der Plasmaschneider mit seiner Plasmastromquelle
• Die Gase-Mischkonsole
• Das Schlauchpaket
• Den Plasmabrenner samt seinen Verschleißteilen
• Und nicht zu vergessen: Der CNC-Schneidanlage, die für die korrekte Ansteuerung und die geometrische Bahnbewegung verantwortlich ist.
• Sowie das zu schneidende Material, das Werkstück, das elektrisch leitfähig sein muss.

Plasmaschneiden mit übertragendem Lichtbogen basiert auf einem geschlossenen Stromkreis. Die Plasmastromquelle liefert zwei Anschlüsse:

1. Masse-Anschluss, über den der Brennschneidtisch mit der Stromquelle verbunden ist. Das zu schneidende Werkstück liegt auf dem elektrisch leitfähigen Schneidtisch.
2. Pluspol-Anschluss, der über das Schlauchpaket zur Kathode im Plasmaschneidkopf geführt wird.

Wichtig: Achten Sie darauf, dass der Stromkreis wirklich geschlossen ist, keine Leitungen offen sind oder zu hohe Übergangswiderstände den Stromfluss behindern.

Plasmaschneiden: Vorteile, Nachteile und Vergleich zum Laser- und Autogenschneiden

Wird die Plasmaschneidanlage im optimalen Betriebspunkt gefahren und werden die Randbedingungen beachtet, so erhöht es die Effizienz und Produktivität Ihres Unternehmens signifikant! Plasmaschneiden ist reich an Vorteilen, doch auch die Nachteile wollen wir nicht verschweigen.

Wir haben so manche ratsuchende Unternehmen begleitet, die erstaunt waren über zu hohe Verschleißteilekosten oder mit dem Resultat der Schnitttergebnisse nicht glücklich waren.

Damit Ihnen das nicht auch passiert, nehmen Sie sich die Zeit und informieren Sie sich umfassend. Plasmaschneiden: Vorteile und Nachteile und Vergleiche zu Laserschneiden, Brennschneiden und zum Wasserstrahlschneiden

Was wird zum Plasmaschneiden benötigt?

Erforderliche Ausstattung, Equipment zum erfolgreichen Plasmaschneiden:

• die Plasmastromquelle, oft umgangssprachlich als Plasmaschneider bezeichnet
• der Plasmaschneidkopf, der oftmals auch als Plasmabrenner benannt wird oder  Handstück
• die Verbindungsschlauchpakete, verbinden den Plasmabrenner mit der Stromquelle
• eine Gaskonsole mit dazugehörigen Gasen und Manometern
• eine Erdung des Schneidtisches sowie die Masseverbindung des Schneidmaterials mit der Stromquelle, damit der Stromkreis geschlossen ist
• ein geeignetes Führungssystem, sei es eine manuelle Vorrichtung, eine halbautomatische Einheit oder ein vollautomatisches CNC-gesteuertes Antriebs- und Koordinatensystem, das man Plasmaschneidanlage bzw. Plasmaschneidmaschine nennt.

Darüber hinaus noch erforderlich:

• Schneidtisch
• Filtersystem
• Programmiersoftware CAD/CAM mit Verschachtelungsfunktion

Was für ein Gas braucht man zum Plasmaschneiden?

Die Gase unterscheiden sich je nach Plasmastromquelle und sind davon abhängig, was man schneiden will:

Handgeführte Brenner:

• Druckluft
• Stickstoff
• Manche Modelle besitzen einen integrierten Kompressor
• Die Gasdrücke liegen eher niedrig im Bereich um 4 - 6 bar
• Je nach Modell sind um die 120 l/min bis auch über 200 l/m an Druckluft erforderlich

Maschinenstromquellen:

Die Gasart ist mitentscheidend über den optimalen Schnitt!

