Wie funktioniert das Plasmaschneiden?

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Erforderliche Ausrüstung: Plasmaschneidanlage mit Plasmabrenner, Z-Achse mit Energiekette, Schneidtisch. Zuschnitt von Stahl und Aluminium
Bild 1: Plasmaschneidanlage mit Plasmabrenner, Z-Achse mit Energiekette, Schneidtisch. Zuschnitt von Stahl und Aluminium

Was versteht man unter Plasmaschneiden?

Unter Plasmaschneiden versteht man einen thermischen 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 auch subklimiert.

Das Material schmilzt sehr schnell, durch den Vorschub der Maschine und das Ausblasen der Schnittfuge durch das Plasmagas entsteht ein Schnittspalt. Dabei bläst der Gasstrom kontinuierlich das weiche Material aus der Schnittfuge heraus und trennt so das Material. Die entstehenden Gase müssen über einen geeigneten Filter abgesaugt werden.

Als Plasmagas wird häufig, aber nicht immer, Sauerstoff eingesetzt. 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.

Durch Ionisation des Plasmagases und seiner anschließenden elektrischen Entladung entsteht ebenfalls Ozon.

Ozon ist ein Gas, dass der Mensch über die Lunge gut aufnimmt und es bewirkt neben einem "frischen" Geruch auch ein Schwindelgefühl im Kopf. Es zerfällt im Körper nach kurzer Zeit von allein und verflüchtigt sich auch im Betrieb. Dennoch muss beim Betrieb einer Plasmaschneidanlage für genügend Frischluft bzw. für eine geeignete Filteranlage gesorgt werden. Ozon gilt als keimtötendes Desinfektionsmittel und kann daher zu einer Reizung der Atemwege führen.

Wie funktioniert der Plasmaschneider?

Systemaufbau eines Plasmastromkreises für das Plasmaschneiden mit Plasmastromquelle und Stromlaufplan
Bild 2: Systemaufbau eines Plasmastromkreises für das Plasmaschneiden

Funktionsweise Plasmaschneiden

Bild 2 erklärt die Funktionsweise. Der Plasmastrahl wird durch einen elektrischen Strom erzeugt, der das Schneidgas ionisiert und Temperaturen oberhalb von 30.000 Kelvin erreicht. Seine Energie reicht aus, um beispielsweise 160 mm Edelstahl zu trennen.

Plasma wird auch als "robustes" Verfahren bezeichnet, weil es relativ geringe Anforderungen an die betriebliche Umgebung und das Schneidgut stellt. Welche dies im Einzelnen sind, erfahren Sie in den folgenden Kapiteln rund um das Plasmaschneiden. Welche Genauigkeiten, Schnittgeschwindigkeiten und Toleranzen mit dem Plasmaschneider zu erreichen sind, erfahren Sie hier.

Die dazu gehörigen Plasmaschneidmaschinen werden in einem gesonderten Kapitel unter "Schneidmaschinen" betrachtet.

Erklärung des Schaubilds "Systemaufbau eines Plasmastromkreises"

Schaubild 2 Stromkreislauf eines Plasmaschneiders. Beim Plasmaschneiden spielen mehrere Komponenten zusammen, wenn man der Einfachheit vom "Plasmaschneiden" spricht, so umfasst der Begriff doch eine Vielzahl an erforderlichen Komponenten:

  1. Die Plasmastromquelle
  2. Die Gase-Mischkonsole
  3. Das Schlauchpaket
  4. Den Plasmabrenner samt seinen Verschleißteilen
  5. Und nicht zu vergessen: Der CNC-Schneidanlage, die für die korrekte Ansteuerung und die geometrische Bahnbewegung verantwortlich ist.
  6. Sowie das zu schneidende Material, das elektrisch leitfähig sein muss.

Wir werden im Folgenden über alle Punkte ausführlich berichten.

Plasmaschneiden basiert auf einem geschlossenen Stromkreis. Die Plasmastromquelle liefert zwei Anschlüsse, die Masse, mit der der Brennschneidtisch verbunden wird, auf dem über elektrische leitende Metallstreben das Metall aufliegt und den Pluspol, der über das Schlauchpaket zum Plasmaschneidkopf geführt wird.

Störungen beim Plasmaschneiden treten mitunter häufig dadurch auf, dass eine der Leitungswege unterbrochen ist oder Übergangswiderstände oder lose Schraub- oder Klemmverbindungen den Stromfluss behindern.

Was genau im Inneren des Brenners passiert, hängt ein Stück weit vom Modell des Brenners ab. Ausgehend von den weit verbreiteten Maschinenbrennern wird die erste Zündung, der Pilotlichtbogen, zwischen Elektrode und Düse gezündet. War die Zündung erfolgreich wird der Lichtbogen auf das Werkstück übertragen indem das Gas einströmt. Die Gasemischkonsole spielt ebenso wie die Regelung des Stromflusses eine große Rolle beim wirtschaftlichen Plasmaschneiden.

Der übertragende Lichtbogen erzeugt beim Plasmaschneiden in der Blechtafel das Einstechloch, man spricht vom piercing. Das Lochstechen mit dem Plasmabrenner erfolgt in kürzester Zeit, in der Regel auch in größeren Materialdicken von z.B. 40 mm in rund einer bis zwei Sekunden. Nach erfolgtem Einstechen schaltet die Stromquelle den Hauptstrom ein und erteilt ein Freigabesignal an die CNC-Steuerung des Portalschneidsystems - der Ausschnitt kann nun beginnen.

