Die gebräuchlichsten thermischen Schneidverfahren zum Trennen von metallischen Werkstoffen sind Autogen, Plasma und Laser. Die Wahl des am besten geeigneten Verfahrens hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab: Materialart & -dicke, Produktspezifikation, Investitionsaufwand und Betriebskosten.

In den folgenden Abschnitten erfahren Sie mehr über die einzelnen Schneidverfahren. Im zweiten Teil des Artikels haben wir einen interessanten Vergleichstest zwischen Plasma und Autogen durchgeführt, welchen Sie auch auf unserem YouTube-Kanal sehen können.

Autogen- oder Brennschneiden

Das Autogenschneiden ist das älteste und am häufigsten eingesetzte Verfahren. Es eignet sich zum Schneiden von Kohlenstoffstahl, niedrig legierten Stählen und Titan, nicht jedoch zum Schneiden von Nichteisenmetallen wie Aluminium, rostfreiem Stahl, Nickellegierungen, Messing oder Kupfer. Die Dicke des Materials, das geschnitten werden kann, reicht von 3 mm bis 300 mm bei Verwendung von Standardausrüstung, mit Spezialausrüstung kann der Bereich auf über 1000 mm erweitert werden.

Die verwendeten Brenngase unterscheiden sich in Leistung und Kosten. Die höchste Brenntemperatur erreicht Acetylen – um 3160 ° C, andere Gase MAPP – 2976 ° C, Propylen (LPG) – 2896 ° C, Propan – 2828 ° C, Erdgas – 2770 ° C. Niedrigere Schneidgastemperaturen spiegeln sich in längeren Einstechzeiten, niedrigeren Schneidgeschwindigkeiten und größeren Wärmeeinflusszonen (WEZ) wider. Bevor Sie sich für einen Brenngastyp entscheiden, sollten Sie sich über das Verhältnis von Sauerstoff zu Brenngas informieren, um die gewünschte Schneidleistung zu erzielen. Die Wahl eines geeigneten Gases kann auch vom Gasversorger, den Lagerbedingungen und der Arbeitssicherheit beeinflusst werden. Der Schneidvorgang wird mit einem Brenner durchgeführt, der mit einer geeigneten Düse ausgestattet ist. Das Sauerstoff-Brenngas-Gemisch wird unter geregeltem Druck dem Brenner zugeführt, das Material wird auf eine Zündtemperatur zwischen 700 ° C und 900 ° C vorgeheizt. Das Material sollte hellrot, aber nicht gelb sein. Erst wenn die Zündtemperatur erreicht ist, wird das Schneidgas (Sauerstoff) gestartet und der exotherme Reaktionsprozess beginnt. Der Stahl beginnt zu oxidieren und bildet eine hochflüssige Schlacke, die durch den Druck des Schneidgases aus der Schneidfuge herausgeblasen wird.

Um auch wiederholt ein optimales Schneidergebnis zu erzielen, wird empfohlen, ein CNC-System zu verwenden. Das Material sollte möglichst frei von Fett, Rost und anderen Verunreinigungen sein. Überprüfen Sie vor dem Schneidvorgang, ob der Brenner mit der richtigen Düsengröße ausgestattet ist, prüfen und testen Sie den Gasdruck, die Flammenform, den Abstand der Flamme vom Material und die Schneidgeschwindigkeit.

Mechanisierte Schneidsysteme eignen sich für den Einsatz in der Schwerindustrie, der Stahlverarbeitung und auf Werften. Manuelles Brennschneiden und Fugenhobeln wird in den oben genannten Industrien eingesetzt, zusätzlich zum Schneiden von Schrott, zur Demontage/Stilllegung von Prozessanlagen und Schiffen.

TIPP: Wussten Sie, dass Thermacut® eigene Sauerstoffbrenner EX-TRAFLAME® und EX-TRAFLAME®PRO entwickelt hat? Weitere Informationen finden Sie unter www.thermacut.de

Plasmaschneidverfahren

Das Plasmaschneiden ist die universellste der drei hier vorgestellten Methoden. Es eignet sich zum Schneiden aller elektrisch leitenden Materialien, zu den häufigsten zählen Baustahl, niedriglegierter Stahl, Aluminium, Edelstahl, Nickel und Kupferlegierungen in unterschiedlichen Stärken von 0,5 mm bis über 150 mm.

Plasmaschneiden ist schneller als Autogenschneiden bei gleicher Materialstärke. Der Plasmalichtbogen hat den Vorteil, dass er keine Luftspalten berücksichtigt, so dass Materialien gestapelt werden können. Auch beschichtetes, feuerverzinktes, galvanisiertes, lackiertes, rostiges und stark verzundertes Material kann ohne größere Probleme geschnitten werden, sofern das Material gut geerdet ist.

Zum Plasmaschneiden sind ein Plasmagerät, ein Plasmabrenner und eine Gasversorgung erforderlich. Die gängigsten Plasmastromquellen haben eine Stromstärke von 30 bis 800 A, sie haben einen Brenner, der an die Gasversorgung angeschlossen ist. Die Systeme sind in zwei Hauptkategorien unterteilt: Eingas und Mehrgas.

Eingassysteme sind in der Regel kostengünstiger in der Anschaffung, liefern aber dennoch eine akzeptable Schnittqualität bei Materialien wie Baustahl und niedrig legierten Stählen. Die fortschrittlicheren Mehrgassysteme eignen sich durch die Verwendung der entsprechenden Verschleißteile und Gaskombinationen zum Schneiden aller leitfähigen Materialien. Eingas-Plasmageräte arbeiten meistens mit sauberer, trockener Druckluft, Stickstoff oder Gemische davon. Kombinationen von Druckluft, Sauerstoff, Stickstoff, Argon-Wasserstoff oder Stickstoff-Wasserstoff werden für Mehrgas-Plasmageräte verwendet.

Die Bildung des Plasmastrahls erfolgt innerhalb des Plasmabrenners, wo mit Hilfe elektrischer Spannung das Schneidgas ionisiert wird. Dies wird in der Plasmakammer (zwischen Elektrode und Düse) elektrisch leitend und erzeugt dann einen Plasmalichtbogen, der mit hoher kinetischer Energie durch eine enge meist flüssiggekühlte Düsenöffnung in Richtung des zuschneidenden Materials austritt, welches schmilzt und aus der Fuge geblasen wird. Die Temperatur des so gebildeten Lichtbogens liegt bei etwa 20.000 ° C. Diese Temperatur kann bei Verwendung eines Mehrgassystems überschritten werden.

Wie beim CNC-Brennschneiden erfordert auch das Plasmaschneiden die korrekte Einstellung aller Parameter, insbesondere Stromstärke (A), Auswahl der geeigneten Gas- und Druckeinstellung, korrekte Auswahl der Verschleißteile (Düsen, Elektroden usw.), Einstellung der Brennerhöhe zum Material und Schneidgeschwindigkeit. All dies beeinflusst die Qualität des Schnitts.

Darüber hinaus sind handgeführte Plasmasysteme vielseitig einsetzbar. Durch ihre Portabilität können sie an verschiedenen Arbeitsplätzen eingesetzt werden. Die Systeme können in Kombination mit tragbaren motorisierten / CNC-Systemen verwendet werden. Darüber hinaus werden handgeführte Plasmasysteme wegen ihrer Fugenhobelfähigkeit, des schnellen, kostengünstigen Materialabtrags und des geringeren Wärmeeintrags bevorzugt.

Mechanisierte Plasmaschneidsysteme eignen sich für den Einsatz in der Leicht- bis Schwerindustrie, der Stahlverarbeitung und auf Werften. Manuelles Plasmaschneiden und Fugenhobeln wird in den oben genannten Industriezweigen eingesetzt, zusätzlichen zum Zerlegen von Schrott, der Demontage/Stilllegung von Prozessanlagen und Schiffen.

TIPP: Das Portfolio der EX-TRAFIRE® SD-Serie umfasst Plasmasysteme von 30 A bis 100 A. Weitere Informationen finden Sie auf Website www.ex-trafire.com.

Laser schneidet alles

Das Laserschneiden ist das jüngste der drei untersuchten Verfahren. Beim Laserschneiden wurden bemerkenswerte Fortschritte bei der Erzeugung und Abgabe von Laserstrahlen erzielt. Der heute in der metallverarbeitenden Industrie verwendete Laserstrahl entwickelte sich ursprünglich in den frühen 70er Jahren aus einem Verfahren, bei dem ein Sauerstofflaserstrahl verwendet wurde, der hauptsächlich zum Schneiden von Titan in der Luft- und Raumfahrtindustrie bestimmt war. Seitdem sind CO₂-Laser zu den populärsten Systemen der Welt geworden. Die weitere Entwicklung hat zum Faserlaserschneidverfahren geführt, das am weitesten fortgeschritten ist und derzeit als das beste Verfahren gilt.

Die Laserleistung zum Schneiden von Metallen hat im Laufe der Zeit stark zugenommen, von 300 W zum Schneiden von 1,0mm dicken Baustahl bis zu 20.000 W zum Schneiden von 50 mm dicken Baustahl. 12.000 W gelten derzeit als Standard für das Schneiden von 25 mm dickem Kohlenstoffstahl (Baustahl).

Von den drei oben beschriebenen Technologien ist die Lasertechnologie, die genaueste. Sie schneidet Material mit einer Dicke von Mikrometern aufwärts und kann alle Metalle schneiden, einschließlich feuerverzinktem und galvanisiertem Stahl, obwohl die Dicke derartiger behandelter Metalle begrenzt ist.

Wenn alle Parameter richtig eingestellt sind, erfordern Profilteile kaum noch eine Nachbearbeitung. Alle Lasersysteme bieten die beste Leistung in einer sauberen Arbeitsumgebung. Schweißen, Schleifen und andere luftverschmutzende Vorgänge können die Schnittqualität und die Lebensdauer des Systems beeinträchtigen. Die zu schneidenden Materialien müssen sauber und die Oberfläche frei von Schmutz sein. Eine Oberflächenbehandlung mit speziellen Beschichtungen oder Sprays kann dazu beitragen, das Anhaften von Mikrospritzern zu verhindern.

