Präzise Metallschneideverfahren im Überblick

Verschiedene maschinelle Trennverfahren haben seit vielen Jahrzehnten einen festen Platz in der metallverarbeitenden Industrie. Neben unterschiedlichen Laserschneideverfahren haben sich insbesondere Plasma- und Wasserstrahltechniken etabliert. Während die Präzision des jeweiligen Verfahrens nach wie vor ein zentrales Kriterium ist, sind im Laufe der Zeit zusätzliche Faktoren wie die Flexibilität der Anwendung, der Energieverbrauch und Umweltschutzfragen wichtig geworden.

Bearbeitungsgenauigkeit und -toleranz in Metallschneideverfahren

Bei der Metallbearbeitung ist in vielen Fällen äußerste Präzision gefragt. Im Kontext unterschiedlicher Schneideverfahren begegnen einem deshalb häufig Begriffe wie „Bearbeitungsgenauigkeit“ und „Bearbeitungstoleranz“. Bei genauerer Betrachtung wird schnell klar, weshalb sich die Auseinandersetzung mit diesen Fachbegriffen lohnt.

Im Unterschied zur umgangssprachlichen Präzision bezieht sich die Bearbeitungsgenauigkeit nämlich speziell auf die Möglichkeit, einen Metallwerkstoff exakt und gemäß den vorgegebenen Maßen und Formen zu schneiden. Gemeint ist somit der Grad der Abweichung von der idealen Spezifikation.

Die Bearbeitungstoleranz hingegen gibt eben diesen zulässigen Abweichungsbereich von den idealen Maßen und Formen an. Bei geringer Bearbeitungstoleranz darf das Endprodukt nur minimale Abweichungen vom Sollwert aufweisen. Insbesondere bei der Bearbeitung hochpräziser Komponenten haben die Bearbeitungsgenauigkeit und die Bearbeitungstoleranz einen großen Einfluss auf die Qualität. Darüber hinaus ist die Toleranz für bestimmte Normen wie die ISO 2768 von Bedeutung.

Laserschneideverfahren

Bereits seit den 1960er-Jahren findet die Lasertechnik in Trennverfahren Verwendung. Trotz diverser baulicher Unterschiede bei den jeweiligen Verfahren nutzen alle Laserschneidegeräte einen hochenergetischen Lichtstrahl, der das Material an der Stelle, auf die er gerichtet wird, schmilzt. Der fokussierte Laserstrahl verdampft einen Teil des oberflächlichen Materials, weshalb das Verfahren besonders saubere Schnittkanten hinterlässt. In diversen Branchen wie der Automobilindustrie, der Elektronikfertigung und dem Maschinenbau gilt der Lasercutter als Standard.

Wie funktioniert eine Lasermaschine für Metall? Im Rahmen unserer Recherche sind wir auf eine Art Wiki aufmerksam geworden, das die Frage sehr genau beantwortet, inklusive Informationen zum Laserschneidkopf, siehe:Lasercutter als Standard.

Kontaktloses Trennverfahren mit hoher Präzision

Ein zentraler Grund für die Beliebtheit der Technik ist die Möglichkeit zur präzisen Steuerung. Selbst Vorgaben mit einer geringen Bearbeitungstoleranz stellen in der Regel kein Problem dar. Außerdem verhindert die punktgenaue Anwendung eine Erhitzung des umliegenden Materials, wodurch Beeinträchtigungen des Metalls durch Wärmeflüsse zu vernachlässigen sind. Viele Geräte erlauben neben dem Schneiden das Gravieren per Laser.

Wartungsvorteil: Weil kein Werkzeugwechsel nötig ist und kaum Verschleiß stattfindet, lassen sich Laserschneidgeräte trotz des höheren Energiebedarfs recht wirtschaftlich betreiben.

Varianten der Laser-Schneidetechnik

Technische Unterschiede machen sich vor allem bei der Konstruktions- und Funktionsweise der Laserquelle bemerkbar.

• Ein CO₂-Laser nutzt Kohlendioxidgas als Medium und ist bekannt für besonders hochwertige Schnittkanten und Schweißstellen, die keine Schwankungen in der Qualität aufweisen.
• Der YAG-Laser (auch Festkörperlaser genannt) bündelt das Licht hingegen, in dem er es durch einen Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall (YAG) leitet. Diese Laserschneidtechnik kommt nicht nur bei der Metallbearbeitung, sondern auch beim Trennen von Materialien wie Kunststoff oder Keramik zum Einsatz.
• Eine Weiterentwicklung des YAG-Lasers stellt der Faserlaser dar. Er weist im direkten Vergleich eine höhere Schnittgeschwindigkeit und einen geringen Energieverbrauch auf.

