Laserschneiden vs. Plasmaschneiden: Eine ausführliche Anleitung

Obwohl sowohl Plasma als auch Laser Hitze zum Schneiden (oder Formen) des Metalls benötigen, ist die Entscheidung über Laserschneiden vs. Plasmaschneiden in Fertigungsprojekten ist eine analytische Aufgabe. Diese thermischen Schneidverfahren haben unterschiedliche Fähigkeiten und Bearbeitungspräferenzen. Die richtige Wahl hängt davon ab, welches Verfahren Ihren Schneidanforderungen gerecht wird, einschließlich Materialverträglichkeit, gewünschter Genauigkeit, Geschwindigkeit und Budgetbeschränkungen.

Dieser Artikel bietet einen vergleichenden Überblick über Plasma- und Laserschneidverfahren mit ihren Vor- und Nachteilen sowie einem direkten Vergleich, um Ihnen die Entscheidungsfindung zu erleichtern.

Was ist Laserschneiden?

Laserschneiden ist ein berührungsloses Schneidverfahren, das verschiedene Materialplatten durchschneidet. Ein konzentrierter Laserstrahl schmilzt und verdampft das Material präzise, ​​um komplexe Konturschnitte zu erzielen. Die Geschichte der Laserschneidmaschinen geht zurück auf 1964 als ein Industrieunternehmen es erstmals zum Bohren der Matrizenwerkzeuge verwendete. 

Im Laufe der Zeit haben sich Laserschneidmaschinen kontinuierlich weiterentwickelt und heute gibt es fortschrittliche CNC-Laserschneider. Die CNC-Integration ermöglicht eine präzise Bewegung des Laserkopfes durch G- und M-Codes mit Toleranzen von bis zu ±0.003 mm.

Wie funktioniert Laserschneiden? 

Der Laserschneidvorgang wird von einem komplexen Lasersystem mit mehreren Komponenten ausgeführt. Dazu gehört alles von der Erzeugung des Lasers bis zur Steuerung des Strahls entlang eines vordefinierten Schneidpfads. 

Der Prozess beginnt mit der Lasererzeugung, bei der eine elektrische Versorgung (Funke) die Atome auf einem Lasermedium wie CO₂ und Glasfaser beschleunigt. Dieses Phänomen erzeugt einen hochkonzentrierten Strahl, der verstärkt und mithilfe von Spiegeln auf den Schneidbereich gerichtet wird. Anschließend bündelt die Reihe der Fokussierlinsen das Licht zu einem intensiven Punkt und erhöht so die Energiedichte beim Durchgang durch die Düse.  

Darüber hinaus ermöglicht ein Laserschneidbrenner oder Fokussierkopf die durch CNC-Programme gesteuerte Bewegung des Düsenkopfes entlang einer vorgegebenen Bahn. Der fokussierte Laser bewirkt die lokale Erwärmung und schmilzt das Material, während ein Gasstrom das erodierte Material wegbläst.

Arten von Laserschneidern 

In der Fertigung werden hauptsächlich drei Arten von Laserschneidern eingesetzt, die jeweils durch das Medium definiert sind, das zur Erzeugung des Laserstrahls verwendet wird: CO₂, Glasfaser und Nd:YAG-Kristall. Diese Lasermedien haben unterschiedliche Wellenlängen von 10.6 µm, 1.06 µm bzw. 1.06 µm. Die Wellenlängenvariation beeinflusst, wie gut der Laser mit verschiedenen Materialien interagiert. Beispielsweise absorbieren einige Materialien bestimmte Wellenlängen besser als andere.

• CO₂-Laserschneider: Es verwendet ein CO₂-Gasgemisch zur Erzeugung eines konzentrierten Laserstrahls, der insbesondere für nichtmetallische Platten wie Thermoplaste und Holz verwendet wird. 
• Faserlaserschneider: Ein Glasfaserkabel verstärkt das Licht und erzeugt den Laser. Es schneidet am besten mit metallischen Werkstücken. 
• Nd: YAG: Als Lasermedium für diese Lasertypen werden Kristalle aus Neodym-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat verwendet.

Was ist Plasmaschneiden?

Plasmaschneiden ist der Prozess des Spaltens von Metallblechen durch einen heißen Strom ionisierter Gase. Ein elektrischer Funke erhitzt komprimierte Gase (Luft, Wasserstoff oder Argon) stark und regt die Atome zur Bewegung an. Dann bewirkt die kontinuierliche Kollision der Moleküle ihre Trennung von den Gasen, ein sogenanntes Plasma, das mehr als 20000 °C heiß ist.

