Thermische und hydroabrasive Schneidetechniken

Das Schneiden von Blechen mit unterschiedlichen, oft sehr großen Dicken stellt für die meisten Fertigungsunternehmen eine große Herausforderung dar. Das mechanische Schneiden oder Stanzen eignet sich gut für dünne Bleche und wird meist zum Schneiden gerader Kanten verwendet. Für dickere Bleche werden heute verschiedene thermische oder Wasserstrahlschneidetechniken eingesetzt. Dazu gehören Autogenschneiden, Plasmaschneiden, Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden.

Jede dieser Technologien hat ihre eigenen Merkmale und Anwendungsbereiche, für die sie am wirtschaftlichsten ist. Bei der Entscheidung für eine Thermo- oder Wasserstrahlschneidmaschine sollte man daher nicht nur den Preis berücksichtigen, sondern vor allem das Spektrum der zu schneidenden Materialien, d.h. Stahlsorten, ggf. auch andere Materialien, deren Dicken und die angenommene Schnittgenauigkeit. Erst nach Kenntnis dieser Parameter kann die wirtschaftlichste Schneidtechnologie für die jeweilige Anwendung ausgewählt werden.

Brennschneiden

Beim Brennschneiden, auch Autogenschneiden genannt, wird der Stahl auf seine Zündtemperatur vorgewärmt und dann mit Hochdruck-Sauerstoff oxidiert und gestrahlt. Diese Temperatur beträgt 1050⁰C für reines Eisen und 1380⁰C für Stahl mit 1,5% Kohlenstoff. Autogenes Schneiden kann daher nur für kohlenstoffarme und niedrig legierte Baustähle eingesetzt werden (zulässige Zusätze: Kohlenstoff bis 1,5 %; Chrom bis 2 %; Nickel bis 3 %; Silizium bis 4 %). Zum Erhitzen des Materials können Propan, Acetylen, Propylen oder Erdgas verwendet werden. Die Platten können auch in Paketen geschnitten werden - gestapelt bis zu einer Dicke von etwa 100 mm.

Die Hauptvorteile des Autogenschneidens sind der sehr große Bereich von Materialstärken und die senkrechten Schnittkanten. Es ist auch eine sehr wirtschaftliche Methode. Die Nachteile sind: lange Einstechzeit, breite Wärmeeinflusszone und die Unfähigkeit, Edelstahl und Nichteisenmetalle zu schneiden.

Plasmaschneiden

Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas, in dem die Atome in Ionen und Elektronen zerfallen sind. Ein solches Gas ist ein sehr guter elektrischer Leiter und kann zur Leitung von elektrischem Strom verwendet werden. Beim Plasmaschneiden wird ein Material durch einen Lichtbogen bis zum flüssigen Zustand erhitzt und dann mit einem starken Gasstrahl schnell ausgeblasen (Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit). Der Schlüssel dazu ist das hochionisierte Gas (Plasma), das den präzisen Durchgang des Lichtbogens zum zu schneidenden Material ermöglicht. Das Material wird sowohl thermisch (Lichtbogen) als auch mechanisch (Gasdruck) beansprucht.

Die Vorteile des Plasmaschneidens sind:

• schnelles Einstechen und hohe Schnittgeschwindigkeiten,
• breites Spektrum an Schneidmaterialien - Schneiden von praktisch allen Leitern,
• relativ kleine Wärmeeinflusszone,
• kleiner Schnittspalt,
• Möglichkeit, dünne Materialien zu schneiden, ohne die Kanten zu verbrennen.

Die Nachteile des Plasmaschneidens sind:

• Anfasen der Schnittkanten,
• hoher Lärmpegel,
• große Mengen von Gasen und Dämpfen - die Notwendigkeit der Filterung.

Das Plasmaschneiden kann bei Materialien mit geringerer Dicke als beim Autogenschneiden angewandt werden, es ist um ein Vielfaches schneller und ein Plasmabrenner kann mehrere Gasbrenner ersetzen.

Das Problem der Abschrägung von Plasmabrennern wurde durch den Einsatz von Geräten und Plasmabrennern mit rotierenden Gasen minimiert. Das verwirbelte Gas "wickelt" das Plasmagas ein und verengt dessen Strömung, was zu einer kleineren Fase und einer Kante führt, die senkrechter zur Materialebene steht. Die kompliziertere Konstruktion erhöht die Anschaffungskosten der Maschine und die Schneidkosten, aber es ist möglich, eine Schneidqualität zu erreichen, die der von Lasern ähnlich ist.

Das Laserschneiden ist eine relativ neue Technologie, die sehr gute Präzision und hohe Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ist die Verstärkung von Licht durch erzwungene Emission von Strahlung. Der erhaltene Lichtstrahl hat charakteristische Eigenschaften, die bei anderen Arten von Lichtquellen nur sehr schwer oder gar nicht zu erreichen sind, nämlich: sehr geringe Breite der Emissionslinie, was zu einer hohen Leistung in einem ausgewählten Bereich des Spektrums führt. Bei Lasern lässt sich leicht ein polarisierter Strahl mit sehr geringer Divergenz erzeugen.

