Das Plasma-Schneidverfahren

Das Plasma-Schneidverfahren ist das universellste der drei hier vorgestellten Verfahren. Ein hochenergetischer Plasmastrahl dient zum lokalen Aufschmelzen des zu schneidenden Werkstoffes. Im Inneren der Brennergeometrie wird durch elektrische Ionisation ein zuvor neutrales Gas in heißes Plasma umgewandelt, welches mit hoher kinetischer Energie als zwischen Elektrode und Werkstück brennender elektrischer Lichtbogen durch eine enge meist wassergekühlte Düsenöffnung am Vorderende des Brenners austritt. Durch plasmaphysikalische Umwandlung erreicht das Schneidplasma Temperaturen von über 30.000°C.

Als Plasmagas kommen im wesentlichen Stickstoff, Stickstoff-Wasserstoff-Gemische, Argon-Wasserstoff-Gemische aber auch sehr häufig einfache Druckluft zum Einsatz. Geeignet zum Schneiden mit dem Plasmaverfahren sind alle elektrisch leitenden Materialien; mit einer speziellen Verfahrensvariante lassen sich auch nicht leitende Materialien wie z.B. Kunststoffe trennen.

Der heiße Plasmastrahl schmilzt den Werkstoff auf und treibt den nicht verdampften Teil der Schmelze aus der Fuge, die sich durch die Vorwärtsbewegung des Plasmabrenners über dem Werkstück bildet. Der Prozess ist durch seine Vielzahl an Parametern (Schneidstrom, Düsenbohrung, Schneidgeschwindigkeit, Gaszusammensetzung, Abstand des Plasmabrenners zum Werkstück, etc.) sehr individuell einstellbar. Allerdings verlangt das Verfahren aufgrund seiner hohen Komplexität auch erfahrene Bediener.

Das Plasmaschneiden wird in einfacher Form vielfach manuell eingesetzt und lässt sich aufgrund seiner elektrischen Stellgrößen hervorragend kontrollieren und parametrisieren, sodass der automatisierte Einsatz an CNC-Schneidportalen, insbesondere im Schneidstrombereich oberhalb von 100A die Regel ist.

Das manuelle Plasmaschneiden ist weit verbreitet bei der Schrottzerlegung, im Chemieanlagen-Rückbau sowie im Handwerk, in Kleinserienfertigung und beim Schiffsbau. Manuell und automatisiert wird das Verfahren zum Oberflächenabtrag verschlissener Funktionsschichten als Vorbereitung zur Regeneration eingesetzt. Die automatisierte Variante findet sich generell überall dort, wo jegliche Art metallischer Werkstoffe als Halbzeuge zugeschnitten werden, beispielsweise in Werften, beim Behälterbau, dem allgemeinen Stahlbau und im Schwermaschinenbau.

Das Laserstrahl-Schneidverfahren

Der Laserstrahl wird zum Trennen nahezu aller Werkstoffe angewendet z.B. Stähle, Nichteisenmetalle, Kunststoffe, Keramik, Holz ....allerdings liegt die wirtschaftliche Grenzdicke bei maximal 50 mm für Hochlegierte Stähle und 25 mm bei un- und niedriglegierten Stählen sowie Nichteisenmetallen. Zur Strahlerzeugung werden CO2-Gaslaser sowie Scheiben-, Faser- und Dioden- Festkörperlaser eingesetzt. Bei der industriellen Nutzung kommen in Abhängigkeit vom zu schneidenden Werkstoff drei verschiedene Verfahrensvarianten zum Einsatz.

Das Laserstrahl-Brennschneiden verwendet -wie das Autogen-Brennschneiden- einen Schneidsauerstoffstrahl zur Umwandlung der un- und niedriglegierten Werkstoffe in hoch viskose Schlacke. Die Verbrennung des Materials und das Austreiben der Schlacke aus der Schnittfuge erfolgt analog zum Brennscheideverfahren, lediglich die Vorwärmung des Werkstoffs auf Zündtemperatur wird mittels Laserenergie erreicht.