In der industriellen Fertigung führt eine CNC-Plasmaschneidmaschine den Plasmastrahl, um komplizierte Schnitte zu machen, die das Material präzise erhitzen, schmelzen und abtragen. Sie können Metalle mit einer Dicke von bis zu 1.5 Zoll schneiden, im Vergleich zu Plasma- und Laserschneidern sogar mehr.

Wie funktioniert Plasmaschneiden?

Plasmabrenner sind das Schlüsselgerät für diesen Prozess. Sie bestehen aus mehreren Komponenten, darunter einer Elektrode, einer Gaszufuhr, einer Düse und einem Schutzgas. Die Elektrode erzeugt einen Lichtbogen in einem Druckgas (Luft oder Inertgase), dann richtet die Düse den gebildeten Plasmastrahl auf das Werkstück. 

Wenn der Plasmastrahl mit der Arbeitsfläche in Kontakt kommt, entsteht eine lokale Erwärmung und das Material schmilzt. Gleichzeitig spült der Hochgeschwindigkeitsstrahl das geschmolzene Material aus dem Schnitt. 

Arten von Plasmaschneidern

Die Plasmaschneidsysteme können mit verschiedenen Schneidetypen ausgestattet sein, die auf dem Tisch arbeiten. Luft-, Sauerstoff-, HD- und CNC-Plasmaschneider sind einige gängige Beispiele. 

• Luftplasmaschneider: Dabei wird Luft als Lasermedium verwendet und es eignet sich am besten für kleine Teile oder geringe Stückzahlen.
• Sauerstoff-Plasmaschneider: Das durch die Ionisierung von Sauerstoffmolekülen entstehende Plasma ermöglicht wesentlich mehr Präzision und komplexere Schneidfähigkeiten als Luft.
• CNC-Plasmaschneider: Die CNC-Steuerung des Schneidpfads ermöglicht präzise und gleichmäßige Schnitte. Die meisten Branchen verwenden diese Art von automatischem Plasmaschneider für qualitativ hochwertige Ergebnisse.

Hauptunterschiede zwischen Laserschneiden und Plasmaschneiden

Die wichtigsten Aspekte zur Diskussion der Unterschiede zwischen Laserschneiden und Plasmaschneiden sind Stromquelle, Materialverträglichkeit, Geschwindigkeit, Dicke und Kosten. 

Schnittpräzision und Genauigkeit 

Einer der Hauptunterschiede zwischen Laserschneiden und Plasmaschneiden ist die Genauigkeit. Der Laserstrahl ist konzentrierter als der Plasmastrahl, was eine genaue Positionierung in engen Bereichen ermöglicht. Er kann gleichmäßige Konturen mit engen Toleranzen und sauberen Kanten ohne Grate schneiden. Plasma hingegen ist weniger genau und erzeugt auch mehr Schnittfugen. Beim Laserschneiden können Sie Toleranzen bis zu ±0.030 mm erreichen, während sie beim Plasmaschneiden ±0.1 mm betragen. 

Geschwindigkeit und Effizienz

Der Vergleich der Schnittgeschwindigkeiten von Plasma- und Laserschneidern hängt von der Dicke ab. Bei dünneren Blechen (< 1.25 mm) ist der Laser fast doppelt so schnell wie der Plasmaschneider, während der Plasmaschneider beim Schneiden dickerer Bleche hervorragend geeignet ist. Folglich variiert die Geschwindigkeit auch je nach Leistung der Quelle und der Art des zu schneidenden Materials. Beispielsweise kann ein 200-W-Laser 3 mm dicken Weichstahl mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 m/min schneiden.  

Darüber hinaus sind Lasermaschinen energieeffizient und verbrauchen weniger Energie als Plasmamaschinen. 

Materialien

Die Laserschneidsysteme sind mit verschiedenen Materialarten kompatibel, darunter Stahl, Aluminium, Kupfer, Acryl, Duroplaste, Gummi und Holz. Plasma funktioniert dagegen nur mit leitfähigen Metallen. Der Plasmalichtbogen benötigt einen Stromkreis, durch den er fließen kann. Dieser wird geschlossen, wenn das leitfähige Material als „Erde“ im Stromkreis fungiert. 

Obwohl für Laser eine große Auswahl an Materialien zur Verfügung steht, bergen einige davon das Risiko von Betriebs- und Umweltgefahren. PVC erzeugt beispielsweise giftige Dämpfe. Darüber hinaus wirkt sich auch der verwendete Lasertyp auf die Materialverträglichkeit aus.