Beim Laserschneiden besteht das Schneidmittel aus einem heißen Laserstrahl und einem technischen Gas, das unter Druck steht.

Die in Schneidmaschinen verwendeten Laserquellen lassen sich in Hauptgruppen unterteilen:

• Gaslaser (z. B. auf CO2-Kohlendioxid),
• Festkörperlaser (Scheibenlaser),
• Halbleiterlaser.

Beim CO2-Laser, der häufig in Laserschneidmaschinen eingesetzt wird, ist das aktive Medium ein Gemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserstoff und Helium. Die Wellenlänge beträgt etwa 10 µm. Er zeichnet sich durch große Abmessungen und eine relativ geringe Energieeffizienz aus.

Scheibenlaser haben ein aktives Medium - einen Y3Al5O12 (YAG)-Kristall, ein mit Neodym dotiertes Aluminiumgranat. Es emittiert eine Strahlung von 1064 nm, die über Lichtwellenleiter übertragen werden kann. Sie zeichnen sich durch relativ geringe Haltbarkeit und niedrige Energieeffizienz aus.

Die neueste Fasertechnologie, bei der Halbleiterlaser zur Erzeugung eines Laserstrahls direkt in der Führungsfaser eingesetzt werden, ist eine Lösung, die die meisten Nachteile früherer Lösungen beseitigt. Bei der Faserquelle ist das aktive Element eine optische Faser, die mit Ionen der seltenen Erden wie Erbium, Ytterbium, Neodym usw. dotiert ist und mit Halbleiterlaserdioden gepumpt wird. Diese Technologie zeichnet sich durch hohe Effizienz und hervorragende Strahlqualität aus.

Die Wellenlänge des Lasers ist zehnmal kleiner als die des CO2-Lasers, was eine höhere Energiekonzentration und das Schneiden von stärker reflektierenden Materialien ermöglicht, die mit früheren Technologien nicht bearbeitet werden konnten.

Die Vorteile des Laserschneidens sind:

• sehr hohe Präzision,
• enger Schnittspalt,
• hohe Schnittgeschwindigkeiten,
• niedrige Stückkosten für große Produktionschargen,
• minimale Wärmeeinflusszone.

Benachteiligungen:

• hohe Anschaffungskosten für die Ausrüstung,
• die Bandbreite der zu schneidenden Materialien hängt von der verwendeten Laserquelle ab.
• Wasserstrahlschneiden (hydroabrasiv)

Wasser ist ein Material, das nicht mit Härte oder Schneidfähigkeit in Verbindung gebracht wird, aber wenn es mit hohem Druck verwendet wird, kann es jedes Material durchschneiden. Beim Hydroabrasivschneiden wird das Material unter dem Einfluss eines Wasserstrahls mit sehr hohem Druck erodiert. Für weiche Materialien wie Gummi, Pappe usw. wird reines Wasser verwendet, während für härtere Materialien ein Schleifmittel - Granat - mit einem genau definierten Gewicht und einer bestimmten Kantenqualität eingesetzt wird, um die Schnittgeschwindigkeit zu erhöhen.

Das Wasserschneiden ist eine "kalte" Technologie, d. h. es gibt keine Wärmeeinflusszone wie bei den zuvor beschriebenen Technologien. Sie wird daher überall dort eingesetzt, wo eine übermäßige Erwärmung des Materials nicht akzeptabel ist, z. B. wegen möglicher Aushärtung. Auch bei der Art der zu schneidenden Materialien gibt es keine Einschränkungen - von den weichsten, wie Papier oder Schaumstoff, bis zu den härtesten, wie Stahl, Stein oder Titan.

Mit Wasser lassen sich - je nach Bedarf - unterschiedliche Schnittkanten erzielen, indem man die Menge und Art des Abrasivmittels sowie die Schnittgeschwindigkeit anpasst. Der Spaltschnitt ist am schnellsten, aber die Schnittkante ist relativ ungleichmäßig. Bei einem Qualitätsschnitt ist die Kante von hervorragender Qualität, allerdings auf Kosten einer geringeren Schnittgeschwindigkeit, was sich direkt auf die Kosten auswirkt.

Der zum Schneiden benötigte hohe Druck wird mit HP-Pumpen (High Pressure) erreicht. Es gibt zwei Arten solcher Pumpen: Druckerhöhungs- und Kolbenpumpen.

Vorteile des Wasserstrahlschneidens:

• hohe Schnittpräzision,
• eine breite Palette von zu schneidenden Materialien,
• Möglichkeit, große Dicken zu schneiden,
• leise und staubfreie Technik - umweltfreundlich,
• kein Einfluss von Wärme auf das geschnittene Material - keine Probleme z.B. mit der Wärmeausdehnung von Materialien.

Benachteiligungen:

• relativ niedrige Schnittgeschwindigkeit,
• hohe Betriebskosten.

Vergleich der Schneidetechniken: