Plasmaschneidmaschinen richtig auswählen und einsetzen

Plasmaschneidmaschine mit mehreren Autogenbrennern in Portalausführung
Plasmaschneidmaschine mit mehreren Autogenbrennern

Eigenschaften von Schneidmaschinen in Portalbauform

Plasmaschneidmaschinen stellen zum Teil ähnliche Anforderungen an die Führungsmaschine wie eine Laserschneidanlage. Damit ein Plasmazuschnitt gelingt, ist eine hohe Dynamik des Führungssystems erforderlich. Die statischen und die dynamischen Kräfte bei hohen Beschleunigungen sind enorm. Je höher die Beschleunigung des Führungssystems, desto besser sehen die Schnitte in den Innenkonturen und Ecken aus. Auch kleinere Kreisbohrungen werden mit höherer Beschleunigung besser.

Hohe Beschleunigungen erfordern zunächst einmal auch adäquate Antriebsleistungen und spielarme Getriebe. Das gesamte Antriebssystem ist wesentlich aufwendiger ausgeführt als beispielsweise bei reinen Autogenschneidmaschinen. Damit Maschinen mit hoher Dynamik nicht ins schwingen geraten, sind stabile Bauformen und Ausführungen des Maschinenbaus erforderlich. Idealerweise hat sich bei Plasmaschneidmaschinen in schwerer Ausführung die Portalbauweise heraus kristallisiert. Bei dieser Bauform wird eine stabile Portalachse, oftmals als y-Achse bezeichnet, wobei manche Hersteller das Koordinatensystem auch um 90° drehen und dann von der x-Achse sprechen. Beide Koordinatenachsen-Anordnungen findet man in der Industrie vor. Das Portalsystem bietet den Vorteil, dass jede Seite der Portalachse mit einem eigenen Antriebssystem angetrieben werden kann und damit die Beschleunigungskräfte erhöht werden und die Kraftverteilung für dynamische und statische Kräfte optimal ist. Das System neigt zu weniger Schwingungen bei der Richtungsumkehr und kann höhere Beschleunigungen verkraften.
Natürlich gibt es auch Systeme, die nur mit einem Antrieb auf einer Seite des Portals ausgestattet sind. Jedes System hat dabei seine Berechtigung und seinen Einsatzbereich, dazu später mehr.

Beschleunigung ist nicht gleich Schnittgeschwindigkeit

Die Beschleunigung mit a abgekürzt wird in m/sek^2 angegeben, die Geschwindigkeit mit v abgekürzt, wird hingegen in m/min oder m/sek angegeben. Als Einheit kann auch Millimeter anstatt Meter aufgeführt sein. Diese beiden physikalischen Größen dürfen nicht verwechselt werden. Beispielsweise gilt beim Schneiden kleiner Löcher: Sinkt die Schnittgeschwindigkeit, was beispielsweise durch einen kleineren Schneidstrom erreicht wird, dann werden die Löcher runder, einfach genauer und schöner. Ist die Schnittgeschwindigkeit hingegen hoch, beispielsweise bei Verwendung höherer Schneidströme, so werden die Löcher unrund, oval, mit hohen Abweichungen der Lochdurchmesser. Ein hoher Beschleunigungswert gibt an, wieviel Milimeter Wegstrecke der Schneidkopf zurück legen muss, bevor er die programmierte Sollgeschwindigkeit erreicht hat. Je höher die Beschleuingungskraft ist, desto kürzer ist der Weg und damit auch die verstrichene Zeit, den die Maschine benötigt, bis sie die optimale Schnittgeschwindigkeit erreicht hat. Denn eine optimale Schnittgeschwindigkeit ist ein wichtiger Parameter für die maximale Schnittqualität. Beim Beschleunigen und beim Abbremsen arbeitet keine Maschine mehr mit der Sollgeschwindigkeit und liegt damit außerhalb des optimalen Wertes. Auf dieser Wegstrecke ist damit die Schnittqualität und die Maßhaltigkeit geringfügig schlechter. Deshalb beschleunigen modere Plasmaschneidmaschinen auf einer möglichst kurzen Wegstrecke von nur wenigen Millimetern oder weniger. Und diesen hohen Beschleunigungskräfte muss die Schneidanlage in alle Richtungen aufnehmen können. Bei Laserschneidmaschinen sind die Beschleunigungen und die Schnittgeschwindigkeiten noch um ein vielfaches höher, so dass der Maschinenbau und die Antriebstechnik bei Laserschneidmaschinen nochmals um einiges stabiler ausgeführt sein müssen.

