Faserlaser oder Plasma? Wirtschaftlichkeit und Leistung im Direktvergleich

Plasma ist bei dicken Blechstärken > 30 mm bisher das preiswertere Schneidverfahren, erfahren Sie die Kosten im Vergleich zum Laser.

Inhaltsverzeichnis:

Allgemeiner Vergleich Plasma zum Laser

Zu sehen sind eine Vielzahl an hervorragenden Zuschnitte aus verschiedenen Materialien mit dem Faserlaser geschnitten
Hervorragende Qualität der Zuschnitt mit dem Faserlaser geschnitten
  • Die Schnittgenauigkeit ist beim Plasmabrenner geringer als beim Laserschneiden.
  • Der Plasmastrahl ist zwar sehr energiereich, jedoch lässt sich seine Energie nicht auf eine so kleine Fläche fokussieren bzw. bündeln, wie dies beim Laser möglich ist. Daher ist die 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 Plasmastrahl erfordert auch eine höhere Absaugleistung für das Filtersystem.
  • Die geringe Bündelungsfähigkeit des Plasmabrenners 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 Plasmabrenner.
  • Der Plasmalichtbogen zeigt eine blasenförmige Form, womit sich die Notwendigkeit ergibt, die optimale Höhe des Brenners mit Hilfe einer Z-Achsen Höhenregelung einzustellen. Stimmt der Brennpunkt für das Auftreffen des Lichtbogens nicht, so ergibt sich ein schräger Schnitt oder mehr Grat.

  • Der Plasmalichtbogen ist mit Maße behaftet und unterliegt damit den Trägheitsgesetzen der Physik. Diese Eigenschaft wird besonders beim Erzeugen kleiner Ausschnitte oder beim Fahren von Ecken sichtbar. Der träge Gasstrom beim Plasma verschleift die Geometrie und erzeugt Nachlaufkonturen, die der Laserstrahl in dieser Art nicht kennt.
  • Hierdurch ist der Plasmazuschnitt weniger genau als der Laserzuschnitt.
  • Außerdem kann der Laser filigrane Konturen schneiden.
  • Der Plasmabrenner erzeugt aufgrund seines breiteren Strahls eine hohe Qualität bei der Rauheit 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, dies bestätigt die Auswahlhilfe der Schneidverfahren
  • Zum Vergleich: CO2-Laser erreichen physikalisch bedingt einen Wirkungsgrad von 10 bis max. 15 %, d.h. ein 5 kW CO2-Laser benötigt rund 50 bis 60 kVA Anschlussleistung inkl. der erforderlichen Kühlung. Der Faserlaser, insbesondere der Halbleiter-Diodenlaser hingegen besitzt einen drei- bis viermal besseren Wirkungsgrad von bis zu 45 %, so dass seine Anschlussleitung im Verhältnis zum CO 2 -Laser geringer ausfällt.
  • Der Wirkungsgrad heutiger Plasmabrenner liegt bei 80 bis 90 %, das bedeutet, dass seine elektrische Anschlussleistung bei vergleichbarer Schneidleistung erheblich geringer ausfällt als bei einem CO2-Laser.
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Edelstahlzuschnitt: Links lasergeschnitten, rechts mit Plasma geschnitten
Edelstahlzuschnitt: Linkes Teil mit Laser geschnitten, rechts mit Plasma geschnitten

Vergleich der Zuschnitte in Edelstahl: Plasma- versus Laserzuschnitt

Material: Zuschnitte aus 1.4301 Edelstahl

Dicke: 10 mm

Kontur: Außenschnitt eines Bauteils mit Länge ca. 120 mm Breite ca. 60 mm. Eine Innenaussparung mit Breite ca. 15 mm. 

 

Geschnitten mit:

Linkes Teil: Laserzuschnitt

CO2-Laser mit Stickstoff: Ohne Kommentar! Klicken Sie auf das Bild rechts

Rechtes Teil: Geschnitten mit Plasma

Für den Schnitt wurde ein Plasmabrenner mit Qualitätsplasma verwendet. Als Plasmagas kam H35 Wasserstoff zum Einsatz und N2 als Schutzgas. Der Schneidstrom wurde auf 130 A eingestellt. Die Schnittgeschwindigkeit betrug ca. 975 mm/min. Eine genaue Anleitung, wie man mit Plasma Edelstahl schneidet, haben wir auf einer eigenen Seite für Sie erstellt.
Es wurden folgende Schnittoptimierungen am CNC-Code durchgeführt, um ein gutes Schnittbild zu erzeugen: Ecken verrunden, Radien an Innenecken, diverse Verweilzeiten des Plasmabrenners in den Ecken wurden ausprobiert.
Hier sehen Sie das beste erzielbare Ergebnis beim Plasmazuschnitt mit Wasserstoff H35.

