Funktionen der Plasmaschneidtechnologie

1.0 Was ist Plasma?

Wenn das Gas auf etwa 2000 °C erhitzt wird, zerfallen die Gasmoleküle in Atome. Etwa 3000 °C ist die Temperatur, bei der die Atome ionisiert werden. Plasma beschreibt diesen gasförmigen Zustand.

In den Anfangsstadien wurde zum Schneiden von rostfreiem Stahl, Aluminium und anderen Nichteisenmetallen Plasmagas anstelle einer Autogenflamme verwendet. Mit den Entwicklungen wurde die Prozesskapazität um metallische und nichtleitende Werkstoffe erweitert.

1.1 Wie funktioniert ein Plasmaschneider?

Das thermische Schneiden ist eine Technik, die im Plasmaschneidverfahren eingesetzt wird. Dies weist darauf hin, dass das Metall geschmolzen wird, anstatt es physisch zu schneiden. Die grundlegende Funktionsweise des Systems ändert sich nie. In Plasmaschneidern werden Druckluft oder andere Gase, einschließlich Stickstoff, verwendet. Diese Gase werden ionisiert, um Plasma zu erzeugen. Normalerweise ionisieren komprimierte Gase, wenn sie mit einer Elektrode in Kontakt kommen, um den Druck zu erhöhen. Mit zunehmendem Druck wird ein Plasmastrom in Richtung des Schneidkopfes gedrückt. Durch die Begrenzung des Stroms mit der Schneidspitze wird ein Plasmastrom erzeugt. Dieses wird dann auf das Werkstück aufgetragen.

Das Werkstück ist über den Schneidtisch mit der Erde verbunden, da Plasma elektrisch leitend ist. Aufgrund der hohen Temperatur schmilzt das Metall, wenn der Plasmalichtbogen damit in Berührung kommt. Gleichzeitig wird auch die Metallschmelze durch die Hochgeschwindigkeitsgase weggeblasen.

1.2 Das Bearbeitungssystem

Das Plasmaschneidverfahren basiert auf der Erzeugung eines kontinuierlichen Lichtbogens zwischen einer wassergekühlten Kupferanode und einer Wolframkathode. Nach der Einleitung an der Kathode strömt das Gas durch die Anode. Ein Hochtemperatur-Plasmabogen entsteht, wenn die Temperatur im schmalen Bereich der Kathode etwa 28,000 °C erreicht. Unter der Einwirkung einer so hohen Temperatur schmilzt und verdampft die Substanz schnell. Anschließend werden die Bearbeitungsrückstände durch einen ionisierten Gasstrom weggespült. Im Vergleich zu anderen traditionellen Techniken wie dem Drehen ist der Materialabtrag beim Plasmaschneiden deutlich höher. Plasmaschneidbearbeitungssysteme umfassen die folgenden Komponenten: Plasmastrahl, Plasmalichtbogen, Luftplasma und abgeschirmtes Plasma.

Plasmabogen

Der Lichtbogen wird an der Gegenelektrode des Plasmabrenners erzeugt. Der gezündete Lichtbogen bewegt sich dann zur leitenden Probe. Dabei entstehen Temperaturen von ca. 33,300 °C. Durch den Doppellichtbogeneffekt zwischen Werkstück und Düse kommt es zu Schäden an der Elektrode und am Werkstückmaterial. Bei der Wärmeübertragung von der Anode auf das Werkstück werden hohe Wärmeübertragungsraten erreicht.

Aufgrund seiner höheren Effizienz wird die Plasmaschneidtechnik für die CNC-Bearbeitung von Metallen eingesetzt. Das Plasmaschneiden ist nicht auf die chemische Wechselwirkung zwischen dem Arbeitsmetall und dem Gas angewiesen. Die Technik des Plasmaschneidens eignet sich auch für alle elektrisch leitfähigen Materialien, die nicht mit dem Autogenschneiden bearbeitet werden können.