Oberflächenfinish 

Die lasergeschnittenen Metalloberflächen sind glatt und gratfrei, selbst bei schmalen Schnitten und komplizierten Designs. Auch die Kanten sind scharf und sauber. Daher sind keine oder nur minimale Nachbearbeitungsanforderungen für den Schnitt erforderlich. Andererseits hinterlässt Plasma Schlacke und rauere Kanten mit Graten, die Schleifen, Perlenstrahlen und andere Nachbearbeitungsschritte erfordern.

Darüber hinaus beeinflussen Materialart, Dicke und Lasertyp den genauen Rauheitswert (Ra), der typischerweise zwischen 0.8 und 6 µm liegt. Das Plasma kann in manchen Fällen Schnitte mit einer besseren Oberflächengüte erzeugen als ein Faserlaser. 

Kosten und Betriebsausgaben

CNC-Plasmaschneider sind kostengünstig zu installieren und kosten 10,000 bis 100,000 US-Dollar. Im Gegensatz dazu sind Laser aufgrund ihrer komplexen Einrichtung und der fortschrittlichen Ausrüstung teuer und kosten 50,000 bis 500,000 US-Dollar. Folglich sind auch die Betriebskosten für Lasersysteme etwas höher als für Plasmasysteme. 

„Die Gesamtkosten des Laser- oder Plasmaschneidens für Ihr Projekt hängen von der Komplexität des Designs, der gewünschten Präzision und der Marktwettbewerbsfähigkeit ab. In China liegen sie bei 15 bis 20 US-Dollar pro Stunde, also deutlich niedriger als in den USA und Europa.“ 

Schnittstärke 

Wenn wir die Dickenfähigkeiten von Laserschneiden und Plasmaschneiden vergleichen, ist der Plasmastrahl bei dickerem Material bis zu 50 mm sehr effektiv. Der Laser hingegen ist auf 25 mm begrenzt. Darüber hinaus hängt die Dicke auch davon ab, welches Material Sie schneiden.

Anwendungen 

Plasmaschneiden ist in der Schwerindustrie wie dem Schiffbau und der Baubranche aufgrund seiner Geschwindigkeit und Dicke beliebt. Beispiele hierfür sind Strukturträger, Bootsteile, landwirtschaftliche Maschinen, Öl- und Gaskomponenten usw. 

 Laserschneiden wird in Bereichen, in denen hohe Präzision gefragt ist, häufig eingesetzt, beispielsweise in der Elektronik-, Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Schmuckindustrie, beispielsweise bei Mikrokomponenten in Chips, Karosserieteilen, Flugzeugrümpfen usw.

Vor- und Nachteile des Laserschneidens 

Im Folgenden sind die wichtigsten Vor- und Nachteile des Laserschneidens aufgeführt: 

Vorteile des Laserschneidens 

• Automatisierung und Genauigkeit: CNC-Laser fertigt komplizierte Designs mit kleinen Details und hält dabei enge Toleranzen ein. Dies ist durch die digitale Steuerung des Prägens mit G- und M-Codes auf dem richtigen Weg möglich. 
• Saubere und gratfreie Schnitte: Lasergeschnittene Ecken und Kanten sind sauber und scharf. 
• Materialvielfalt: Es kann Metall, Kunststoffe, Stoffe, Verbundwerkstoffe und viele andere Materialien schneiden.
• Geschwindigkeit und Effizienz: Bei Designänderungen ist keine Umrüstung oder Anpassung erforderlich. Außerdem produzieren Laser weniger Materialabfall, verbrauchen weniger Strom und bieten eine gute Geschwindigkeit.
• Keine Kaltverfestigung: Durch das scherfreie Schneiden wird die Gefahr einer Kaltverfestigung im Schnittbereich eliminiert. 

Nachteile des Laserschneidens 

• Dickenbegrenzung: Mit dem Laserschneidverfahren können selbst Hochleistungsmaschinen keine Bleche mit einer Dicke von mehr als 25 bis 30 mm schneiden.
• Herausforderung für reflektierende Metalle: Materialien mit reflektierenden Oberflächen wie Kupfer, Messing und Silber sind schwer zu schneiden, da ihre Oberfläche den Strahl teilweise reflektiert.
• Hohe Kosten: Da sowohl die Einrichtungs- als auch die Betriebskosten höher sind als bei anderen Schneideverfahren, ist es möglicherweise für Projekte ungeeignet, bei denen hohe Genauigkeit und glatte Oberflächen für die Leistung nicht erforderlich sind.