Umrechnungsfaktor für Schnitt- und Positioniergeschwindigkeiten:

1 m/sek  * 60sek/min = 60 m/min

1 mm/sek * 60sek/min = 60 mm/min

60 mm/min * 1m/1000mm = 0,06 m/min

Anwendung: Die Positioniergeschwindigkeiten von z-Achsen, also der Höhenregelung einer Schneidanlage, wird häufig in mm/sek angegeben. Die Umrechnung dazu lautet: Wert mm/sek * 0,06. Beispiel: Ein Brennersuppert hat eine Positioniergeschwindigkeit von 180 mm/sek, entspricht 10,8 m/min. Die Einheit m/min imaginiert eine bildhaftere und bessere Größenvorstellung als mm/sek.

Wenn Sie Geschwindigkeiten oder Positioniergeschwindigkeiten von Schneidmaschinen vergleichen wollen, dann normieren Sie zuerst die Einheiten.

   

     

Vorteile einer Plasmaschneidmaschine in Portalbauweise:

Plasmaschneidmaschinen in Portalbauform können mit nahezu beliebigen Längen und Spurbreiten gebaut werden. Ihr Erkennungszeichen ist die Portalbrücke, das bedeutet die Maschine wird beidseitig geführt und gelagert. Nicht immer wird dabei die zweite Seite auch angetrieben, bei schmalen Anlagen lassen manche Hersteller die zweite Seite nur mitführen und sparen so den zweiten Antrieb, was sich auf die Anschaffungskosten positiv auswirkt.

Durch die Portalbauform kann die Portalbrücke im Gegensatz zu Auslegeranlagen die Gewichte der Schneidköpfe und z-Achsen besser aufnehmen, ist stabiler, neigt weniger zum schwingen und damit sind in der Regel bessere Schnittqualitäten bei höheren Geschwindigkeiten erzielbar. Tischgrößen von 2m x 3m bis 8 m x 50 m sind für Portalanlagen möglich, im Schiffsbau findet man durchaus auch Portalbreiten von 25 m Sprurbreite und darüber hinaus. Dies sind Abmessungen, die für Auslegeranlagen mit gleichen dynamischen Kräften nicht möglich wären.

Heutige Portalsysteme haben sich zu Hochleistungsmaschinen entwickelt. Zum einen sind sie wesentlich stabiler, dynamischer und steifer in der Gesamtkonstruktion geworden. Und darüber lassen sich viele von ihnen mit Automatisierungskomponenten ausbauen, beispielsweise mit Lichtbogen gesteuerten Höhenregelungen, elektrischen Zündsystemen und schnellen Brennersupporten, modernen CNC-Steuerungen, die über Ethernet mit dem Netzwerk verbunden sind.

Portalausführungen werden übrigens nicht nur primär bei Plasmaschneidmaschinen eingesetzt, sondern auch bei Wasserstrahlschneidmaschinen, Laserschneidmaschinen und Autogenschneidmaschinen.

Übrigens: Sogenannte Auslegerversionen erfreuen sich auch hoher Beliebtheit, da diese andere Vorzüge bieten, auf die wir im Folgeartikel eingehen. Man findet Ausleger gerne bei Autogen- und bei Wasserstrahlschneidanlagen.

Manche Hersteller statten Großanlagen, die mit vielen Schneidköpfen ausgestattet sind auch mit weiteren Automatisierungselementen aus, wie beispielsweise automatischen Brennerdistanzverstellungen, so dass beim Mehrbrennerbetrieb weniger manuelle Eingriffe erforderlich sind und die Schneidköpfe sich automatisch auf den von der Software geforderten optimalen Abstand einstellen. Darüber hinaus sind 3D-Fasenkopfbrenner am Markt erhältlich, welche es erlauben die Konturen gleich mit angehängter Schweißnahtvorbereitung zu erzeugen.
Manche Anlagen besitzen Bohr-, Gewindeeinheiten mit Werkzeugwechsler, Markiereinheiten verschiedenster Arten oder eine integrierte Rohr- bis hin zu einer Klöpperbodenbearbeitung - alle mit nur einer Maschine mit Portalbrücke. Natürlich finden häufig auch Autogenbrenner auf dem Plasmaportal ihren Platz oder Markier- und Signiereinheiten, die die fertigen Brennteile gleich mit Auftrags- oder Positionsnummern versehen können. Diese Vielzahl an Werkzeugen erhöht das zu tragende Gewicht enorm und nur die Portalbrücken-Bauform diesen Kräften gewachsen ist.

Die Portalbrücke ist damit eine gute Basis für schwere Anlagenausführungen mit vielen Brennern und einem hohem Automatisierungsgrad.