Die Rauheit des Plasmazuschnittes kann als hervorragend bezeichnet werden, wenn gleich heutige Brenner nochmals eine Leistungssteigerung erreichen. Die Außenkontur ist ebenfalls fast tadellos und kann dem Laserzuschnitt in bestimmten Aspekten durchaus Paroli bieten. Doch, wie erwartet und in den Grundlagenkapiteln zuvor beschrieben, macht die Innenkontur dem Plasmaschneidprozess im Edelstahlbereich zu schaffen. Bei Normalstahl und Aluminium gäbe es das Problem in dieser Form nicht so ausgeprägt.

Heutige Plasmabrenner setzen unter Umständen andere Gase beim Edelstahlzuschnitt ein und verwenden auch eine andere Brennertechnologie, sie erzielen bessere Ergebnisse als dies noch vor wenigen Jahren der Fall war. Eine Schnittverbesserung läßt sich auch durch einen geringeren Strom von beispielsweise 80 A oder weniger erzielen sowie mit Stromrampen und einer besonderen Gassteuerung, die moderne Systeme heute einsetzen.

Doch ohne Neid müssen wir feststellen, dass im Bereich Edelstahl der Laser die Nase vorn hat, wenn es um Genauigkeiten, feine Innenkonturen und kleine Innenradien geht.

Zusammenfassung: Plasma versus Laser

Im direkten Vergleich Laser vs. Plasma gibt es keinen eindeutigen Sieger, beide Schneidverfahren besitzen Stärken und Schwächen. Entscheidend bei der Auswahl ist vielmehr, welche Anforderungen der Anwender besitzt und welche Leistung, und Wirtschaftlichkeit gewünscht wird.

  • Plasma ist ein robustes Verfahren, das geringere Anforderungen an die Umgebung stellt, was Betriebstemperatur, Durchzug, Feuchtigkeit, Schwingungen, etc. betrifft  - im Gegensatz zum Laser
  • Investitionskosten sind geringer als bei Laserschneidanlagen
  • Plasma ist bei dicken Blechstärken > 30 mm bisher das preiswertere Schneidverfahren - erfahren Sie die Kosten im Vergleich von Plasma zu den anderen Schneidverfahren für 1 m Schneidlänge in unserem Schnittkostenvergleichsrechner.
  • Die Materialunabhängigkeit bei Plasma ist höher, es schneidet alle elektrisch leitfähigen Metalle
  • Plasma ist wesentlich toleranter was die Oberfläche und die Temperatur des zu schneidenden Metalls betrifft, Rost, Grundierung, unterschiedliche Materialeigenschaften haben weitaus weniger Einfluss, als beim Laser
  • Plasma besitzt eine breitere Schnittfuge und damit auch einen größeren Materialaustrag. Erfahren Sie in welcher Genauigkeitsnorm nach DIN EN ISO 9013 das Verfahren liegt.
  • Der höhere Materialabtrag beim Plasmastrahl erfordert auch eine höhere Absaugleistung für das Filtersystem.
  • Die geringe Bündelungsfähigkeit des Plasmabrenners erhöht auch den Einfluss der Hitzeeinwirkung auf das Material und seine Gefügeänderung im Randzonenbereich des Schnittes gegenüber dem Laserzuschnitt.
  • Die Materialaufhärtung der Schnittkante ist bei Plasma etwas geringer als beim Laserzuschnitt
  • Die Schnittgenauigkeit von Plasma ist eine Klasse geringer als beim Laser und beim Wasserstrahlschneiden, wenngleich modernste Qualitätsplasmabrenner gewisse Genauigkeitsüberschneidungen zum Laser erzielen können
  • Ausschnitte, vor allem Innenkonturen und kleine Löcher sind mit dem Laser wesentlich präziser schneidbar
  • Der Grat und die Schnittschräge ist bei Plasma etwas größer
  • Der Laserzuschnitt ist mit den neuen Hochleistungslasern mit 20 kW, 30 kW oder mehr erheblich schneller als Plasma auch im Dickblechbereich. Die hohe Schnittgeschwindigkeit des Lasers im Dünn- und Mittelblech ist für Plasma nicht erreichbar. Spielen wirtschaftliche Faktoren die Hauptrolle kommt es auf eine konkrete Wirtschaftlichkeitsberechnung an
  • Die Gefügeveränderung im Zuschnitt ist bei Plasma höher ausgeprägt, da mehr Hitze eingebracht wird als beim Laser
  • Plasmaschneidanlagen lassen sich gut automatisieren, doch die Funktionsweise von Laserschneidanlagen erlaubt einen noch höheren Automatisierungsgrad bis zu bestimmten Blechdicken.
  • Plasmazuschnitte sind lauter und es fällt mehr Staub an
  • Das Plasmagas erzeugt Funkenflug und UV-Strahlung. Wobei parasitäre Laserstrahlung ein noch wesentlich höheres Sicherheitsrisiko darstellt, so dass der Laser eingehaust werden muss.
  • Der Plasmabrenner erzeugt aufgrund seines breiteren Strahls eine hohe Qualität bei der Rauheit der Schnittflanken, die in der Regel dem Laserzuschnitt überlegen ist.
  • Der Laser erfordert einen Strahlenschutzbeaufragten, was bei Plasma nicht erforderlich ist.
  • Die Wartungskosten beim Laser sind höher als bei Plasma.
  • Die Schachteldichte und die Anstichlängen sind beim Laser günstiger, so dass weniger Restblech anfällt