Vor- und Nachteile des Plasmaschneidens

Im Folgenden sind die wichtigsten Vor- und Nachteile des Plasmaschneidens aufgeführt: 

Vorteile des Plasmaschneidens 

• Schneiden dickerer Materialien: Der CNC-gesteuerte Plasmabrenner ermöglicht ein schnelleres und effizienteres Schneiden von dicken Materialien, bei einigen Materialien bis zu 150 mm. 
• Kosten-Nutzen:  Plasmaschneiden ist für einfache und schwere Arbeiten kostengünstig. 
• Betriebssicherheit: Es handelt sich hierbei nicht um einen Schneidmechanismus auf Sauerstoffbasis, sondern es wird Inertgas verwendet, um im Inneren des Brenners einen Plasmastrahl zu erzeugen und so höchste Sicherheit zu gewährleisten. 
• Schneiden reflektierender Metalle: Im Gegensatz zum Laser funktioniert es sehr gut mit Metallen mit reflektierenden Oberflächen wie Silber. 

Nachteile des Plasmaschneidens 

• Nur leitfähige Metalle: Es ist nur mit elektrisch leitfähigen Materialien, Metallen und Legierungen kompatibel.  
• Risiko thermischer Schäden: Bei einem Vergleich zwischen Laserschneiden und Plasmaschneiden entsteht beim Plasmaschneiden eine große Wärmeeinflusszone, die die ursprünglichen thermischen Eigenschaften des Arbeitsmaterials beeinträchtigen kann. 
• Schlechte Oberflächenbeschaffenheit: Der Plasmastrahl hinterlässt Grate und Schnitte und führt so zu gröberen Metallschnitten. 

Auswahl der richtigen Schneidemethode für Ihr Projekt

Bei der Entscheidung für Plasma- oder Laserschneider für Ihr Projekt müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, von der Komplexität des Designs bis hin zu Budgetbeschränkungen. Darüber hinaus bestimmen Ihr Arbeitsmaterial und Ihre Endanforderungen die Auswahl.

Im Folgenden finden Sie vier Hauptüberlegungen zur Auswahl der richtigen Methode:

Arbeitsmaterial

Welche Art von Blech oder Werkstück möchten Sie schneiden? Ist es leitfähig oder nicht leitfähig? Wenn es nicht leitfähig ist, ist Plasma nicht kompatibel. Wählen Sie direkt den Laser. Auch wenn Sie sich beim Laser sicher sind, prüfen Sie die Kompatibilität Ihres Materials mit dem verfügbaren Lasertyp (CO2, Faser und Kristall).

Dicke und Größe

Wenn Ihr Entwurf dickere Abschnitte von mehr als 30 mm aufweist, wählen Sie Plasmaschneiden. Andernfalls überprüfen Sie die Geschwindigkeit beider Techniken für die angegebene Dicke. Kleine Teile, die kleine wärmebeeinflusste Bereiche bilden, eignen sich zum Laserschneiden.

Gewünschte Genauigkeit und Budget

Bei engeren Toleranzen steigen die Kosten oft erheblich, also optimieren Sie sie hinsichtlich der Kosten. Prüfen Sie dann, was eher in Ihr Budget passt, ohne die gewünschte Genauigkeit und Präzision zu beeinträchtigen. 

Design 

Die komplexen und präzisen Schnitte sind nur mit CNC-Laserschneidmaschinen möglich. Sie sind die richtige Wahl für Designs mit Mikroprofilen, scharfen Ecken, kleinen Radien (<1 mm), Gravuren usw. 

Wann sollte Laserschneiden und wann Plasmaschneiden verwendet werden?

In der folgenden Tabelle sind die Szenarien aufgeführt, in denen Laser- und Plasmaschneiden für Ihr Projekt die beste Wahl sind. 

Schlussfolgerung 

Obwohl sich Laserschneiden und Plasmaschneiden in vielerlei Hinsicht unterscheiden, sind beide Verfahren bei Metallbearbeitungsprojekten wertvoll. Darüber hinaus hängt die Wahl von den spezifischen Anforderungen Ihres Projekts ab, einschließlich Materialart, gewünschter Präzision und Budget. Sie können die erwarteten Ergebnisse jeder Methode und die entsprechenden Kosten analysieren. 

Wenn Sie sich immer noch nicht sicher sind, welche Sie wählen sollen, wenden Sie sich an Branchenexperten. RapidDirect bieten wir nicht nur professionelle CNC-Laser und Plasmaschneiddienste, aber unsere Ingenieure beraten auch zur Designoptimierung, Kostenanalyse und den vergleichenden Vorteilen der einzelnen Methoden, bevor sie mit der Produktionsphase beginnen.

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