Der Laserstrahl wird von einer Festkörper-, CO2- oder Faserquelle erzeugt. Fasersysteme sind am fortschrittlichsten, der Laserstrahl wird durch eine Faser zum Schneidkopf transportiert. Der Vorteil hierbei ist, dass die Länge des Strahlengangs konstant bleibt, wodurch kostspielige Ausfallzeiten für die Neueinstellung und Anpassung der Strahlübertragungsvorrichtungen entfallen. Die beim Laserschneiden verwendeten Gase sind Sauerstoff und Stickstoff. Beim Schneiden von Baustahl mit Sauerstoff als unterstützendes Gas, tritt eine exotherme Reaktion ähnlich der Brennschneidmethode auf, wenn das Gas die Schlacke aus dem Material bläst. Stickstoff wird zum Schneiden von Aluminium, Edelstahl, Nickellegierungen, Titan und Kupfer verwendet. Stickstoff kann auch als unterstützendes Gas beim Schneiden von Baustahl und niedriglegiertem Stahl verwendet werden, um so bessere Ergebnisse zu erzielen und die Nachbearbeitung zu minimieren.

Die Anschaffungskosten in die Lasertechnologie sind erheblich. Um eine schnellere Amortisation zu ermöglichen, können Lasersysteme in einer sogenannten „dunklen Fabrik“ betrieben werden, d. h. hochautomatisierte Produktionseinheiten arbeiten über Nacht völlig unbemannt oder mit nur wenigen Mitarbeitern zur Ausfallbehebung. Die Energiekosten können relativ hoch sein, was teilweise durch niedrige Verschleißteilkosten ausgeglichen wird.

TIPP: Thermacut® hat einen eigenen Schneidkopf, den EX-TRABEAM®, entwickelt. Mehr Informationen finden Sie auf unserer Website unter www.ex-trabeam.com

Anwendungsbereich der einzelnen Technologien

Vergleichstabellen für Plasma- und Brennschneiden

Aus den obigen Tabellen und Diagrammen geht auf den ersten Blick hervor, dass die Gesamtkosten pro Meter geschnittenen Materials beim Einsatz der Plasmatechnologie am niedrigsten sind. Allerdings dürfen wir nicht vergessen, die Anschaffungs- und Betriebskosten zu berücksichtigen.

Die Anschaffung eines CNC-Schneidsystems mit einem Plasmasystem kostet (in der Tschechischen Republik) ungefähr 2,5 Millionen CZK, während ein CNC-Schneidsystem mit einem Autogenbrenner für ungefähr 1,2 Millionen CZK angeschafft werden kann. Um die Anfangsinvestition in kürzester Zeit zu amortisieren, ist es außerdem möglich, die CNC-Schneidmaschine mit zusätzlichen Brennern zu bestücken. Dies führt zu niedrigeren Kosten pro Meter geschnittenen Materials. Daher wird die Autogenschneidetechnik für das Schneiden von dicken Materialien empfohlen.

Wir empfehlen Ihnen, sich den Vergleichstest zwischen Autogen und Plasma auf unserem YouTube-Kanal anzusehen.

Vergleich Baustahl 25 mm: https://youtu.be/jpLtpvrfyl0
Vergleich Baustahl 60 mm: https://youtu.be/ZtAgzuuKf4s

Diese Tests wurden im Thermacut®-Prüflabor durchgeführt und es wurde die Autogen- und Plasmatechnologie beim Schneiden von Baustahl mit einer Dicke von 25 mm und 60 mm verglichen.

Test 1: Materialdicke 25 mm

Links:             EX-TRAFLAME®-Autogenbrenner
Rechts:          Thermacut®-Plasmabrenner passend für Hypertherm®, HPR®130/260XD

Die Schnittqualität beim Autogenschneiden ist mit der der Plasmatechnologie vergleichbar. Der Hauptvorteil der Plasmatechnologie liegt in der Gesamtschneidzeit. Während des Tests wurden 260A-Verschleißteile verwendet.

TEST 2: Materialdicke 60 MM

Links:   EX-TRAFLAME®-Autogenbrenner
Rechts: Thermacut®-Plasmabrenner passend für Hypertherm®, HPR®130/260XD

Die Schnittqualität beim Autogenschneiden ist bei dieser Materialstärke ausgezeichnet. Die Gesamtzeit des mit Plasmaschneiden geschnittenen Materials ist zwar immer noch viel kürzer, aber die Schnittqualität ist schlechter, wie man an der Schlacke am Material sehen kann. Während des Tests wurden 400A-Verschleißteile verwendet.

Vielen Dank, dass Sie sich Zeit für diesen Artikel genommen haben. Bei weiteren Fragen zur Auswahl der optimalen Trenntechnologie können Sie uns gerne per E-Mail kontaktieren: info@thermacut.de.

Text:      Thermacut, k. s.,
Photo:   archive of Thermacut, k. s.