Damit die Wahl nicht zur Qual wird

Bei thermischen Trennverfahren für Fein- und Grobblech hat der Anwender die Wahl, die bisweilen zur Qual werden kann: Autogen, Plasma, Laser oder Wasserstrahl – welches Verfahren ist für meine Schneidaufgaben das optimale? Die Antwort hängt von mehreren Faktoren ab, die die Anschaffung entscheidend beeinflussen können. Dazu gehören insbesondere die zu bearbeitenden Werkstoffarten und -dicken (Materialmix), Teilegeometrien, Qualitätsanforderungen, die Auslastung sowie Kosten für Anschaffung und Betrieb.

Heutzutage entscheiden sich Blechbearbeiter oft für das Laserschneiden, obwohl es möglicherweise bessere Alternativen gibt. Dies könnten die ebenfalls thermischen Trennverfahren Autogen- und Plasma-schneiden sein, aber auch das Wasserstrahlschneiden, das den Werkstoff thermisch nicht beeinflusst.

Doch welche Vorteile bieten die einzelnen Verfahren wirklich? Grundsätzlich haben sie alle ihre Daseinsberechtigung, da das Spektrum an Trennaufgaben extrem breit ist. Zwar gibt es oft mehrere Möglichkeiten, eine solche Aufgabe zu lösen, doch spielen – abgesehen von der Machbarkeit an sich – wirtschaftliche Gesichtspunkte in der Regel die wichtigste Rolle. Und letztlich fällt die Entscheidung oft anhand eines Kostenvergleichs der einzelnen Verfahren, deren Stärken und Schwächen sich aus ihren technischen Grundlagen ergeben.

Beim Autogenschneiden, beispielsweise, werden Metallbleche getrennt, indem eine Flamme den Werkstoff an der Oberfläche auf Zündtemperatur erwärmt und durch die Zufuhr von Sauerstoff verbrennt. Die freiwerdende Verbrennungswärme erwärmt die darunterliegenden Werkstoffschichten auf Zündtemperatur, so dass der Prozess sich selbsttätig – autogen – in die Tiefe fortsetzt. Währenddessen wird die entstandene flüssige Schlacke durch den verbleibenden Schneidsauerstoff aus der Fuge geblasen.

Das standardmäßige Autogenschneiden eignet sich insbesondere für un- und niedriglegierte Stähle im Blechdickenbereich von 3 bis 3200 mm – typischerweise zwischen 10 und 300 mm – sowie für Titan. Größere Mengen an Legierungselementen sind hinderlich. Für hochlegierte CrNi-Stähle oder Aluminium existieren jedoch Sonderverfahren sowie alternative thermische Trennverfahren.

Beim Autogenschneiden wird viel Wärme in den Werkstoff eingebracht, und die wärmebeeinflusste Zone ist groß. Im unteren Blechdickenbereich kann sich durch den Wärmeeinfluss das Material verziehen, was Richtarbeiten erfordert. Infolge des hohen Wärmeeintrags ist auch die Maßhaltigkeit bei Wiederholschnitten vergleichsweise niedrig. Bartbildung ist ein weiterer negativer Effekt, der Nacharbeit nötig macht.

„Im typischen Blechdickenbereich ist die Schnittqualität gut“, erklärt Dr. Lutz Nickenig, Leiter Qualitätswesen beim Trenntechnikspezialisten Messer Cutting Systems. „Es ergeben sich glatte vertikale Schnittflächen mit metallurgisch guten Oberflächen.“ Allerdings müssen die oxidierten Schnittflächen zur Schweißnahtvorbereitung nachbearbeitet werden. Die Schneidgeschwindigkeit ist vergleichsweise langsam: Bei 10 mm Blechdicke (Baustahl) liegt sie bei etwa 800 mm/min – Plasma und Laser erreichen hier deutlich mehr als das Doppelte.

Die Investitionskosten für Anlage und Werkzeuge sowie die Kosten für Verschleißteile und Betriebsstoffe (Sauerstoff und Brenngas) sind relativ niedrig. Vorteilhaft ist auch, dass mehrere Brenner gleichzeitig eingesetzt werden können. So lassen sich an einem Aggregat gleichzeitig mit bis zu drei Brennern Fasen schneiden. „Das Autogenschneiden empfiehlt sich primär für Aufgaben im mittleren und höheren Blechdickenbereich, bei denen es weniger auf komplexe Konturen und enge Toleranzen, als vielmehr auf den wirtschaftlichen Aspekt ankommt“, weiß Dr. Lutz Nickenig. „Für gerade Schnitte in niedriglegierten Stählen, bei denen mehrere Brenner eingesetzt werden können, ist es das wirtschaftlichste Verfahren.“