Plasmastrahl

Der Plasmabrenner stößt Plasma aus, ein ionisiertes Gas. Die Temperatur des Strahls ist mit etwa 1600 °C extrem hoch. Der freigesetzte Strahl wird als Plasmastrahl bezeichnet. Die Anode des Brenners wird mit Kühlwasser gekühlt. Wasser ist nicht erfolgreich am Materialabtragungsprozess beteiligt, da es viel Wärme vom anodischen Plasmabrenner absorbiert. Nichtleitende Materialien können mit der Plasmastrahltechnologie bearbeitet werden, auch wenn dies schwierig ist. Autogenes Brennschneiden kann nicht zum Fräsen elektrisch leitender Materialien verwendet werden.

Luftplasma

Beim Plasmaschneiden wird Druckluft als Bearbeitungsgas verwendet. Unter der Einwirkung der hohen Temperatur des Plasmalichtbogens zerfällt die Luft in ihre Bestandteile.

Aufgrund der Fähigkeit von Sauerstoff, mit Eisenmaterialien zu reagieren, werden die Bearbeitungsgeschwindigkeiten erhöht. Das Hauptproblem beim Plasmaschneiden besteht darin, dass die Oberfläche stark oxidiert.

Hafniumzirkonium oder Hafniumkupfer werden als Ersatz für Wolfram als Elektrodenmaterial verwendet. Mit dem Luftplasma können elektrisch leitfähige Materialien wie Kupfer, Edelstahl und Aluminium bearbeitet werden.

Abgeschirmtes Plasma

Dabei übernimmt Wasser die Rolle des Schutzgases. Wasser bildet rund um den Plasmabrenner einen radialen Mantel. Die Kühlwirkung des Wassers verringert die Schnittqualität und die Schnittzonenbreite. Die Kürzungssätze bleiben jedoch unverändert. Schutzgasplasma: Beim Schneiden verschiedener Materialien sind Hilfsgase notwendig, um Schnitte in entsprechender Qualität zu erzeugen. Um die Düse herum wird ein äußeres Schutzgas wie Stickstoff oder Argon zugeführt, um die Hilfsgase vor der Umgebung zu schützen. Abhängig vom zu bearbeitenden Material wird ein bestimmtes Schutzgas eingesetzt. Beim Schneiden von Aluminium, Edelstahl oder anderen Nichteisenmetallen kommt häufig Wasserstoff zum Einsatz. Für Weichstahl können Sie Luft oder Sauerstoff verwenden.

Materialabtragsrate

Die Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Plasmastrahl durch die Werkstückoberfläche bewirkt den Materialabtrag. Der Plasmabrenner bläst das geschmolzene und verdampfte Metall weg. Das Material des zu bearbeitenden Werkstücks bestimmt, wie gut sich der Vorgang bearbeiten lässt. Darüber hinaus beeinflusst die Art der im Prozess verwendeten Schutz- und Bearbeitungsgase die Geschwindigkeit, mit der die maximale Temperatur übertragen wird, was wiederum die Bearbeitbarkeit des Prozesses beeinflusst. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Metalldicke ab. Um das geschmolzene Metall aus der Bearbeitungszone zu entfernen, ist eine höhere Gasdurchflussrate und eine Leistungssteigerung erforderlich.

2.0 Tipps für bessere Ergebnisse beim Plasmaschneiden

Bei der Auswahl und Verwendung eines Plasmaschneiders kann die Leistung verbessert werden, wenn Sie einige Empfehlungen und Best Practices berücksichtigen.

I. Wählen Sie den passenden Plasmaschneider

Bei der Auswahl eines Plasmaschneiders sind wichtige Parameter zu beachten: Ausgangsleistung, Schnittgeschwindigkeit und Einschaltdauer. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl Ihres Computers die Aufgaben, die Sie am häufigsten ausführen.

II. Zeichnen Sie vor dem Schneiden die Route nach.

Folgen Sie der Route, die Sie schneiden möchten, ohne den Auslöser zu drücken. Um sicherzustellen, dass Sie ausreichend Bewegungsfreiheit haben, um bei langen Schnitten einen kontinuierlichen Schnitt zu erzielen, üben Sie Ihre Bewegungen, bevor Sie den Abzug betätigen. Unregelmäßigkeiten in der Schnittkante sind häufig die Folge des Anhaltens und Beginnens an der gleichen Stelle, was eine Herausforderung darstellt. Das Material, mit dem Sie arbeiten, kann auch zum Ausschneiden eines Designs verwendet werden. Auf diese Weise können Sie sicher sein, dass Ihre Reisegeschwindigkeit und Einstellungen perfekt sind.

