Plasmaschneiden: Was ist das?

Beim Schneiden von Metall gibt es zwei Verfahren: das mechanische und das thermische. Das Plasmaschneiden gehört zum thermischen Bereich, bei dem ionisiertes Gas zur Bearbeitung von Metall verwendet wird. Es ist eine der gängigsten Techniken zum Schneiden dicker Bleche. Bevor wir uns jedoch mit den Vorteilen und Möglichkeiten des Plasmaschneidens befassen, sollten wir eine weitere Frage beantworten.

Was ist Plasma und wie funktioniert das Plasmaschneiden?

Sicherlich haben Sie schon von den drei Grundzuständen der Materie gehört: fest, flüssig und gasförmig. Es gibt jedoch noch einen vierten Zustand der Materie. Ja, das ist Plasma. Es kommt in der Natur vor, aber hauptsächlich in den oberen Schichten der Erdatmosphäre. Das berühmte Polarlicht ist das Ergebnis des Sonnenwindes, der sich daraus zusammensetzt. Auch leichte Brände und Brände mit hoher Temperatur enthalten es. Das Gleiche gilt für unseren Körper. Insgesamt macht es etwa 99 Prozent des sichtbaren Universums aus. Im Alltag begegnet es uns in Fernsehern, Leuchtstoff- und Neonröhren und in Plasmaschneidern. Plasma ist eine elektrisch leitfähige, ionisierte Substanz, ähnlich wie ein Gas. Die Ähnlichkeit ist darauf zurückzuführen, dass die Atome in diesem Fall nicht in ständigem Kontakt zueinander stehen. Gleichzeitig verhält sich Plasma jedoch wie eine Flüssigkeit, da es unter dem Einfluss von elektrischen und magnetischen Feldern fließen kann. Gase können durch starke Erhitzung in Plasma umgewandelt werden. Aus diesem Grund wird es oft als ionisiertes Gas bezeichnet.

Wie funktioniert ein Plasmaschneider?

Die allgemeinen Mechanismen des Systems sind immer die gleichen. Plasmaschneider arbeiten mit Druckluft oder anderen Gasen, wie z. B. Stickstoff. Das komprimierte Gas kommt mit den Elektroden in Kontakt und ionisiert, wodurch ein höherer Druck entsteht. Mit zunehmender Größe wird der Plasmastrahl in Richtung Schneidkopf gedrückt. Die Schneidspitze drosselt die Strömung und erzeugt einen Plasmastrahl. Da Plasma ein elektrischer Leiter ist, wird das Werkstück über den Schneidtisch geerdet. Wenn der Plasmalichtbogen das Metall berührt, schmilzt es durch seine hohe Temperatur. Gleichzeitig bläst ein Hochgeschwindigkeitsgas die geschmolzenen Metallfragmente weg.

Plasmagerät – wie stelle ich es ein und wie wähle ich meine Plasmaschneidgeschwindigkeit?

Bei der Maschine selbst stehen Platz- und Sicherheitsaspekte an erster Stelle. Im Gegensatz zu vielen Hobby-CNC-Systemen benötigt ein Plasmaschneider viel Platz in einem gut belüfteten Raum, um sicher betrieben werden zu können. Es handelt sich nicht um eine Maschine, die sicher in einer Ecke versteckt werden kann, wie beispielsweise ein 3D-Drucker. Der Raum um die Maschine herum wird als Puffer gegen verirrte Funken benötigt. Ebenso sollten die Böden aus Beton oder anderen feuerfesten Materialien bestehen. Auch Gas oder Kompressoren und Computersysteme benötigen Platz. Der Plasmalichtbogen kann elektronische Systeme stören, daher ist eine ordnungsgemäße Erdung erforderlich. Der Computer muss an eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) angeschlossen werden, damit eine konstante und zuverlässige Stromversorgung während des Betriebs der Schneidemaschine gewährleistet ist. Wenn Sie eine eigene CNC-Plasmaschneidmaschine einrichten wollen, müssen Sie sich vergewissern, dass die Werkstatt über eine ausreichende Stromversorgung verfügt (gemäß den Spezifikationen). 