Das Plasmaschneiden wurde zum thermischen Schneiden nicht brennschneidgeeigneter Werkstoffe, etwa hochlegierter Stähle oder Aluminium, entwickelt. Heute wird das Verfahren auch bei dünnen niedriglegierten Stählen eingesetzt. Anders als das Autogenschneiden, eignet es sich grundsätzlich für alle stromleitfähigen Metalle, also auch für Kupfer oder Titan. Für nicht-leitfähige Werkstoffe wurde das indirekte Plasmaschneiden entwickelt. Möglich sind Kontur-, Gerad- sowie Fasenschnitte bis 50° in Blechdicken zwischen etwa 0,5 und 160 mm – der typische Schneidbereich reicht von 3 bis 75 mm.

Das Verfahren nutzt einerseits den Wärmeinhalt eines Plasmas – eines elektrisch leitfähigen Gases mit einer Temperatur von etwa 30 000 °C –, um das Material örtlich zu verflüssigen. Zudem nutzt es die hohe kinetische Energie des Plasmagas-Volumenstromes, um den verflüssigten Werkstoff aus der Schnittfuge auszublasen. Die erforderliche Wärme führt ein elektrischer Lichtbogen zu. Dabei sind Wärmeeintrag und -einflusszone kleiner als beim Autogenschneiden.

„Zu den Vorteilen des Verfahrens gehört, dass es werkstoffseitig die höchste Flexibilität aller thermischen Verfahren bietet – und dies bei den geringsten Anforderungen an Materialbeschaffenheit und Arbeitsumfeld“, betont Volker Krink, Geschäftsführer des Schneidtechnikanbieters Kjellberg Finsterwalde.

Das Plasmaschneiden ist vergleichsweise schnell: Im Blechdickenbereich bis etwa 50 mm bietet es bis zu zehnmal höhere Schneidgeschwindigkeiten als das Autogenschneiden. Im mittleren bis dicken Bereich (ab etwa 8 mm aufwärts), wiederum, ist es schneller als das Laserschneiden. Baustahl von 10 mm Dicke, beispielsweise, lässt sich mit 2500 mm/min Vorschub trennen – der Laser schafft 2100 mm/min. Die Schnittmeterkosten liegen hier bei 0,5 Euro/m – beim Laser sind sie etwa doppelt so hoch. Bei Edelstahl ist die Differenz insbesondere aufgrund des hohen Gasverbrauchs noch wesentlich größer.

Je nach Losgröße können ein oder mehrere Plasmabrenner eingesetzt werden. „Beim Trennen von hochlegierten Materialien sowie Aluminium-Werkstoffen im mittleren und höheren Dickenbereich ist das Plasmaschneiden alternativlos“, macht Volker Krink deutlich. „Für den dünnen bis mittleren Baustahlbereich bis etwa 30 Millimeter eignet es sich hervorragend. Hochfeste Baustähle lassen sich mit geringer Wärmeeinbringung schneiden.“

Moderne Feinstrahl-Plasmatechnik minimiert die stets auftretende Winkelabweichung und liefert eine gute bis sehr gute Schnittqualität. So können mit hoher Wiederholgenauigkeit Werkstücke mit geraden Schnittflächen und geringer Rautiefe erzeugt werden. Die Teile sind fast bartfrei und benötigen wenig Nacharbeit.

Da der Plasmastrahl jedoch nicht so stark fokussierbar ist wie der Laserstrahl, ergeben sich breitere Schnittfugen, und filigrane Konturen lassen sich weniger gut schneiden. Mittels Laser können besonders feine Konturen in dünneren Blechen geschnitten werden. Das Autogen-Verfahren, andererseits, eignet sich auch für dickere Baustahl-Bleche als das Plasmaschneiden.

Sind möglichst wenig Wärmeverzug sowie Materialveränderung und/oder ein niedriger Geräuschpegel gewünscht, kann der Anwender auf das Unterwasser-Plasma-schneiden zurückgreifen. Hinzu kommt, dass das Verfahren generell sehr gut automatisierbar ist. Die Anschaffungs- und Betriebskosten sind günstiger als beim Laserschneiden.

Das Laserschneiden ist eine moderne Methode, um Werkstoffe unterschiedlicher Art schnell und präzise zu trennen. Im Metallbereich lassen sich damit verschiedene Arten von Stahl und NE-Legierungen mit Materialdicken zwischen 0,1 und 50 mm – typischerweise 0,5 bis 25 mm – bearbeiten.

Bei diesem Verfahren wird ein Strahl aus Laserlicht auf das Material fokussiert, dieses somit erhitzt und entweder aufgeschmolzen (Schmelzschneiden; typisch bei Edelstahl) oder verbrannt (Brennschneiden; typisch bei Baustahl). Durch ein Schneidgas, das in der Regel koaxial durch die Düse strömt, wird die Schmelze – respektive die Schlacke – aus der Schnittfuge ausgetrieben.

Die gebräuchlichsten Lasertypen sind CO2-, Scheiben- sowie Faserlaser. Bei letzteren handelt es sich um Festkörperlaser, deren aktives, Laserlicht-erzeugendes Medium aus einem glasartigen oder kristallinen Festkörper besteht. Beim CO2-Laser, einem Gaslaser, sind die aktiven Elemente CO2-Moleküle. Während der Strahl beim CO2-Laser über Spiegel in den Schneidkopf geleitet wird, erfolgt dies bei den Festkörperlasern über Glasfasern. Dies vereinfacht die Strahlführung und den damit zusammenhängenden Präzisionsmaschinenbau erheblich.

Die bewährte, robuste Technik des CO2-Lasers eignet sich zum Bearbeiten von Bau- und Edelstahl sowie Aluminium. Allerdings ist sein Wirkungsgrad niedrig (maximal 10 %), und die Energie-, Unterhalts- sowie Servicekosten sind verhältnismäßig hoch. Nach Angaben von Dr. Felix Riesenhuber, Gruppenleiter Produktmanagement 2D-Laser beim Laser- und Werkzeugmaschinenhersteller Trumpf, empfehlen sich CO2-Laser insbesondere für Allrounder, die verschiedene Materialien bis etwa 20 mm Blechdicke – mit Schwerpunkt über 4 mm – prozesssicher schneiden wollen und dabei Wert auf sehr hohe Qualität legen. „Im Schmelzschnitt ist die Kantenqualität weiterhin unerreicht.“

Anders als bei den Gaslasern, ist bei den Festkörperlasern, die eine jüngere Entwicklung darstellen, kein Gas für eine Strahlgangspülung erforderlich. Der Wartungsaufwand ist gering, während der elektrische Wirkungsgrad hoch ist. Somit sind die Energie- und Servicekosten niedrig. Das Einsatzspektrum dieser Laser ist breit: Neben Bau- und Edelstahl sowie Aluminium schneiden sie auch Buntmetalle wie Kupfer und Messing in hoher Qualität. „Festkörperlaser eignen sich vor allem zum hochproduktiven Bearbeiten von Blechen unter 12 Millimetern Dicke – mit Schwerpunkt bis 4 Millimeter“, weiß Dr. Felix Riesenhuber.

Beim erwähnten Scheibenlaser ist das kristalline aktive Medium scheibenförmig, was eine gute Kühlung ermöglicht. Dies reduziert die im Betrieb durch die thermische Ausdehnung des Laserkristalls entstehenden mechanischen Spannungen, was sich positiv auf Strahlqualität und Fokussierbarkeit auswirkt. Der Scheibenlaser bietet einen vergleichsweise hohen elektrischen Wirkungsgrad von über 25 %.

Die jüngste in der Fertigung eingesetzte Form des Festkörperlasers ist der Faserlaser. Bei ihm bildet der Kern einer Glasfaser das aktive Medium. Sein Wirkungsgrad ist mit 30 % ebenfalls hoch. Dieser robuste Lasertyp holt aus der gleichen Stromzufuhr wesentlich mehr Leistung heraus als CO2-Laser und ist dabei deutlich kleiner.

Laser im Allgemeinen bieten besonders im dünnen Materialbereich hohe Bauteilgenauigkeiten und Schneidgeschwindigkeiten bis weit über 6000 mm/min. Sie lassen sich stark fokussieren (Fokusdurchmesser etwa 0,2 mm) und bringen nur wenig Wärme in das Material ein. So können selbst sehr kleine Löcher, schmale Stege und spitzwinklige Geometrien hochpräzise und verzugfrei geschnitten werden. Die Schnittfugen sind sehr schmal – 0,2 bis 0,4 mm – und die Schnittkanten gerade. Dank der genannten Eigenschaften eignen sich Laser besonders, um komplexe Bauteilkonturen schnell und exakt zu erzeugen. Zudem ist das Verfahren sehr gut automatisierbar.