III. Untersuchen Sie die Verbrauchsmaterialien

Die Schnittqualität wird beeinträchtigt, wenn die Spitze oder Elektrode abgenutzt oder gebrochen ist. Überprüfen Sie daher regelmäßig Ihre Verbrauchsmaterialien. Werfen Sie das Spitzenloch weg, wenn es schief ist oder Spritzer aufweist. Werfen Sie die Elektrodenspitze weg, wenn sich ein Loch bildet. Verbrauchsmaterialien verschleißen mit jedem Schnitt, aber Bedingungen wie Feuchtigkeit in der Luftzufuhr, zu dickes Schneidmaterial oder veraltete Technologie beschleunigen diesen Prozess. Für die bestmögliche Schnittqualität wird empfohlen, Spitze und Elektrode gleichzeitig auszutauschen. Der Verbrauchsmaterialhalter sollte nicht zu fest angezogen werden. Um einen Lichtbogen zu erzeugen, müssen sich die inneren Komponenten tatsächlich bewegen. Ziehen Sie den Becher daher einfach mit Ihrem Finger fest.

IV. Beobachten Sie die Bewegungsgeschwindigkeit

Insbesondere bei Metall führt schnelleres Schneiden zu einem saubereren Schnitt. Wenn Sie die Maschine auf maximale Leistung einstellen und Ihre Arbeitsgeschwindigkeit variieren, können Sie dickeres Material besser schneiden. Reduzieren Sie die Stromstärke, wenn Sie mit dünnerem Material arbeiten, und wechseln Sie zu einer Spitze mit geringerer Stromstärke, um einen schmalen Schnitt zu erzeugen. Bei entsprechender Arbeitsgeschwindigkeit sollte der Lichtbogen das Material in einem Winkel von 15 bis 20 Grad verlassen, der senkrecht zur Arbeitsrichtung steht. Fällt er gerade nach unten, ist das ein Zeichen dafür, dass Sie zu langsam arbeiten. Spritzt er zurück, sind Sie zu schnell. Ein sehr sauberer Schnitt mit minimalem Abfall auf der Unterseite des Schnitts und wenig bis keiner Verformung des Metalls kann durch die richtige Arbeitsgeschwindigkeit und die richtige Wärmemenge erreicht werden.

3.0 Anwendungen des Plasmaschneidens

Plasmaschneider können entweder manuell oder mechanisch betrieben werden. Um bestimmte Metallarten zu schneiden, werden manuelle Schneider im Allgemeinen in der Hand gehalten. Diese Werkzeuge erleichtern Schweißarbeiten, da sie oft tragbar, anpassungsfähig und eher klein sind. Sie erzeugen viel Schneidstrom, werden jedoch normalerweise zum Abschneiden von überschüssigem Material bei Leichtmetallanwendungen eingesetzt.

In Kombination mit Schneidtischen sind mechanische Plasmaschneider oft wesentlich größer als manuelle Plasmaschneider. Stanz-, Laser- oder Roboterschneidsysteme können alle mit mechanisierten Plasmaschneidern verbunden werden. Der eingesetzte Tisch und das Portal bestimmen die Größe eines maschinellen Plasmaschneiders. Da diese Systeme schwer zu manövrieren sind, sollte vor der Installation die Anordnung des Systems sowie aller seiner Komponenten berücksichtigt werden. Die CNC-Bearbeitungs- und Fertigungsdienstleistungen bieten auch Kombinationssysteme an, die sowohl zum Schweißen als auch zum Plasmaschneiden verwendet werden können.

4.0 Vor- und Nachteile des Plasmaschneidens

Vorteile

Die Tragbarkeit des Plasmaschneidens ist ausgezeichnet. Der Schneider selbst kann so klein gemacht werden, dass er als tragbares Instrument verwendet werden kann und einfach zwischen den Einsatzorten bewegt werden kann. Die Bedienung eines Plasmaschneidbrenners ist auch für Einsteiger recht einfach zu erlernen. Folglich bieten die Plasma-Maschinenschneider die folgenden Vorteile.

• Ein Präzisionsstrahl kann Kurven, ungewöhnliche Formen und mehrere sich kreuzende Einschnitte zeichnen. Plasmabrenner können manuell oder mit Hilfe eines Computers so gesteuert werden, dass sie so genau ausgerichtet sind, als würden Sie eine Linie mit einem Bleistift zeichnen.
• Darüber hinaus ermöglichen Plasmaschneider schnelle und effektive Schnitte. Die Herstellung eines sauberen Spalts in einem Stück Metall mit Plasma erfordert nur ein Viertel der Zeit im Vergleich zu anderen vergleichbaren Verfahren. Schnelle Bearbeitungszeiten verringern das Risiko von Verformungen, falschen Schnitten oder Metallabrieb.
• Plasmaschneiden ist anpassungsfähig und funktioniert mit einer Vielzahl von Materialien. Mit einem Verhältnis von 1:2 im Vergleich zum Sauerstoffschneiden ist das Plasmaschneiden zudem wirtschaftlicher und energieeffizienter.
• Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass Plasmageräte ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis bieten. Plasmabrenner benötigen wenig Wartung und müssen fast immer ersetzt werden.
• Beim Plasmaschneiden werden auch Inertgase verwendet, was die Anwendung wesentlich sicherer macht als das Schneiden mit Sauerstoff. Bei der Verwendung oder Lagerung von Sauerstoffbrennstoff besteht eine ernsthafte Gefahr einer Explosion oder einer unbeabsichtigten Entzündung. Wenn der Brenner hingegen tatsächlich in Betrieb ist, wird das Plasmaschneidgas lediglich in einen überhitzten Plasmastrahl umgewandelt.
• Mit CNC-Maschinen kann eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erreicht werden.
• Für das Verfahren gibt es keine chemischen Schwierigkeiten oder Wartungsanforderungen.
• Da das Verfahren als sauber gilt, ist kein Abwischen mit Lösungsmitteln, Ultraschallreinigung oder Sandstrahlen mehr erforderlich.
• Es besteht keine Gefahr mehr, gefährlichen Stoffen ausgesetzt zu sein.

Nachteile

Leider gibt es beim Plasmaschneiden einige Nachteile.

• Für dickere oder dichtere Metalle sind die meisten Plasmaschneider wirkungslos. Aufgrund seiner transienten Natur kann Plasma nur bis zu einer Tiefe von etwa einem Zoll vordringen. Wenn Sie riesige Stahlpfeiler oder -blöcke durchtrennen müssen, müssen Sie möglicherweise auf herkömmliche industrielle Säge- oder Metallfräsdienste zurückgreifen.
• Obwohl Plasmaschneiden die Umgebungswärme reduziert, ist es laut und produziert zu viele Schadstoffe. Stellen Sie sicher, dass das gesamte Plasmaschneiden in einer gut belüfteten und offenen Werkstatt erfolgt.
• Beim Schneidvorgang ist Plasma außerdem dafür bekannt, extrem brillante Blitze zu erzeugen. Stellen Sie sicher, dass Sie allen Mitarbeitern, die in der Nähe des Plasmaschneiders arbeiten oder diesen verwenden, Sicherheitsanweisungen und geeigneten Augenschutz zur Verfügung stellen.
• Obwohl Plasmaschneiden pro Schnitt günstiger ist als Autogenschneiden, kann es immer noch sehr teuer sein. Bei einer Fehlfunktion des Geräts kann das Auffinden und Ersetzen von Elektroden kostspielig sein. Darüber hinaus müssen Sie möglicherweise für eine professionelle Gasversorgung bezahlen. Ohne spezielle Ausrüstung kann die Herstellung der erforderlichen Plasmamischung eine große Herausforderung darstellen.
• Durch die Hitzeeinwirkung wird die Oberfläche des Werkstücks beschädigt und abgenutzt.
• Für extrem dicke Bleche aus Weichstahl ist eine große Leistung erforderlich.