• Sauerstoff bei Baustahl
• Stickstoff als Sekundärgas bei Mehrgasbrennern / Feinstrahlplasmabrenner
• Auch Druckluft wird als Sekundärgas bei Mehrgasbrennern eingesetzt
• Argon/Wasserstoff-Gemisch für Edelstahl
• Stickstoff als Plasmagas bei Aluminium und Edelstahl
• Formiergas mit 5 % oder 10 % für dünnen Edelstahl
• Übliche Gasdrücke um 8 bar bis 11 bar

Die verschiedenen Gasarten erzeugen unterschiedliche Schnittergebnisse bei verschiedenen Metallen.

Alle einsetzbaren Gasarten hängen von der Gasmischkonsole der Plasmabrennerart ab und sind modellabhängig. Sie dürfen NIEMALS ohne Erlaubnis des Herstellers beliebig gewechselt werden - Explosionsgefahr, Brandgefahr. Daher immer Handbuch des Plasmabrenners zurate ziehen!

Gefahren beim Plasmaschneiden - wie gefährlich ist es?

• Schutz für Stromschlag
• Atemschutz
• Ozon O3
• Feinstaub
• Alveolengängige Stäube mit Partikelgrößen unter 0,1 µm
• Gehörschutz
• UV-Schutz
• Herzschrittmacher aus Reichweite
• Funkenflug, Brandgefahr
• Herum spritzendes flüssiges Metall beim Lochstechen

Welche Rolle spielt Ozon beim Plasmaschneiden?

• Durch Ionisation des Plasmagases und seiner anschließenden elektrischen Entladung entsteht Ozon.
• Ozon ist ein Gas, dass der Mensch über die Lunge gut aufnimmt
• Ozon wird als "frischer" Geruch wahrgenommen, erzeugt aber Schwindelgefühl im Kopf
• Ozon zerfällt im Körper nach kurzer Zeit von allein und verflüchtigt sich auch im Betrieb
• Beim Plasmaschneiden muss für genügend Frischluft bzw. für eine geeignete Filteranlage gesorgt werden
• Ozon gilt als keimtötendes Desinfektionsmittel und kann daher zu einer Reizung der Atemwege führen

Sicherheitsanforderungen beim Plasmaschneiden

• Ausbildung und Sicherheitsanleitung des Bedienpersonals
• Gehör- und Augenschutz
• Hand- und Sicherheitsschuhe
• Sicherheitskleidung
• Erdung des Systems
• Absaugung der Plasmastäube und Plasmadämpfe
• Keine Herzschrittmacher in der Nähe
• Sicherung gegen Brandgefahr
• Sicherung gegen elektrischen Schlag

Welche Materialien kann man Plasmaschneiden und wie dick?

Je nach eingesetzter Plasmabrennerart kann man grob skizziert folgende Aussagen zu den Materialien treffen, die sich Plasmaschneiden lassen:

Metalle:

• Stahl, alle Arten, bis ca. 160 mm Materialdicke
• Werkzeugstahl
• Baustahl
• Hitzebeständiger Stahl
• Hochfeste Stähle
• Edelstähle, je nach Legierung mit anderen Schnittergebnissen, was Grat und Schnittparameter betrifft bis ca. 160 mm Materialdicke mit Einschränkungen, z.B. Anstechen nur vom Rand.
• Aluminium eignet sich gut zum Plasmaschneiden bis ca. 160 mm Materialdicke mit Einschränkungen

Nicht-Metalle:

Bei Nicht-Metallen kommt in der Regel das Plasmaschneidverfahren mit dem Nichtübertragenden Lichtbogen zum Einsatz.

• Kunststoffe, die elektrisch leitfähig sind
• Beton, wenn nur ein Trennschnitt mit stehendem Lichtbogen erforderlich ist
• Gitterroste lassen sich über einen stehenden Lichtbogen oder über ein Opferblech oder eine Opferelektrode schneiden

Hinweis: Hierzu bedarf es bestimmter Plasmaschneider, da nicht jedes Modell für dieses Verfahren geeignet ist.

Wieso schneidet der Plasmabrenner bis zu 160 mm dicken Stahl?

Die Energie des Plasmastrahls reicht aus, um beispielsweise 160 mm dicken Edelstahl zu trennen.

Wo kommt diese enorme Energie beim Plasmaschneiden her?