Arten von Gas

Beim Plasmaschneiden werden je nach Qualität des Schnitts und der Art des Materials unterschiedliche Gase verwendet:

• Sauerstoff kann für Baustahl bis zu einer Dicke von 1 1/4 Zoll verwendet werden, aber auch zum Schruppen von Edelstahl und Aluminium.
• Für das Glattschneiden von Edelstahl und Aluminium wird ein Gemisch aus Argon und Wasserstoff bevorzugt, da es eine hohe Schnittqualität gewährleistet.
• In kleineren Werkstätten ist Druckluft das am häufigsten verwendete Gas. Er ist ideal für Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch und zum Schneiden von Metall bis zu einer Dicke von einem Zoll.
• Weitere Gase, die beim CNC-Plasmaschneiden verwendet werden, sind Stickstoff und Methan, die vor allem beim Schneiden von dünnem rostfreiem Stahl zum Einsatz kommen.

CNC-Hand-Plasmabrenner

Manuelle Plasmabrenner sind weniger teuer, aber schwieriger auf einem CNC-Tisch zu installieren. Plasmaschneidgeräte, die für den manuellen Betrieb ausgelegt sind, sind in der Regel viel billiger als solche, die für das maschinelle Schneiden verkauft werden. Die besten manuellen CNC-Plasmaschneidbrenner sind die IPT-40- und IPT-60-Varianten. Sie arbeiten gut mit geringer Anlaufhäufigkeit und preiswerten Verbrauchsmaterialien, verwenden einen zentralen Euro-Anschluss und können in Zukunft zu Bleistiftbrennern aufgerüstet werden.

Methodik für den Schneidprozess

Nicht alle Systeme funktionieren auf dieselbe Weise. Zum einen gibt es eine kostengünstigere Version, die gemeinhin als High Touch bezeichnet wird. Dies ist für CNC-Plasmaschneider nicht geeignet, da die hohen Frequenzen moderne Geräte stören und Probleme verursachen können. Bei dieser Methode wird ein Funke mit hoher Spannung und Frequenz verwendet. Der Funke entsteht, wenn der Plasmabrenner das Metall berührt, den Stromkreis schließt und so ein Plasma erzeugt. Eine weitere Möglichkeit ist das Lichtbogenzündverfahren. Ein Hochspannungs- und Schwachstromkreis erzeugt einen Funken im Inneren des Brenners. Dadurch entsteht ein Pilotlichtbogen, also eine kleine Menge Plasma. Wenn sie mit dem Werkstück in Berührung kommt, wird ein Schnittbogen erzeugt, und der Bediener kann nun mit dem Schneidvorgang beginnen. Die dritte Methode ist die Verwendung eines federbelasteten Plasmabrennerkopfes. Durch das Andrücken gegen das Werkstück entsteht ein Kurzschluss, der einen Stromfluss verursacht. Durch das Nachlassen des Drucks entsteht ein Pilotbogen. Der Rest des Ablaufs ist derselbe wie bei der vorherigen Methode. Dies bedeutet, dass der Lichtbogen mit dem Werkstück in Kontakt kommt.

Arbeitszyklus

Die meisten kleinen Plasmaschneider, insbesondere diejenigen, die für das manuelle Schneiden konzipiert sind, können nicht kontinuierlich mit maximalem Strom arbeiten. Die Einschaltdauer bezieht sich auf die Zeitspanne, in der die Maschine kontinuierlich oder intermittierend über einen Zeitraum von zehn Minuten arbeiten kann. Ein Plasmaschneider mit einer Einschaltdauer von 70 % bei 50 Ampere kann beispielsweise sieben von zehn Minuten laufen, benötigt aber mindestens eine dreiminütige Pause, um eine sichere Betriebstemperatur zu gewährleisten. Wenn der Benutzer versucht, länger als die Nennbetriebszeit zu schneiden, kann der Plasmaschneider die Leistung reduzieren oder sich ganz abschalten. Für das mechanisierte Plasmaschneiden ist ein Schneidgerät mit einer Einschaltdauer von 100 % bei der gewünschten Stromstärke ideal, damit Sie bei der Planung von Umzügen keine Verzögerungen befürchten müssen. Die meisten preiswerten Plasmaschneider haben jedoch eine Einschaltdauer von etwa 40-60 % bei maximaler Nennleistung, und der Benutzer muss darauf achten, dass er nicht zu lange schneidet. In der Regel können höhere Arbeitszyklen mit weniger Leistung (geringerem Strom) erreicht werden. Wenn Sie mit 40A schneiden wollen (bis zu 3/8 Zoll Material), wird empfohlen, einen 55A Plasmaschneider für höhere Arbeitszyklen bei 40A zu kaufen.

