Plasmaschneiden: Funktionsprinzip, Materialien, Vorteile und Grenzen erklärt

Das Konzept des Plasmaschneidens ist ziemlich einfach: Sie verwenden einen superheißen Strom ionisierten Gases, um das ausgewählte leitfähige Metall zu schmelzen und den Abschnitt abzutrennen.

Im Vergleich zu anderen Schneidverfahren ist Plasmaschneiden für leitfähige Metalle wirtschaftlich und praktisch. Lesen Sie diesen Artikel und erfahren Sie alles über diese Plasmaschneidtechnologie. 

Plasmaschneiden: Eine kurze Einführung

Kennen Sie den vierten Grundzustand der Materie? Ja, Plasma.

Plasma lässt sich nicht einfach als Gas, Feststoff oder Flüssigkeit definieren. Plasma ist vielmehr ein spezieller Stoff aus elektrisch leitfähigem ionisiertem Gas. 

Es ist durchaus möglich, Gas in überhitztes Plasma umzuwandeln. Dazu bräuchte man allerdings eine starke Heizquelle und elektrische Energie. 

Im erhitzten elektrischen Zustand vibrieren die Gasmoleküle heftig und verlieren ihre Elektronenneutralität. Dadurch entsteht ein ionisiertes Gas, auch Plasma genannt.

Bei der Plasmaschneidtechnologie wird dieses überhitzte ionisierte Gas zur Erzeugung eines Lichtbogens verwendet. Dieser Lichtbogen kann Materialien durch sofortiges Schmelzen durchtrennen. 

Sie fragen sich, wie ein ionisiertes Gas Materialien schmelzen und trennen kann?

Plasmabrenner können Temperaturen von bis zu 40.000 °F erreichen, während die Sonnenoberfläche nur 10.000 °F heiß ist. Jetzt können Sie es sich ausrechnen!

Abbildung: Plasmaschneidtechnik

Arten des Plasmaschneidens 

Sie können die Plasmaschneidtechnologie in zwei Hauptkategorien unterteilen. Wie zum Beispiel: 

1. Konventionelles Plasmaschneidsystem 

Bei diesem System wird die Umgebungsluft als Plasmalichtbogen genutzt. Beim konventionellen Plasmaschneiden erhalten Sie einen weniger präzisen Schnitt. Dieses System eignet sich nur für Materialien mit geringerer Toleranz. 

2. Präzisions-Plasmaschneidsystem 

Bei dieser Plasmaschneidanlage kommen komprimierter Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Argon oder eine Mischung verschiedener Gase zum Einsatz. Mit dieser Technik können Sie eine Vielzahl von Materialien mit höchster Präzision schneiden.

Abbildung: Präzisions-Plasmaschneiden

Die Plasmaschneidtechnologie kann weiter in zwei Typen unterteilt werden. Sowie,

1. Hochfrequenzkontakt 

Bei diesem System wird der Plasmalichtbogen durch direkten Kontakt zwischen Düse und Werkstück gezündet. Ein Hochfrequenz-Kontaktplasmaschneider kann typischerweise Materialien mit einer Dicke von etwa 38 mm schneiden. Dieses schnelle Verfahren wird in der Industrie eingesetzt, um saubere Schnitte zu erzielen.

2. Pilotlichtbogen 

Hier besteht kein direkter Kontakt zwischen Düse und Werkstück. Stattdessen wird ein Hochspannungsstrom angelegt, der einen Lichtbogen von der Elektrode zum Werkstück erzeugt. Der Lichtbogen ionisiert das Gas und wandelt es in einen Plasmastrom um. Dieser Plasmastrom schmilzt und schneidet dann die Materialien.

Wie funktioniert das Plasmaschneiden? 

Vereinfacht ausgedrückt schmilzt das überhitzte Plasma das Material in der Zielzone. Anschließend bläst der Hochgeschwindigkeitsstrahl das geschmolzene Material weg und hinterlässt einen sauberen Schnitt. 

Doch wie genau erreicht man diesen präzisen Schnitt? 

Wenn Sie das Plasmaschneidsystem zerlegen, finden Sie drei Hauptkomponenten. Wie zum Beispiel: 

1. Stromversorgung
2. Plasmabrenner 
3. Werkstück 

Sobald Sie die Stromversorgung einschalten, erzeugt sie einen Hochspannungslichtbogen vom Elektrodenbrenner zum Werkstück. Gleichzeitig wird Druckluft durch eine Düse geleitet, die die Elektrode umgibt. 

