Thermische und hydroabrasive Schneidtechnologien
Das Schneiden von Blechen unterschiedlicher, oft sehr großer Dicke stellt für die meisten produzierenden Unternehmen eine große Herausforderung dar. Mechanisches Schneiden oder Stanzen eignet sich für dünne Bleche und wird meist zum Schneiden gerader Kanten eingesetzt. Für dickere Bleche werden derzeit verschiedene thermische oder wasserbasierte Schneidtechnologien eingesetzt. Dazu gehören: Oxy-Brennschneiden, Plasmaschneiden, Laserschneiden und Wasserschneiden (hydroabrasives Schneiden).
Jede dieser Technologien hat ihre Besonderheiten und Anwendungsbereiche, in denen sie am wirtschaftlichsten ist. Daher sollte man bei der Entscheidung für eine thermische oder Wasserstrahlschneidemaschine nicht nur den Preis berücksichtigen, sondern vor allem das Spektrum der zu schneidenden Materialien, d. h. z. B. Stahlsorten, ggf. andere Materialarten, deren Dicke sowie die angestrebte Schnittgenauigkeit. Erst wenn diese Parameter bekannt sind, kann die für die jeweiligen Anwendungen wirtschaftlichste Schneidetechnologie ausgewählt werden.
Gasschneiden
Gasschneiden, auch als Autogenschneiden bezeichnet, besteht darin, den Stahl zunächst auf Zündtemperatur zu erhitzen und anschließend das Material mittels Hochdrucksauerstoff zu oxidieren und wegzublasen, unter Verwendung von Oxygen-Schneidemaschinen. Diese Temperatur beträgt bei reinem Eisen 1050 °C, bei Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 1,5 % hingegen bis zu 1380 °C. Aus diesem Grund kann das Brennschneiden nur bei kohlenstoffarmen und niedriglegierten Baustählen angewendet werden (zulässige Legierungsanteile: Kohlenstoff – bis zu 1,5 %; Chrom – bis zu 2 %; Nickel – bis zu 3 %; Silizium – bis zu 4 %). Zum Erhitzen des Materials können Propan, Acetylen, Propylen oder Erdgas verwendet werden. Bleche können auch im Paket geschnitten werden – übereinander gestapelt bis zu einer Dicke von etwa 100 mm.
Die Hauptvorteile des Autogenschneidens sind: ein sehr großer Materialdickenbereich sowie senkrechte Schnittkanten. Es handelt sich zudem um ein sehr wirtschaftliches Verfahren. Zu den Nachteilen zählen hingegen: lange Durchschneidezeit, eine breite Wärmeeinflusszone sowie die Unmöglichkeit, rostfreien Stahl und Buntmetalle zu schneiden.
Plasmaschneiden
Plasma ist ein ionisiertes Gas, in dem die Atome in Ionen und Elektronen zerfallen sind. Ein solches Gas ist ein sehr guter Stromleiter und kann zur Leitung von elektrischem Strom genutzt werden. Beim Plasmaschneiden wird das Material durch einen Lichtbogen bis zum flüssigen Zustand erhitzt und es mit einem starken Gasstrahl (mit einer Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit) schnell wegzublasen. Entscheidend ist hier gerade das stark ionisierte Gas (Plasma), das einen präzisen Übergang des Lichtbogens in Richtung des zu schneidenden Materials ermöglicht. Das Material wird sowohl thermischen (Lichtbogen) als auch mechanischen (Gasdruck) Einflüssen ausgesetzt.
Die Vorteile des Plasmaschneidens sind:
- schnelles Durchschneiden und hohe Schnittgeschwindigkeiten,
- breites Spektrum an schneidbaren Materialien – Schneiden praktisch aller Leiter,
- eine relativ geringe Wärmeeinflusszone,
- eine geringe Schnittspalte,
- die Möglichkeit, dünne Materialien ohne Überhitzung der Kanten zu schneiden.
Nachteile des Plasmaschneidens sind:
- Abschrägen der Schnittkanten,
- hohe Lärmbelastung,
- große Mengen an Gasen und Rauch – Notwendigkeit einer Filterbelüftung.
Das Plasmaschneiden kann bei dünneren Materialien als beim Autogenschneiden angewendet werden, ist jedoch um ein Vielfaches schneller, und eine Plasmaschneidemaschine mehrere Gasbrenner ersetzen.
Das Problem der Schräge bei Plasmaschneidbrennern wurde durch den Einsatz von Aggregaten und Plasmaschneidbrennern mit Wirbelgasen minimiert. Das Wirbelgas „umhüllt“ das Plasmagas und verengt dessen Strahl, wodurch eine geringere Schräge und eine senkrechtere Kante im Verhältnis zur Materialebene. Die komplexere Konstruktion erhöht zwar die Anschaffungskosten des Geräts und die Schnittkosten, jedoch ist es möglich, eine Schnittqualität zu erzielen, die der eines Lasers nahekommt.