Strom- und Luftbedarf

Die maximale Dicke des zu schneidenden Materials bestimmt die für den Plasmaschneider erforderliche Stromstärke. Als Faustregel gilt, dass ein 20-A-Fräser 1/8″ (~3,1 mm) Material durchschneiden kann, wobei jede weitere 10-A-Stromstärke 1/8″ an Kapazität hinzufügt. Zum Beispiel geht 30A durch 1/4″, 40A durch 3/8″, usw. Das mag offensichtlich sein, aber dickeres Metall ist schwerer. Sie möchten vielleicht Material mit einer Dicke von 1 Zoll (~25,4 mm) schneiden, aber kann Ihr Tisch das Gewicht dieses Materials tragen? Wenn ja, haben Sie die richtigen Werkzeuge für das Be- und Entladen schwerer Teile (z. B. Wagenheber)? Wenn Sie sich für ein Hochstrom-Plasmaschneidgerät entscheiden, gibt es in Ihrem Gebäude eine Steckdose, die ausreichend Strom liefern kann, ohne einen Schutzschalter auszulösen? Wenn die Antwort „nein” lautet, müssen Sie eine elektrische Verkabelung mit einem geeigneten Querschnitt verwenden und sogar eine zusätzliche Stromtafel installieren. Ein Plasmaschneider benötigt nicht nur Strom, sondern auch Druckluft. Die Druckluft aus der Düse des Plasmaschneiders wird verwendet, um das geschmolzene Material während des Schneidvorgangs auszublasen. Außerdem hält er den Brenner kühl und lenkt den Plasmastrahl in eine enge Spalte für präzises Schneiden. Ein ungeeigneter Luftkompressor führt zu schlechten Schneidergebnissen. Der Strom- und Luftbedarf eines Plasmaschneiders gehört zu den größten Hürden, die CNC-Bastler überwinden müssen. Diese werden weniger mühsam, wenn man sich auf das Schneiden dünner Materialien beschränkt.

Vorteile und Nachteile des Plasmaschneidens

Vorteile

• Fähigkeit, alle leitfähigen Materialien zu verarbeiten. Autogenes Brennschneiden eignet sich auch für dicke Metalle, ist aber auf Eisenmetalle beschränkt.
• Ausgezeichnete Qualität bis zu einer Dicke von 50 mm bis 150 mm.
• Mittelstarke Stücke sind relativ preiswert.
• Die beste Art, mittelstarken bis starken Edelstahl und Aluminium zu schneiden.
• CNC-Maschinen bieten hohe Präzision und Wiederholbarkeit.
• Die Fähigkeit, im Wasser zu schneiden, wodurch die Wärmeeinflusszone und auch der Geräuschpegel reduziert werden.
• Die Schnittkante ist im Vergleich zum Brennschneiden kleiner.
• Die Schnittgeschwindigkeit ist höher als beim Brennschneiden.
• Durch Änderung der Parameter kann dieselbe Maschine auch zum Plasmaschweißen verwendet werden.

Benachteiligungen

• HAZ* ist im Vergleich zum Laserschneiden höher.
• Die geschnittenen Bleche sind nicht so hochwertig und die Toleranz ist nicht so genau wie beim Laserschneiden.
• Erreicht nicht die Stärke des Brenn- oder Wasserstrahlschneidens.
• Breitere Kanten als beim Laserschneiden.

*Die Wärmeeinflusszone (WEZ) ist der ungeschmolzene Bereich des Metalls, in dem sich die Materialeigenschaften durch die Einwirkung hoher Temperaturen verändert haben. Diese Veränderungen der Materialeigenschaften sind in der Regel auf das Schweißen oder Schneiden bei hohen Temperaturen zurückzuführen. Die WEZ ist der Bereich zwischen der Schweißnaht oder dem Schnitt und dem darunter liegenden (intakten) Grundwerkstoff.

Für den ordnungsgemäßen Betrieb einer Plasmaschneidanlage sind die richtigen Schneidparameter, die optimale Auswahl des Plasmagases und die korrekte Durchflussrate des Plasmagases erforderlich. Wir hoffen, dass Sie nach der Lektüre dieses Leitfadens die Antworten auf diese Fragen finden.