Wie bereits erwähnt, kann elektrische Energie die Elektronen aus Gasmolekülen herausreißen und den Strom in Hochtemperaturplasma verwandeln. Das Plasma erzeugt ausreichend Temperatur, um Stahl, Messing, Kupfer und aluminiumähnliche Materialien zu schneiden.

Abbildung: Funktionsprinzip des Plasmaschneidens

Hauptteile einer Plasmaschneidmaschine 

Zur Vervollständigung eines Plasmaschneidsystems benötigen Sie mehrere Elemente. 

1. Stromversorgung 

Die Stromquelle eines Plasmaschneiders ist ein bodengebundenes Netzteil. Es liefert eine konstante Gleichspannung zwischen 200 und 400 Volt.

2. Arc-Startkonsole 

ASC ist für die Erzeugung des Funkens verantwortlich, der den Plasmalichtbogen auslöst.

3. Gaskonsole

Diese Konsole steuert Durchfluss und Druck der für die Plasmaerzeugung und das Schneiden benötigten Gase. Sie gewährleistet außerdem die ordnungsgemäße Funktion des Plasmas und der Schutzgase in der Brennerdüse. Bei Bedarf können Sie Ihre Plasmaschneidanlage mit einem Luftkompressor ergänzen. 

4. Plasmabrenner

Der Metall-Plasmabrenner wird ähnlich wie ein Schweißbrenner in der Hand gehalten oder montiert. Er besteht aus einem Brennerkopf, einer Elektrode, einer Düse und einer Wirbelplatte. Nadel und Düse werden aufgrund natürlicher Abnutzung häufig ausgetauscht.

5. Kühlsystem

Um eine Überhitzung der Brennerkomponenten zu vermeiden, empfiehlt sich die Installation eines Kühlsystems. Das Kühlsystem kann den Brennerkörper und die Verschleißteile mit Wasser oder Luft kühlen.

Abbildung: Plasmaschneidsystem

Prozessparameter des Plasmaschneidprozesses

Sie können die Qualität und das Finish des Plasmaschnitts mit den folgenden Parametern steuern:

1. Gasdurchflussrate

Der Plasmagasstrom beeinflusst die Stabilität und Effizienz des Lichtbogens. Durch die Anpassung der Gasflussrate können Sie Form und Qualität des Schnitts bestimmen.

2. Lichtbogenstrom

Plasmaintensität, Schneidgeschwindigkeit und Kapazität hängen direkt vom Lichtbogenstrom ab. Ein höherer Lichtbogenstrom erzeugt mehr Hitze und führt zu höheren Schnittgeschwindigkeiten. Niedrigere Lichtbogenströme führen zu niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten, eignen sich aber gut für Präzisionsschnitte.

3. Schnittgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit gibt an, mit welcher Geschwindigkeit sich der Plasmabrenner über das Werkstück bewegt. Eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit führt zu ungleichmäßigen Schnitten mit rauen Kanten. Eine niedrige Schnittgeschwindigkeit kann zu Verformungen durch Wärmezufuhr führen.

4. Lichtbogenspannung

Es handelt sich um die elektrische Potenzialdifferenz über dem Plasmalichtbogen. Dieser Spannungswert beeinflusst die Stabilität und Länge des Lichtbogens, was wiederum die Schnittqualität bestimmt. 

5. Gasart und Druck

Die Wahl des Gases und seines Drucks können entscheidende Faktoren für die Schnittqualität und die Bartbildung sein. Höhere Gasdrücke können nur zur Verbesserung der Schneidleistung von Vorteil sein. 

6. Düsengröße und -form

Je nach Aufgabe können Sie verschiedene Düsen verwenden, z. B. für Feinschnitt, Fasenschnitt und Fugenhobeln. Düsengröße und -form bestimmen Lichtbogenlänge und Gasdurchflussrate.

7. Materialstärke und -art

Die dickeren Materialien erfordern meist höhere Lichtbogenströme, niedrigere Schnittgeschwindigkeiten und größere Düsenöffnungen. Darüber hinaus erfordern einige Materialien spezielle Gasarten oder Schnittfugenverfahren, um saubere Schnitte zu erzielen und Abfall zu reduzieren.