Die unbestreitbaren Vorteile des Lasers werden jedoch von einigen Nachteilen begleitet: So sind beispielsweise die Investitions- und Betriebskosten – etwa für den Gasverbrauch – vergleichsweise hoch. „Prozesssicher in schwierigem Material produzieren zu können, rechtfertigt gegebenenfalls einen Mehrverbrauch“, merkt Dr. Felix Riesenhuber an. „Ebenso kann es sinnvoll sein, erhöhte Verbräuche in Kauf zu nehmen, wenn hierdurch aufgrund des sehr guten Bearbeitungsergebnisses Nacharbeit entfällt oder Folgeprozesse wie etwa das Abräumen stark erleichtert werden.“

Da Baustahl mit normalem Si- und P-Gehalt die Stabilität des Laserstrahls beeinträchtigt, sind ab Materialdicken von 15 mm besondere Materialgüten – das heißt, spezielle Laserbleche – empfehlenswert. Dies verteuert die Sache. Hinzu kommt, dass der Blechdickenbereich begrenzt ist: CO2-Laser eignen sich für Bau- und Edelstahl bis 25 mm sowie Aluminium bis 15 mm Dicke. Beim Scheibenlaser sind die analogen Werte 27, 40 sowie 25 mm und beim Faserlaser 25, 30 sowie 15 mm.

Bei gleicher Blechdicke liefert der CO2-Laser glattere, gratärmere Schnitte als der Scheiben- und der Faserlaser. Allerdings können letztere auch Buntmetalle wie Kupfer und Messing bis 10 mm Dicke in guter Qualität trennen.

Per Wasserstrahlschneiden lassen sich unter anderem Metallwerkstoffe aller Art – auch nichtleitende – im Blechdickenbereich zwischen 1 und 150 mm verzug- und gratfrei trennen. Dies erfolgt mittels eines Hochdruckwasserstrahls, dem ein hartes, pulverförmiges Material – zum Beispiel Granatsand – als Abrasivmittel zugesetzt wird.

Das Verfahren liefert hohe Oberflächengüten und Bauteilgenauigkeiten von besser als 0,1 mm. Die Schnittkanten sind fast rechtwinklig. Es können filigrane Strukturen und dünne Stege von unter 1 mm Breite erzeugt werden. Mittels 3D-Technik lassen sich auch schräge Kanten mit einer Neigung bis 60° schneiden.

Neben der großen Materialvielfalt gehört zu den Vorteilen des Verfahrens, dass es auch bei harten oder gehärteten Werkstoffen weder Mikrorisse noch Gefügeveränderungen gibt, da beim Schneiden keine Querkräfte auftreten und keine Wärme eingebracht wird. „Zudem lassen sich auch Verbundwerkstoffe trennen, was mit anderen Verfahren meist nicht zufriedenstellend möglich ist“, betont Heinz Eichhorn, Vertriebsleiter beim Wasserstrahlspezialisten Flow. Da beim Schneiden keine Schadstoffe wie Staub, Rauch oder Dämpfe auftreten, sei das Verfahren sehr umweltfreundlich. „Das eingesetzte Wasser und Abrasivmaterial kann, von Ausnahmen abgesehen, ohne Probleme entsorgt werden.“

Nachteilig ist, dass der Wasserstrahl mit wachsender Schnitttiefe an Energie verliert und sich daher die Oberflächenqualität der Schnittkante in diesem Bereich verschlechtert. Zudem ist die Schneidgeschwindigkeit vergleichsweise niedrig. Sie liegt beispielsweise bei 20 mm dickem Bau- und Edelstahl bei etwa 400 mm/min. „Allerdings schneidet der Wasserstrahl selbst einen kritischen Werkstoff wie Inconel gleicher Dicke mit ähnlicher Geschwindigkeit“, merkt Heinz Eichhorn an. „Dies ist mit anderen Verfahren kaum möglich.“

In puncto Wirtschaftlichkeit sieht der Vertriebsleiter das Wasserstrahlschneiden bei Stahlwerkstoffen ab 12 mm und bei Aluminium ab 6 bis etwa 30 mm Materialdicke mit an vorderer Position. Die Betriebskosten sind mit rund 20 Euro/h vergleichsweise niedrig – beim Plasma- und Laserschneiden sind sie etwa doppelt so hoch. Die Schnittmeterkosten liegen bei 20 mm dickem Baustahl, Edelstahl und Inconel unter 2 Euro/m, und bei Aluminium sogar deutlich unter 1 Euro/m.

Hinsichtlich der Anschaffungskosten bewegen sich Wasserstrahlschneidanlagen im Mittelfeld: Leistungsfähige Systeme sind ab etwa 200 000 Euro erhältlich. Entsprechende Autogen- sowie Plasmaschneidanlagen kosten etwa ein Drittel bis die Hälfte weniger, vergleichbare Laserschneidanlagen um mindestens die Hälfte mehr, wobei Festkörperlaser in der Regel günstiger sind als vergleichbare CO2-Laser.

Dr. Bernhard Reichenbach, Freier Fachjournalist in Sandhausen