FAZIT:

Bis 25 max. 30 mm ist der Faserlaser die wirtschaftlichere Lösung, sagen Anwender, wenn der Faserlaser min. 30 kW besitzt und keine überproportionalen Wartungs- und Reparaturkosten erzeugt, sofern die anderen Argumente, die für Plasma sprechen, bei Ihnen keine oder eine geringere Bedeutung besitzen. Doch nicht immer liefert der Blick allein auf die Schneidkosten die Antwort, lesen Sie im nächsten Kapitel, welche KO-Kriterien für den Lasereinsatz sprechen können, auch wenn sein Zuschnitt der preiswerteste auf den ersten Blick zu sein scheint.

Was zeichnet Plasma besonders aus?

Plasmaschneiden in rauer Umgebung und offenen Hallen und großen Blechtafeln mit rostigen Oberflächen
Plasmaschneiden in rauer Umgebung (Foto: © Schneidforum, Solingen)

Weil Plasma ein robustes und bewährtes Verfahren ist.

Der Hype um den Faserlaser wirft häufig die Frage auf, können wir nicht alles mit dem Laser schneiden? Doch der Laser hat seine Grenzen, vor allem im schweren Stahl-, Maschinen- und Anlagenbau!

Beschreibung einer typischen Betriebsumgebung, da wo Plasma/Autogen den absoluten Heimvorteil besitzen in einer Beispielumgebung, wie sie häufig in der Branche anzutreffen ist:

  • Dabei kommen Großanlagen mit 20 bis 50 m langen und 4 bis 8 m breiten Schneidportalen zum Einsatz.
  • Es sind  Blechtafeln in Formaten von 5 bis 50 mm und dicker, bei Größen von 4 m x 12 m oder größer, zu schneiden.
  • Häufig wird im Zwei- oder Dreichschichtbetrieb gearbeitet.
  • Bei Autogenanlagen wird gleich mit 4, 8 oder 12 Schneidbrennern gearbeitet.
  • Die Maschinen stehen in den langen Hallenschiffen durch die offenen Hallentore im Durchzug, dies bedeutet auch: Schwankende Temperaturen und eine hohe Luftfeuchte.
  • Die Kran- oder Staplerbeladung erzeugt auch schon mal unsanfte Stöße beim Beladen.
  • Das Abräumen der Brenntische erfolgt nicht selten mit Vorschlaghammer, Meißel und Schneidbrenner, wenn dicke Blechausschnitte mit dem Auflagen verklebt sind.
  • In solchen Hallen wird geschliffen, geschweißt, gesandstrahlt. Entsprechend schmutzbeladen ist die Atmosphäre.
  • Das Rohmaterial kann auch schon mal direkt vom Außenlager stammen; feucht, kalt, verölt, mit Rost und Zunder versehen.

Fazit: Eine Reihe von KO-Kriterien für den Lasereinsatz.

In solchen Produktionsumgebungen haben wir noch keine Laserschneidanlage lange Zeit ohne Störungen produzieren gesehen.

Dass Faserlaser dick schneiden können, bezweifelt niemand. Doch findet dies in der Regel nicht in einer Produktionsumgebung statt, wie oben beschrieben. Kommen dort Laser zum Einsatz, dann nur als Zweitanlage, als Ergänzung für bestimmte Kleinteile oder für kleinere Blechtafelformate mit bestimmten Güten und wo eine hohe Präzision verlangt wird. Die "Brot- und Butter-Anlagen" übernehmen noch immer die "Schlachtschiffe": Plasma- und Brennschneidmaschinen.

Und nun, überzeugen Sie sich selber von unserer Behauptung, dass Plasmaschneiden für viele Bereiche absolut interessant ist, denn jedes Verfahren hat seine Berechtigung und seine spezifischen Eigenschaften. Des weiteren sprechen für den Plasmaeinsatz auch die vielen Anwendungen im Handplasmabereich, im Metallbau, in Schlossereien etc.

Wir wünschen Ihnen viel Freude beim Durchforsten der Details zu diesem robusten und bewährten System: Plasmaschneiden.

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