• Plasmaschneiden ist ein thermischer 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 im Brennfleckzentrum sublimiert.
• 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 während eines Gewitters. 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.
• Die dazugehörigen Plasmaschneidmaschinen werden in einem gesonderten Kapitel unter "Schneidmaschinen" betrachtet.
• Plasma besitzt eine höhere kinetische Energie als der Laser, jedoch lässt sich seine Energie nicht auf einen so kleinen Brennfleck fokussieren wie beim Laser. Daher bleibt seine Energiedichte gegenüber der des Lasers zurück.

Was kostet Plasmaschneiden?

Wie setzen sich die Schneidkosten zusammen?

Die Schneidkosten eines Plasmaschneiders setzen sich aus folgenden einzelnen Positionen zusammen:

• Investitionskosten, Abschreibung
• Maschinenbediener
• Hallenmiete für die Stellfläche
• Verschleißteile für den Plasmabrenner: Düsen, Elektroden, Wirbelringe, Shield
• Ersatzteile wie das Schlauchpaket, Brennkopf
• Wartungskosten pro Jahr
• Energiekosten (auch für das Equipment wie Filter, Kühlung etc.)
• Gasverbrauch  
• gegebenenfalls Kosten für den erforderlichen Filterbetrieb der entstehenden Gase

Die Betriebskosten eines Plasmabrenners schwanken je nach Modell sehr stark. Generell kann man davon ausgehen, dass die

• Betriebskosten bei Handplasmabrennern zwischen 10,- Euro bis 20 ,- Euro pro Schneidstunde liegen.
• Während die Betriebskosten eines Maschinenbrenners eher bei 25,- Euro bis 60,- Euro und darüber liegen, je nachdem in welchen Materialdicken man sich bewegt.
• Je dicker man schneidet, desto höher der Energiebedarf und desto kurzlebiger die Verschleißteile.
• Zu den Betriebskosten kommen noch die Bediener-, die Abschreibungs- und die Mietkosten für die Stellfläche hinzu, sodass die realen Kosten in der Industrie weitaus höher liegen und von Betrieb zu Betrieb verschieden sind. Darüber hinaus dürfen auch die Kosten für den Betrieb der Filteranlage sowie die Materialauflagen im Schneidtisch, die als Verschleißteile gelten, nicht vergessen werden.

Wie lange hält eine Plasmadüse?

Dies hängt vom Brennertyp, dem Schneidstrom, dem Abstand vom Brenner zum Schneidmaterial und der Kühlung ab. Generelle Aussagen sind daher gar nicht möglich. Meistens spiegelt sich die Lebensdauer der Düse und der Elektrode im Betriebsstundensatz wider.

• Eine Elektrode hält zwei Düsen aus.
• Eine Düse kann zwei bis vier Stunden halten. Bei Handbrennern auch darüber hinaus. Beim Schneiden von dicken Materialien kann auch jede Stunde eine Düse fällig werden.
• Neben Düsen und Elektroden sind auch Wirbelringe, Shield-Kappen, Schraubkappen, der Brennerkörper und das Brennerschlauchpaket Verschleißteile, die nur eine bestimmte Lebensdauer besitzen.  

In einem speziellen Kapitel über Verschleißteile werden weit aus mehr Details aufgeführt.

Wie viel Strom braucht der Plasmastrahl?

• Einfache Handplasmabrenner: ab 230 V Wechselstromsteckdose mit 16 A. Leistung im Bereich 2,5 kVA.
• Leistungsstarke Handplasmabrenner: 440 V Drehstrom, 50 Hz, mit 16 A oder 32 A. Leistung im Bereich 5 kW und mehr
• Maschinenplasmabrenner: Drehstrom mit 440 V benötigen, 50 Hz, ab 32 kW, 45 kW, 65 kW bis zu ca. 180 kVA mit externem Kühlaggregat

Tipp: Klären Sie den Strombedarf für das Plasmaschneiden im Vorfeld ab, damit es nicht zu teuren Verbrauchsspitzen kommt oder Ihr Hausanschlusstrafo zusammen bricht.