So weit die vereinfachte Darstellung des Schneidverfahrens beim Plasmaschneiden.

Für einen wirtschaftlichen Plasmaschnitt sind neben der Schnittqualität und der Schnittgeschwindigkeit auch die Lebensdauer der Verschleißteile ein wichtiges Kriterium. Sprunghafte Anstiege vom Strom-und Gasdurchfluss sind zu vermeiden. Moderne Qualitätsplasmastromquellen sorgen für geregeltes Ein- und Absenken der Energien und erreichen durch optimierte Verschleißteile lange Standzeiten und sehr hohe Schnittqualitäten.

Da Plasmaschneiden auf einem Stromfluss basiert liegt die Vermutung nahe, dass Plasmastromquellen und die Plasmaschneidmaschine samt dem Plasmabrenntisch sehr gut geerdet sein müssen. Die Plasmahersteller geben hier unterschiedliche Richtlinien vor, an die man sich tunlichst halten sollte. Denn die Ströme und Spannungen sind hoch genug, um Personen zu gefährden. Daher ist eine sorgfältige Erdung der Anlage zwingend erforderlich.

In einem besonderen Fall sollte eine Plasmaschneidanlage bei einem Kunden im Rheingebiet aufgebaut werden. Da das Grundwasser im Gebiet des Rheinufers für die Trinkversorgung der Gegend verwendet wird, liegt der Grundwasserspiegel sehr tief. Der Hersteller des Plasmaschneiders gab nun vor, dass der Erdungswiederstand kleiner 3 Ohm einzuhalten sei, was nur durch einen eigenen Erder zu erreichen war. Dieser Erder sollte aber auch im Sommer immer mit dem Grundwasser in Kontakt stehen. Damit diese Vorgaben erfüllt werden konnte, musste ein 18 m tiefer Erder in den Boden eingeschlagen werden. Sicherheit geht vor. Planen Sie solche Unwägbarkeiten lieber im voraus mit ein, wenn Sie sich dafür entscheiden, ein Plasmaschneidsystem zu installieren.

An anderer Stelle im Schneidforum sprechen wir auch über Fundamente, Logistik, Krananlagen und weiteren Tools, die mit dem wirtschaftlichen Plasmaschneiden zusammen hängen.

Vergleich Plasmaschneiden zum Laser

Der Plasmastrahl ist zwar sehr energiereich, jedoch lässt sich seine Energie nicht auf eine so kleine Fläche fokussieren zw. bündeln wie dies beim Laser möglich ist. Daher ist Energiedichte beim Plasmaschneiden geringer als beim Laser.  Dies bedeutet im praktischen Einsatz, dass sich eine breitere Schnittfuge bildet und damit auch ein größerer Materialaustrag entsteht.

Der höhere Materialabtrag beim Plasmaschneiden bedeutet auch eine höhere Absaugleistung für das Filtersystem.

Die geringe Bündelungsfähigkeit des Plasmastrahls erhöht auch den Einfluss der Hitzeeinwirkung auf das Material und seine Gefügeänderung im Randzonenbereich des Schnittes gegenüber dem Laserzuschnitt. Wobei die Aufhärtung der Schnittkante beim Laser häufig höher ist als beim Plasmaschneiden.

Die Schnittgenauigkeit ist beim Plasmaschneiden geringer als beim Laserzuschnitt. Charakteristisch für den Plasma-Lichtbogen ist seine blasenförmige Ausgestaltung, womit sich die Notwendigkeit ergibt, über eine geeignete Z-Achsen Höhenregelung einen optimalen Brennpunkt für das Auftreffen des Lichtbogens einzustellen und während des Schneidprozesses kontinuierlich nachzuführen. Der Plasma-Lichtbogen ist massbehaftet und unterliegt damit den Trägheitsgesetzen - dies merkt man besonders beim Erzeugen kleiner Ausschnitte oder beim Fahren von Ecken - der träge Gasstrom beim Plasma verschleift die Geometrie und erzeugt Nachlaufkonturen, die der Laserstrahl in dieser Art nicht kennt.

Plasmaschneiden erzeugt aufgrund seines breiteren Strahls eine hohe Qualität der Rauigkeit der Schnittflanken, die in der Regel dem Laserzuschnitt überlegen ist.

Die Schnittleistung beispielsweise eines 260A-Präzisions-Plasmabrenners entspricht ca. der eines 6 kW CO2-Lasers, wobei seine Anschlussleistung hingegen nur ¼ beträgt, ca. 35 kVA.

Zum Vergleich: CO2-Laser erreichen physikalisch bedingt einen Wirkungsgrad von 10 bis max. 15%, d.h. ein 5 kW Laser benötigt rund 50 bis 60 kVA Anschlussleistung inkl. der erforderlichen Kühlung. Der Faserlaser, insbesondere der Halbleiter-Diodenlaser hingegen arbeitet mit einem rund drei- bis viermal so hohem Wirkungsgrad von bis zu 45%, so dass seine Anschlussleitung im Verhältnis zum CO2-Laser geringer ausfällt, aber dennoch schlechter ist, als die des Plasmaschneiders.

Der Wirkungsgrad heutiger Plasmaschneider liegt bei 80 bis 90%, das bedeutet, dass seine elektrische Anschlußleistung bei vergleichbarer Schneidleistung erheblich geringer ausfällt als bei einem CO2-Laser ausfällt.

Der Plasmaschneider benötigt auch im Gegensatz zum Laser keine Einhausung, es genügen Seilzug- oder Lasergrenzschranken.

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