Interview-Hinweis: Sie fragen sich, wie die Laserprozesse der Zukunft aussehen könnten? Hierzu haben wir diesen Lasertechnik-Interview veröffentlicht.

Plasmaschneideverfahren

Eine in bestimmten Fällen genutzte Alternative zum Laserschneiden ist das Plasmaschneideverfahren. Hierbei schneidet kein gebündelter Lichtstrahl, sondern ionisiertes Gas das Metall. Das Plasma, welches aus geladenen Teilchen besteht, erzeugt einen Lichtbogen, der für eine hohe Wärmeentwicklung an der gewünschten Stelle sorgt und das Material auftrennt. Bei einer maximalen Materialdicke von bis zu 40 mm zählt das Plasmaschneider zu den wirtschaftlichsten Optionen. Das Verfahren liefert unter anderem beim Schneiden von unlegiertem Stahl hervorragende Ergebnisse.

Leseempfehlung: In unserem Plasmaschneiden-Artikel befassen wir uns mit den Vorteilen und Nachteilen des Verfahrens.

Schnell und flexibel in der Anwendung

Eine Besonderheit ist, dass beim Plasmaschneiden Qualitätsschwankungen und Verunreinigungen der Oberfläche keinen Einfluss auf das Schnittergebnis haben. Rost, Öl oder Lack sind daher kein Hindernis, insofern der Anwender gewisse Grenzwerte beachtet. Die Bearbeitungsgenauigkeit fällt etwas geringer aus als bei der Laserschneidtechnik. Dafür stellen Plasmaschneidbrenner keine Ansprüche an den Einsatzort, da sie in jeder Umgebung funktionieren.

Manuelles und automatisiertes Plasmaschneiden

Von ihrem Funktionsprinzip her lassen sich manuelle und automatisierte Plasmaschneidtechniken unterscheiden. Beim manuellen Plasmaschneiden führt der Anwender den Schneidbrenner eigenhändig über die Oberfläche des Werkstücks. Da das Ergebnis dementsprechend variieren kann und vom Erfahrungsgrad und Geschick des Anwenders abhängig sind, lohnt sich der Einsatz eher bei kleinen Projekten, bei denen die Flexibilität im Vordergrund steht. In der Serienfertigung sind hingegen eine hohe Geschwindigkeit und Präzision gefragt, weshalb nur das automatisierte Schneiden über CNC-gesteuerte Systemen infrage kommt.

Wasserstrahlschneidverfahren

Ein großes Thema beim Auftrennen von Metall ist die Wärmeentwicklung. Entstehen durch das Schneiden höhere Temperaturen, kommt es schnell zu unerwünschten Effekten wie Verformungen. Ein Schneidverfahren, welches komplett ohne Wärmeeinwirkung auskommt, ist das Wasserstrahlschneidverfahren. Beim Wasserschneiden durchdringt ein komprimierter und hochdruckbetriebener Wasserstrahl das Metall.

Umweltfreundliche Schneidetechnik

Selbst Titan oder gehärteter Stahl sind für leistungsstarke Wasserschneidgeräte keine Herausforderung. Gleichzeitig ist die Technik recht präzise, sodass auch anspruchsvolle Formen mit geringer Toleranz zuverlässig geschnitten werden. Ein weiterer Vorteil ist die Umweltfreundlichkeit des Verfahrens. Zwar verbraucht der regelmäßige Einsatz viel Wasser, doch kann dies problemlos aufbereitet und wiederverwendet werden.

Abrasiv- und Reinwasserstrahlschneiden

Kommt beim Auftrennen nur Wasser zum Einsatz, spricht man vom Reinwasserstrahlschneiden. Manchmal reicht die erzielte Schneidleistung jedoch nicht aus, weshalb zusätzliche Abrasivmittel wie Granatsand beigefügt werden. Für das Schneiden von Metall ist das Abrasivschneiden für gewöhnlich alternativlos. Der Sand fungiert als Schleifmittel, das mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Werkstücks trifft und dabei an der gewünschten Stelle Material abträgt. Schnitte mit einer Tiefe von bis zu 200 mm sind auf diesem Weg realisierbar.

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