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Beim Plasmaschneiden werden Werkstücke aus elektrisch leitfähigen Materialien mit einem beschleunigten heißen Plasmastrahl durchtrennt. Plasmaschneiden ist eine effektive Methode, um dicke Bleche zu schneiden.

Ob Sie Kunstwerke schaffen oder Fertigteile herstellen möchten – Plasmaschneiden bietet unbegrenzte Möglichkeiten zum Schneiden von Aluminium, Edelstahl und mehr. Doch was genau steckt hinter dieser relativ jungen Technologie? Die wichtigsten Fragen klären wir in unserer Kurzübersicht mit den wichtigsten Fakten rund um Plasmaschneider und Plasmaschneiden.

Plasmaschneiden von Blechen, Rohren und Profilen

Plasmaschneiden von Blechen, Rohren und Profilen

Plasmaschneiden ist ein Verfahren, bei dem elektrisch leitfähige Materialien mit einem beschleunigten heißen Plasmastrahl durchtrennt werden. Typische Materialien, die mit einem Plasmabrenner geschnitten werden können, sind Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing und Kupfer sowie andere leitfähige Metalle. Plasmaschneiden wird häufig in produzierenden Betrieben, in der Fahrzeugreparatur und -restaurierung, im Industriebau sowie bei Bergungs- und Verschrottungsarbeiten eingesetzt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit und Präzision der Schnitte bei gleichzeitig geringen Kosten findet das Plasmaschneiden breite Anwendung von großen industriellen CNC-Anwendungen bis hin zu kleinen Hobbybetrieben, in denen die Materialien dann zum Schweißen verwendet werden. Plasmaschneiden - Leitgas mit einer Temperatur von bis zu 30.000 °C macht Plasmaschneider so besonders.

In diesem Video zeigt Microstep das Plasmaschneiden und Markieren mit Plasma.

Der grundlegende Prozess beim Plasmaschneiden und Schweißen besteht darin, aus überhitztem, elektrisch ionisiertem Gas – also Plasma – vom Plasmaschneider selbst durch das zu schneidende Werkstück einen elektrischen Kanal zu erzeugen und so über eine Erdungsklemme einen fertigen Stromkreis zurück zum Plasmaschneider zu erzeugen . Dies wird durch ein komprimiertes Gas (Sauerstoff, Luft, Schutzgas und andere je nach zu schneidendem Material) erreicht, das durch eine fokussierte Düse mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück geblasen wird. Im Gas bildet sich dann zwischen einer Elektrode in der Nähe der Gasdüse und dem Werkstück selbst ein Lichtbogen. Dieser Lichtbogen ionisiert einen Teil des Gases und erzeugt so einen elektrisch leitenden Plasmakanal. Wenn der Strom vom Schneidbrenner des Plasmaschneiders durch dieses Plasma fließt, gibt es genug Wärme ab, um das Werkstück durchzuschmelzen. Gleichzeitig bläst ein Großteil des Hochgeschwindigkeitsplasmas und des komprimierten Gases die heiße Metallschmelze weg und trennt das Werkstück.

Schalldruckpegel senken: Plasmaschneiden muss nicht laut sein

Schalldruckpegel senken: Plasmaschneiden muss nicht laut sein

Plasmaschneiden ist eine effektive Methode, um dünne und dicke Materialien zu schneiden. Handbrenner können normalerweise bis zu 38 mm dicke Stahlbleche schneiden, während leistungsstärkere computergesteuerte Brenner Stahlbleche bis zu 150 mm Dicke schneiden können. Da Plasmaschneider einen sehr heißen und sehr lokalisierten "Kegel" zum Schneiden erzeugen, sind sie sehr nützlich zum Schneiden und Schweißen von Blechen in gebogenen oder abgewinkelten Formen.

Ein Plasmasystem für alle Schneid- und Markierarbeiten

Manuelle Plasmaschneider werden in der Regel von Werkstätten zur Bearbeitung von dünnem Metall, zur Instandhaltung von Fabriken, zur Instandhaltung von landwirtschaftlichen Betrieben, in Schweißreparaturzentren, in Metallservicezentren (Schrott, Schweißen und Demontage), bei Bauarbeiten (z und Brücken), die im kommerziellen Schiffbau, Anhängerbau, Autoreparaturarbeiten und Kunstgegenständen (Fertigung und Schweißen) verwendet werden.

Baustahlschneiden mit Flash 101. (Bild: Kjellberg)

Mechanisierte Plasmaschneider sind in der Regel deutlich größer als manuelle Plasmaschneider und werden in Verbindung mit Schneidtischen eingesetzt. Mechanisierte Plasmaschneider können in eine Stanz-, Laser- oder Roboterschneidanlage integriert werden. Die Größe eines mechanisierten Plasmaschneiders hängt vom verwendeten Tisch und Portal ab. Diese Systeme sind nicht leicht zu manövrieren, daher sollten vor der Installation alle ihre Komponenten zusammen mit dem Layout des Systems berücksichtigt werden.

Hersteller bieten jetzt auch Kombigeräte an, die sowohl zum Plasmaschneiden als auch zum Schweißen geeignet sind. In der Industrie gilt die Faustregel: Je komplexer die Anforderungen beim Plasmaschneiden, desto höher die Kosten.

Das Plasmaschneiden entstand in den 1960er Jahren aus dem Plasmaschweißen und entwickelte sich in den 1980er Jahren zu einem sehr produktiven Verfahren zum Schneiden von Blechen und Platten. Im Vergleich zum traditionellen „Metall-gegen-Metall“-Schneiden entstehen beim Plasmaschneiden keine Metallspäne und es werden sehr präzise Schnitte erzielt. Die frühen Plasmaschneider waren groß und auch recht langsam und teuer. Daher wurden sie hauptsächlich zum Wiederholen von Nähmustern im Massenproduktionsmodus verwendet. Wie bei anderen Werkzeugmaschinen wurde auch im Plasmaschneider von Ende der 1980er bis in die 1990er Jahre die CNC-Technologie (Computer Numerical Control) eingesetzt. Dank der CNC-Technologie erhielten die Plasmaschneider eine größere Flexibilität beim Schneiden verschiedener Formen, basierend auf einer Reihe verschiedener Anweisungen, die in die numerische Steuerung der Maschine einprogrammiert wurden. Die CNC-Plasmaschneidmaschinen waren jedoch typischerweise auf das Schneiden von Mustern und Teilen aus flachen Stahlblechen mit nur zwei Bewegungsachsen beschränkt.

Automatisiertes Plasmaschneiden für eine effiziente Produktion

Automatisiertes Plasmaschneiden für eine effiziente Produktion

In den letzten zehn Jahren haben die Hersteller der verschiedenen Plasmaschneider völlig neue Modelle mit kleinerer Düse und dünnerem Plasmabogen entwickelt. Dies ermöglicht eine lasernahe Präzision an den Plasmaschnittkanten. Mehrere Hersteller haben die Präzisions-CNC-Steuerung mit diesen Brennern kombiniert, wodurch es möglich ist, Teile herzustellen, die wenig oder keine Nachbearbeitung erfordern, was auch andere Prozesse wie das Schweißen vereinfacht.

In diesem Video schneidet Ferroflex 12 mm Stahlblech mit Plasma.

Der Begriff „Thermisches Schneiden“ wird als Überbegriff für Verfahren verwendet, bei denen Werkstoffe durch Wärmeeinwirkung mit oder ohne Schneidsauerstoffstrom so geschnitten oder umgeformt werden, dass eine Nachbearbeitung im Weiterverarbeitungsprozess nicht mehr erforderlich ist . Die drei dominierenden Verfahren sind Autogen-, Plasma- und Laserschneiden.

Plasmabrenner mit Faseneinheit. (Bild: Lind)

Wenn Kohlenwasserstoffe oxidiert werden, erzeugen sie Wärme. Wie bei anderen Brennverfahren erfordert das Autogenschneiden keine teuren Geräte, die Energiequelle ist leicht zu transportieren und die meisten Verfahren benötigen weder Strom noch Kühlwasser. Ein Brenner und eine Brenngasflasche reichen in der Regel aus. Autogenes Brennschneiden ist das vorherrschende Verfahren zum Trennen von schweren, unlegierten und niedriglegierten Stählen und dient auch zur Vorbereitung des Materials für das spätere Schweißen. Nachdem die Oxy-Fuel-Flamme das Material auf Zündtemperatur gebracht hat, wird der Sauerstoffstrahl eingeschaltet und bringt das Material zum Verbrennen. Wie schnell die Zündtemperatur erreicht wird, hängt vom Brenngas ab. Die Geschwindigkeit für den richtigen Schnitt hängt von der Reinheit des Sauerstoffs und der Geschwindigkeit des Sauerstoffgasstrahls ab. Hochreiner Sauerstoff, optimiertes Düsendesign und das richtige Brenngas garantieren eine hohe Produktivität und minimieren die Gesamtprozesskosten.

Das Plasmaschneiden wurde in den 1950er Jahren entwickelt, um nicht brennbare Metalle (zB rostfreie Stähle, Aluminium und Kupfer) zu schneiden. Beim Plasmaschneiden wird das Gas in der Düse durch das spezielle Design der Düse ionisiert und fokussiert. Allein mit diesem heißen Plasmastrom können Materialien wie Kunststoffe (ohne übertragenen Lichtbogen) geschnitten werden. Bei Werkstoffen aus Metall wird beim Plasmaschneiden zusätzlich ein Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück gezündet, um die Energieübertragung zu erhöhen. Eine sehr enge Düsenöffnung fokussiert den Lichtbogen und den Plasmastrom. Ein Sekundärgas (Schutzgas) kann die Entladungsstrecke zusätzlich verengen. Durch die Wahl der richtigen Plasma/Schutzgas-Kombination können die Gesamtprozesskosten deutlich gesenkt werden.

Plasmaschneiden unter Wasser schont Mensch und Umwelt

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Das Autorex-System von Esab ist der Einstieg in die Automatisierung des Plasmaschneidens. Es lässt sich problemlos in bestehende Produktionen integrieren. (Bild: Esab Schneidsysteme)

Laserschneiden ist die neueste thermische Schneidtechnologie und wurde nach dem Plasmaschneiden entwickelt. Der Laserstrahl wird im Resonanzraum der Laserschneidanlage erzeugt. Während der Verbrauch des Resonatorgases gering ist, sind dessen Reinheit und die richtige Zusammensetzung entscheidend. Spezielle Resonatorgase schützen die Geräte vom Zylinder bis in den Resonatorraum und optimieren die Schneidleistung. Zum Schneiden und Schweißen wird der Laserstrahl vom Resonator durch das Strahlengangsystem zum Schneidkopf geführt. Es ist sicherzustellen, dass das System frei von Lösungsmitteln, Partikeln und Dämpfen ist. Stickstoff aus einer flüssigen Quelle wird besonders für Hochleistungsanlagen (> 4kW) empfohlen. Beim Laserschneiden kann Sauerstoff oder Stickstoff als Schneidgas dienen. Sauerstoff wird für un- und niedriglegierte Stähle verwendet, der Prozess ähnelt dem Autogenschneiden. Auch hier spielt die Reinheit des Sauerstoffs eine wichtige Rolle. Stickstoff wird auf Edelstahl, Aluminium und Nickellegierungen verwendet, um eine saubere Kante zu erzielen und die kritischen Eigenschaften des Grundmaterials zu erhalten.

Nähere Informationen zu den Unterschieden der einzelnen Verfahren finden Sie hier.

Wie wir alle wissen, wird Wasser in vielen industriellen Prozessen mit hohen Temperaturen als Kühlmittel verwendet. Gleiches gilt für die Wassereinspritzung beim Plasmaschneiden. Durch den Injektor wird Wasser in den Plasmabogen des Plasmaschneiders eingespritzt. Der Plasmalichtbogen entsteht typischerweise, wenn Stickstoff als Plasmagas verwendet wird, wie dies bei den meisten Plasmaschneidern der Fall ist. Sobald das Wasser in den Plasmabogen eingespritzt wird, führt dies zu einer starken Einschnürung. Die Temperatur steigt bei diesem speziellen Verfahren deutlich auf 30.000 °C und darüber an. Vergleicht man die oben genannten Prozessvorteile mit konventionellem Plasma, sieht man, dass sich sowohl die Schnittqualität als auch die Rechtwinkligkeit des Schnitts deutlich verbessern und die Materialien optimal für das Schweißen vorbereitet sind. Neben der Verbesserung der Schnittqualität beim Plasmaschneiden kommt es auch zu einer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit, einer geringeren Gefahr von Doppelwölbungen und einer Reduzierung des Düsenabbrandes.

Seit 2018 gibt es eine neue Fachmesse speziell für Schneidtechnologien in der Blechbearbeitung: die Cutting World in Essen. Geplant ist ein zweijähriger Zyklus.

Wirbelgas wird häufig in der Plasmaschneidindustrie verwendet, um eine bessere Eindämmung der Plasmasäule zu erreichen und einen stabileren Einschnürungslichtbogen zu erzeugen. Wenn die Anzahl der Einlassgaswirbel zunimmt, wandert der maximale Druckpunkt aufgrund der Fliehkraft an den Rand des Plenums und der minimale Druckpunkt rückt viel näher an die Achse. Die Differenz zwischen maximalem und minimalem Druck nimmt mit der Drallzahl zu. Die große Druckdifferenz in radialer Richtung verengt den Lichtbogen und führt zu hoher Stromdichte und ohmscher Erwärmung in Achsnähe. Dies führt zu einer viel höheren Temperatur in der Nähe der Kathode. Es sollte beachtet werden, dass Wirbelgas die Kathodenerosion aus zwei Gründen beschleunigt: Erhöhung des Drucks im Plenum und Änderung der Strömungsmuster in der Nähe der Kathode. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass das Gas mit hoher Drallzahl die Drallgeschwindigkeitskomponente an der Trennstelle entsprechend der Drehimpulserhaltung erhöht. Es wird angenommen, dass dies unterschiedliche Winkel an der linken und rechten Kante der Schnittfuge verursacht.

Plasmaschneiden mit variabler Fasengeometrie

Plasmaschneiden mit variabler Fasengeometrie

Für alles rund um das Plasmaschneiden ist das Fachbuch „Handbook of Advanced Plasma Processing Techniques“ sehr zu empfehlen.

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