Typische Kennwerte einer Plasmaschneidmaschine:

- Beschleunigung für Plasmaschneidmaschinen:

Die Beschleunigung für eine Plasmaschneidanlage liegt häufig im Bereich von 0,5 m/s² bis 1 m/s², was ungefähr 1 g entspricht oder auch darüber hinaus. Es gibt aber auch Anlagen, die mit geringerer Beschleunigung akzeptable Schnittgeometrien erreichen. Laserschneidanlagen hingegen setzen nochmals einiges drauf und arbeiten mit wesentlich höheren Beschleunigungskräften von 5 bis 8 g.

- Positioniergeschwindigkeiten:

Die Positionsgeschwindigkeit ist von der Größe der Schneidanlage und dem Antriebssystem abhängig, manche interne Werksvorschrift erlaubt den Betrieb einer Schneidanlage lediglich mit einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit von beispielsweise 12 m/min, weil bei diesem Wert der Abbremsweg noch so gering ist, dass der potentielle Personenschaden sehr gering ist, so wird häufig argumentiert. Ist eine derartige Anlage 50 m lang, was keine Seltenheit ist für ein Portalsystem, dann dauert allein die Leerfahrt bereits mehr als 4 Minuten. Doch auch bei kleineren Plasmaschneidanlagen summieren sich die beim Verschachteln auftretenden Leerfahrten mit jeder Schicht und es liegt nahe, die Verfügbarkeit einer Schneidmaschine zu optimieren, indem man sie schneller verfahren lässt.
Heutzutage positionieren Plasmaschneidanlagen mit Verfahrgeschwindigkeiten von über 20 m/min, 36 m/min, 45 m/min bis hin zu 60 m/min. Dies wäre mit Auslegersystemen kaum erzielbar. Zum Vergleich: Laserschneidanlagen positionieren häufig mit Werten die sogar weit über 100 m/min liegen.

- Schnittgeschwindigkeit beim Plasmaschneiden:

Auch wenn die Plasmaschneidmaschine mit eventuell 36 m/min oder schneller positionieren sollte, so kann sie doch nicht mit dieser Geschwindigkeit Konturen schneiden. Die Schnittgeschwindigkeit wird vom eingesetzten Plasmabrenner und seiner Stromquelle bestimmt. Die Werte liegen hier in der Regel im Bereich um 500 mm/min bis zu 5.000 mm/min. Im Dünnblechbereich werden durchaus auch mal Bleche mit 10 m/min geschnitten, doch nur dann, wenn es auf die Genauigkeit ankommt und die Schnittqualität eine untergeordnete Rolle spielt. Je langsamer man schneidet, desto genauer und qualitativer wird der Plasmazuschnitt. Ähnlich wie beim Wasserstrahl kennt auch der Plasmaschnitt mehrere Qualitätsstufen. So kann man beispielsweise 10 mm dicken Baustahl mit 2.500 mm/min schneiden und erhält nur eine mittlere Qualität oder man schneidet das Blech mit 1.200 mm/min mit geringerem Strom und erhält saubere und runde Löcher und weniger Neigungswinkel im Schnittbild. (Die Zahlen sind fiktive Beispielwerte, um den Sachverhalt zu verdeutlichen)

 

Vorteile einer Plasmaschneidmaschine in Portalbauweise

  • hoher Automatisierungsgrad
  • hohe Wirtschaftlichkeit
  • höhere Präzision
  • hohe Geschwindigkeiten
  • hohe Beschleunigungen
  • hohe Traglasten
  • günstige Kräfte- und Momenteverteilung
  • lange Lebensdauer


Nachteile der Portalbrücken-Bauform für Plasmaschneidmaschinen:

  • Höherer Investitionsaufwand
  • Komplexe Systeme, Reparaturen sind komplizierter, höhere Abhängigkeit vom externen Service, es kann weniger selber gewartet werden
  • Gute und aufwendige Fundamente (Streifenfundamente) erforderlich, um Schwingungen im Schnittbild zu vermeiden bzw. zu reduzieren


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Dienstag, 26.10.2021

Blechexpo 2021: Besuchen Sie uns auf unserem Messestand

thyssenkrupp Materials IoT GmbH

Herzlich willkommen zur Blechexpo 2021 | 26.-29.10.2021 Messe Stuttgart | Halle 10, Stand 10407

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Blechexpo 2021

ERL Automation GmbH
Mittwoch, 27.10.2021

IndustryFusion Foundation Expo & Conference 2021

MicroStep Europa® GmbH

Diesen Herbst stellt die IndustryFusion Foundation im Rahmen der Expo & Conference 2021 die Release 1.0 von IndustryFusion vor: Eine einzigartige herstellerübergreifende Open-Source-Vernetzungslösung für Smart Factories und Smart Products, die eine interoperable Verknüpfung von Maschine, Fabrik und Cloud-Plattformen schafft.

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