Mit Plasmaschneiden kompatible Materialien 

Plasmaschneiden dient hauptsächlich dem Schneiden leitfähiger Metalle. Gängige Metalle und ihre Verwendung werden im Folgenden hervorgehoben.

Metalle	Bediente Branchen
Stahl, Weichstahl und Edelstahl	Automobil-, Lebensmittel- und Medizinbranche
Gusseisen	Automobil- und Bauindustrie
Aluminium	Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie
Kupfer	Elektrisch
Messing	Architektonische und dekorative
Titan	Luft- und Raumfahrt und Medizin

Abbildung: Leitfähige Materialien für das Plasmaschneiden

In Plasmaschneidsystemen verwendete Gase 

Sie können zum Plasmaschneiden nur bestimmte Gase verwenden. 

Gase	Kompatibel mit Metallen	Kommentare
Druckluft	Weichstahl, Edelstahl, Aluminium	Qualitativ hochwertiger Schnitt und wirtschaftlich
Sauerstoff	Weichstahl	Kann Metalle größer als 1 Zoll schneiden
Stickstoff	Edelstahl und Aluminium	Qualitätsschnitt
Argon/Wasserstoff	Edelstahl und Aluminium	Kann Metalle größer als 1/2'' schneiden

Vorteile des Plasmaschneidens 

Der große Vorteil des Plasmaschneidens besteht darin, dass Sie mit dieser Technik leitfähige Metalle schneiden können. Sie erzielen präzise und hochwertige Schnitte bei einer Metalldicke von bis zu 50 mm. Mit wenigen Anpassungen lässt sich die Dickengrenze auf 150 mm erhöhen. 

Beim Plasmaschneiden entsteht eine kleine Wärmeeinflusszone im Werkstück. Mit Kühlmitteln lässt sich der Grad der Wärmeeinflusszone jedoch kontrollieren. 

Plasmaschneiden ist günstiger und schneller als andere Schneidtechnologien. Mit einer CNC-Plasmaschneidanlage verbessern Sie die Schnitt- und Endbearbeitungsqualität.

Abbildung: Vorteile des Plasmaschneidens

Einschränkungen des Plasmaschneidens

So lukrativ die Vorteile des Plasmaschneidens auch erscheinen, es gibt auch einige Nachteile. Sie müssen beide Seiten berücksichtigen, bevor Sie sich für diese Schneidtechnologie entscheiden. Die wichtigsten Nachteile sind:

• Bei dünnen Blechen und Platten sind keine präzisen Schnitte möglich.
• Plasmaschneider sind nur mit leitfähigen Metallen kompatibel. Das bedeutet, dass Sie nichtleitende Materialien wie Polymer, Glas, Keramik usw. nicht mit der Plasmaschneidtechnologie bearbeiten können.
• Plasmaschneiden erfüllt nicht immer die Anforderungen an die Präzisionsbearbeitung. Es können Schlacken, Restabfälle oder raue Kanten an komplexen Geometrien zurückbleiben.

Vergleich zwischen Plasmaschneiden, Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden 

Plasmaschneiden wird meist mit Laserschneiden verglichen und Wasserstrahlschneiden. Nachfolgend finden Sie eine Vergleichstabelle zwischen Plasmaschneiden, Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden.

Merkmale	Plasmaschneiden	Laserschneiden	Wasserstrahlschneiden
Installationskosten	Billig	Teuer	Teuer
Schnitttiefe	<3,15''	< 0,98''	Bis zu 12''
Schneiden nichtmetallischer Materialien	NEIN	Ja	Ja
Schnittqualität	Gut	Exzellent	Exzellent
Schnittgeschwindigkeit	Sehr schnell	Schnell	Langsam
Toleranz	±0,02 bis ±0,1 Zoll	±0,002 bis ±0,01 Zoll	±0,001 bis ±0,005 Zoll

Abschluss

Die Plasmaschneidtechnologie ist vergleichsweise einfach und kostengünstiger als andere Schneidverfahren. Sie gewährleistet einen schnellen Umsatz und eine qualitativ hochwertige Massenproduktion. 

Plasmaschneiden eignet sich gut und garantiert präzise Schnitte bei Metallen mittlerer Dicke. Für höchste Präzision bei Ihren Produkten können Sie auch andere Schneidverfahren wie Wasserstrahlschneiden ausprobieren.

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