Das Laserstrahl-Schmelzschneiden schmilzt in Analogie zum Plasma-Schneidprozess den Werkstoff (hochlegierte Stähle und Nichteisenmetalle) über seine gesamte Dicke auf, verwendet jedoch im Unterschied zum Plasmalichtbogen hierzu die Laserstrahlenergie. Das verflüssigte Material wird mittels Gasdruck (reaktionsträger Stickstoff, seltener auch Inertgas) aus der Schneidfuge geblasen. Vorteilhaft für Schnitte an hochlegierten Stählen ist die Ausbildung blanker Schnittkanten durch das reaktionsträge Schneidgas.

Bei Kunststoffen und organischen Werkstoffen kommt die Variante des Laserstrahl-Sublimierschneidens zum Einsatz. Die hohe Energiedichte des Laserstrahls verdampft (sublimiert) den Werkstoff. Der dadurch entstehende Dampfdruck treibt den verdampften Werkstoff, häufig mit Unterstützung eines reaktionsträgen Schneidgases (Stickstoff), aus der Schnittfuge.

Das Laserstrahl-Schneidverfahren und seine Varianten werden in hochautomatisierten Fertigungsprozessen eingesetzt, in allen Bereichen mit hohen Anforderungen hinsichtlich Schnittgüte und Präzision. Der Einsatz lohnt trotz der sehr hohen Investitions- und Energiekosten. Aufgrund der im Vergleich zu Plasma sehr moderaten Verschleißteilkosten sowie der nahezu vollständig entfallenden Nacharbeit.

Das-Autogen-Schneidverfahren

Beim autogenen Brennschneiden dient eine Sauerstoff-Brenngasflamme als Wärmequelle. Acetylen, Propan, Erdgas oder deren Gemische werden als Brenngas in diesem Schneidprozess verwendet. Zum Prozessstart wird mittels einer Heiz- oder Vorwärmflamme der zu schneidende Werkstoff auf Entzündungstemperatur erwärmt und dabei gleichzeitig die Oberfläche von etwaigen Verunreinigungen wie z.B. Rost, Zunder, etc. gereinigt. Ist die Zündtemperatur erreicht, wird der Schneidsauerstoffstrahl zugeschaltet und eine exotherme Reaktion verbrennt den Werkstoff entlang des Gasstrahls in die Tiefe des Werkstücks und in Vorschubrichtung des Strahls.

Der Werkstoff wird bei diesem Verfahren zu einer dünnflüssigen niedrigschmelzenden Schlacke verbrannt, welche durch den Druck des Schneidstrahls nach unten aus der Schnittfuge herausgeblasen wird. Entscheidend für dieses Verfahren ist, dass die Zündtemperatur des Werkstoffes und die Schmelztemperatur seiner Schlacke niedriger liegen als die Schmelztemperatur des Werkstoffes an sich. Wesentlich für den Prozess ist weiterhin, dass die Schlacke eine niedrige Viskosität (dünnflüssig) besitzt und dass die Wärmeleitfähigkeit des zu schneidenden Materials möglichst gering ist. So sind beispielsweise Aluminium- und Kupferlegierungen ungeeignet für das Autogenschneiden, hingegen weisen Baustähle, niedriglegierte Stähle, Stahlguss und Titan eine sehr gute Eignung für dieses Trennverfahren auf.

Die erreichbare Schneidgeschwindigkeit richtet sich nach dem zu schneidenden Material und der zu schneidenden Dicke. Bei optimaler Einstellung tritt der Funkenstrahl senkrecht an der Unterseite des Werkstückes aus.

Das manuelle Autogenschneiden ist weit verbreitet bei der Schrottzerlegung, Industrieanlagen-Rückbau sowie im Handwerk und beim Schiffsbau. Die automatisierte Variante findet sich generell überall dort wo Eisenwerkstoffe als Halbzeuge zugeschnitten werden, beispielsweise in Werften, dem allgemeinen Stahlbau und im Schwermaschinenbau.