Laserschneiden
Laserschneiden ist eine relativ neue Technologie, die eine sehr hohe Präzision und hohe Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) bezeichnet die Verstärkung von Licht durch stimulierte Emission von Strahlung. Der erzeugte Lichtstrahl weist charakteristische Eigenschaften auf, die bei anderen Lichtquellen nur sehr schwer oder gar nicht zu erreichen sind, nämlich: eine sehr schmale Emissionslinienbreite, was zu einer hohen Leistung in einem ausgewählten Spektralbereich führt. Laserschneidmaschinen erzeugen mühelos einen polarisierten Strahl mit sehr geringer Divergenz.
Beim Laserschneiden sind der heiße Laserstrahl und ein unter Druck stehendes technisches Gas die Schneidfaktoren.
Die in Schneidemaschinen verwendeten Laserquellen lassen sich in folgende Hauptgruppen unterteilen:
- Gaslaser (z. B. auf Kohlendioxid CO₂),
- Festkörperlaser (Scheibenlaser),
- Halbleiterlaser.
Bei dem in Laserschneidmaschinen weit verbreiteten CO2-Laser ist das aktive Medium ein Gemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserstoff und Helium. Die Wellenlänge beträgt ca. 10 µm. Er zeichnet sich durch große Abmessungen und einen relativ geringen Wirkungsgrad aus.
Scheibenlaser besitzen als aktives Medium einen Y3Al5O12-Kristall (YAG) – ein mit Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat. Er emittiert Strahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm, die über Glasfasern übertragen werden kann. Sie zeichnen sich durch eine relativ geringe Lebensdauer und einen geringen Wirkungsgrad aus.
Die neueste Fiber-Technologie, bei der Halbleiterlaser zur Erzeugung des Laserstrahls direkt im Führungslichtleiter eingesetzt werden, ist eine Lösung, die die meisten Nachteile früherer Lösungen beseitigt. In der Fiber-Quelle ist das aktive Element eine Glasfaser, die mit Ionen von Seltenerdmetallen wie Erbium, Ytterbium, Neodym usw. dotiert und durch Halbleiter-Laserdioden gepumpt wird. Diese Technologie zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine hervorragende Strahlqualität aus.
Die Wellenlänge des erzeugten Lasers ist zehnmal kürzer als die eines CO₂-Lasers, was eine höhere Energiedichte ermöglicht und das Schneiden von Materialien mit höherer Reflektivität erlaubt, mit denen bisherige Technologien nicht zurechtkamen.
Die Vorteile des Laserschneidens sind:
- sehr hohe Präzision,
- schmale Schnittfuge,
- hohe Schnittgeschwindigkeiten,
- niedrige Stückkosten bei großen Produktionsmengen,
- minimale Wärmeeinflusszone.
Nachteile:
- hohe Anschaffungskosten der Anlage,
- der Umfang der schneidbaren Materialien hängt von der verwendeten Laserquelle ab.
Wasserstrahlschneiden (hydroabrasiv)
Wasser ist ein Material, das man nicht mit Härte und Schneidfähigkeit in Verbindung bringt, doch unter hohem Druck ist es in der Lage, jedes Material zu durchschneiden. Der hydroabrasive Schneidprozess beruht auf der Erosion des Materials unter dem Einfluss eines Wasserstrahls mit sehr hohem Druck. Für weiche Materialien wie Gummi, Pappe usw. wird reines Wasser verwendet, während bei härteren Materialien zur Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit ein Schleifmittel – Granat mit genau festgelegter Korngröße und Kantenqualität – eingesetzt wird.
Das Wasserstrahlschneiden ist eine „kalte“ Technologie, d. h. es entsteht keine Wärmeeinflusszone wie bei den zuvor beschriebenen Verfahren. Daher kommt es überall dort zum Einsatz, wo eine übermäßige Erwärmung des Materials unzulässig ist, z. B. aufgrund der Gefahr der Enthärtung. Auch hinsichtlich der Art der zu schneidenden Materialien gibt es keine Einschränkungen – von den weichsten Materialien wie Papier oder Schaumstoff bis hin zu den härtesten wie Stahl, Stein oder Titan.
Mit Hilfe von Wasser lassen sich je nach Bedarf verschiedene Schnittkanten erzielen, indem die Menge und Art des Schleifmittels sowie die Schnittgeschwindigkeit reguliert werden. Der Trennschnitt ist am schnellsten, jedoch ist die Schnittkante relativ uneben. Beim Qualitätsschnitt ist die Schnittkante von hervorragender Qualität, allerdings auf Kosten einer geringeren Schnittgeschwindigkeit, was sich direkt auf die Kosten auswirkt.
Die Wasserstrahlschneidetechnologie nutzt spezielle Wasserstrahlschneidemaschinen, die mit Hilfe von HP-Pumpen (High Pressure) den für den Schnitt erforderlichen hohen Druck erzeugen können. Es gibt zwei Arten solcher Pumpen: Verstärkerpumpen und Kolbenpumpen.
Vorteile des Wasserstrahlschneidens:
- hohe Schnittpräzision,
- breites Spektrum an schneidbaren Materialien,
- Möglichkeit zum Schneiden großer Materialstärken,
- leise und staubfreie Technologie – umweltfreundlich,
- keine Wärmeeinwirkung auf das zu schneidende Material – es treten keine Probleme auf, die z. B. mit der Wärmeausdehnung der Materialien zusammenhängen.
Nachteile:
- relativ geringe Schnittgeschwindigkeit,
- hohe Betriebskosten.
Vergleich der Schneidtechnologien:
| Schneidetechnologie | Autogenschneiden | Plasmaschneiden | Wasserstrahlschneiden | Laserschneiden |
| Maschine |
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| Schnittbereich der Materialien | nur Schwarzstahl, nicht geeignet zum Schneiden von legiertem Stahl und Nichteisenmetallen | Kohlenstoffstahl, legierte Stähle, Nichteisenmetalle und deren Legierungen | alle Materialien | Kohlenstoffstahl, legierte Stähle, Nichteisenmetalle und deren Legierungen (Bereich variiert je nach Technologie der Lichtquelle) |
| Schnittcharakteristik |
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| Schnittgeschwindigkeit |
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| Kosten | kostengünstiges und qualitativ hochwertiges Verfahren für Baustahl mit einer Dicke von über 30 mm | kostengünstiges und qualitativ hochwertiges Verfahren für Baustahl mit einer Dicke unter 30 mm, legierten Stählen und Nichteisenmetallen. Hervorragendes Verhältnis von Geschwindigkeit, Qualität und Preis | kostengünstiges und qualitativ hochwertiges Verfahren für Einzelteile. Absolut universelles Verfahren | Die Schnittkosten hängen von der verwendeten Strahlentechnologie ab. Sehr niedrige Stückkosten bei großen Serien. Wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Methode für Baustahl mit einer Dicke unter 6–8 mm, legierten Stählen und Nichteisenmetallen |
| Service | Kleinere Wartungsarbeiten können in vielen Fällen vom Wartungspersonal durchgeführt werden | Wartung mittlerer Komplexität: Die Wartung vieler Teile bereitet keine Schwierigkeiten | Wartungsarbeiten mit hohem Schwierigkeitsgrad erfordern den Einsatz von Fachtechnikern | Wartungsarbeiten mit hohem Schwierigkeitsgrad erfordern den Einsatz von Fachtechnikern. Der Arbeitsumfang hängt von der Laserquelle ab |
| Schnittdickenbereich | 3–300 mm | 0,5–100 mm | 0,5–500 mm | 0,5–30 mm |
Wovon hängt die Wahl der Schneidetechnik ab?
Wovon hängt die Wahl der Schneidetechnik ab?
Die Wahl der Schneidetechnologie hängt hauptsächlich von drei Faktoren ab: der Art der Branche, dem Material und den Besonderheiten des Auftrags. In der Praxis bedeutet dies, dass sich in der Schwerindustrie andere Lösungen bewähren als in der Präzisionsserienfertigung oder bei der Bearbeitung empfindlicher Materialien.
Welche Schneidetechnologien werden derzeit am häufigsten eingesetzt?
Welche Schneidetechnologien werden derzeit am häufigsten eingesetzt?
Am beliebtesten sind derzeit Laserschneiden, Plasmaschneiden und Brennschneiden. Dank der Automatisierung der Prozesse und der Integration in CNC-Systeme sind diese Verfahren wesentlich schneller und präziser als herkömmliche mechanische Werkzeuge.
Warum ersetzen CNC-Maschinen herkömmliche Schneidverfahren?
Warum ersetzen CNC-Maschinen herkömmliche Schneidverfahren?
CNC-Schneidemaschinen bieten eine hohe Wiederholgenauigkeit und Präzision und machen eine Nachbearbeitung der Werkstücke überflüssig. Zudem reduzieren sie den Bedienereinsatz im Prozess und steigern die Produktionsleistung erheblich, was sie zu einer rentableren Lösung macht als Sägen, Scheren oder Stichsägen.
Wodurch zeichnen sich moderne Plasmaschneidmaschinen aus?
Wodurch zeichnen sich moderne Plasmaschneidmaschinen aus?
Moderne Plasmaschneidemaschinen, wie beispielsweise High-End-Modelle, bieten die Möglichkeit, Plasma- und Autogenschneidetechnologie auf einem einzigen Portal zu kombinieren. Sie ermöglichen die Bearbeitung sehr dicker Materialien, sogar bis zu 300 mm, sowie die Automatisierung von 3D-Prozessen, einschließlich Rohren und Profilen.
Wann lohnt sich das Wasserstrahlschneiden (Waterjet)?
Wann lohnt sich das Wasserstrahlschneiden (Waterjet)?
Das Wasserstrahlschneiden ist die beste Wahl, wenn Vielseitigkeit und die Vermeidung thermischer Einflüsse auf das Material entscheidend sind. Die Wasserstrahltechnologie ermöglicht die Bearbeitung von Metallen, Kunststoffen, Gummi, Glas und Stein sowie von temperaturempfindlichen Materialien.