Ob dünne oder dicke Bleche, handwerkliche Einzelfertigung oder Massenproduktion – die Anforderungen beim Schneiden von Metall können stark variieren. Davon hängen auch eine Reihe von Nachfolgeprozessen ab. In der Industrie kommt es dabei sehr auf Effizienz an, weshalb handgeführte Schneidwerkzeuge wie die Blechschere praktisch keine Rolle spielen.
Metall schneiden bei Dickblech: Brennschneiden ohne Alternative
Ordnet man die Schneidverfahren nach der Dicke der Bleche, stößt man zunächst auf das autogene Brennschneiden. Eingesetzt wird das Verfahren bei un- und niedriglegierten Stählen mit mittleren bis großen Blechdicken. Beliebt ist es auch wegen seiner Wirtschaftlichkeit für Blechdicken ab 50 mm. Oberhalb von 250 mm Blechdicke gibt es derzeit keine Alternative, um das Metall zu schneiden.
Beim autogenen Brennschneiden erhitzt eine Flamme den Werkstoff an der Oberfläche, bis er seine Zündtemperatur erreicht hat (bei Baustahl zwischen 1150 und 1250 °C). Das Metall verbrennt durch die Zufuhr von Sauerstoff. Die Verbrennungswärme erhitzt wiederum den darunter liegenden Werkstoff bis auf Zündtemperatur. Damit kann sich der Prozess selbsttätig (autogen) in die Tiefe fortsetzen. Nicht verbranntes Eisenoxid wird flüssig und mit dem Schneidsauerstoff aus der Fuge geblasen. Es kann sich als Schlacke an der Unterseite des Werkstücks ablagern.
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Vom Spezialfall zum Schnellverfahren: Plasmaschneiden
Weil das autogene Brennschneiden bei Werkstoffen wie hochlegierten Stählen, Aluminium oder Kupfer schlecht bzw. nicht funktioniert, wurde das Plasma-Schmelzschneiden oder kurz Plasmaschneiden entwickelt. Das Verfahren erzeugt gleichsam ein Gewitter im Blech: In der Natur entsteht bei einem Gewitter Ozon (O3) als Plasmagas, indem sich ein Lichtbogen elektrisch entlädt. Das kann man als „reine Luft“ nach einem Gewitter riechen.
Beim Plasma handelt es sich um ein elektrisch leitfähiges Gas. Das Plasmaschneiden nutzt den Wärmeinhalt des Plasmas, um das Material an einer bestimmten Stelle zu verflüssigen. Die hohe kinetische Energie des Plasmagas-Volumenstroms bläst dann den verflüssigten Werkstoff aus.
Der Schnitt in Metall entsteht durch das Ausblasen der Schnittfuge und den Vorschub der Maschine. Die trennbaren Blechdicken liegen beim Plasmaschneiden etwa zwischen 0,5 und 160 mm. Dank seiner hohen Schneidgeschwindigkeiten hat sich das Verfahren inzwischen auch in Einsatzgebieten durchgesetzt, die zuvor dem Brennschneiden vorbehalten waren.
Metall in großen Mengen schneiden: Stanzen
Will man für das Metall schneiden dünnere Bleche nehmen, ist das Stanzen ein wichtiges Verfahren. Es dient zur Fertigung von flachen Teilen oder zum Einbringen von Formen und Konturen in ein Blech. Industriell gefertigt werden Stanzteile in einer Stanzmaschine mithilfe von Stanzwerkzeugen. Letztere bestehen aus zwei Teilen, dem Stempel und der Matrize, die eine zum Stempel passende Öffnung hat. Beim Stanzvorgang bewegt sich der Stempel linear und taucht in die Matrize ein. Die Kanten von Stempel und Matrize bewegen sich dabei parallel aneinander vorbei und trennen so das Blech.
In der Blechbearbeitung ist das Ergebnis des Stanzvorgangs kein durchgehender Schnitt, auch wenn es manchmal den Anschein hat. Vielmehr schneiden im oberen Bereich die Kräfte, mit denen der Stempel auf das Material drückt. Im unteren Bereich bricht das Material mit dem Austritt des Stempels aus dem Werkstoff.
Zwischen Stempel-Schneidkante und Schneidplattendurchbruch-Schneidkante muss ein Schneidspalt vorhanden sein. Seine Größe hängt von der Festigkeit und der Dicke des Werkstoffs ab. Üblicherweise erreicht der Schneidspalt 2 bis 5 % der Werkstoffdicke. Die Schneidspaltgröße beeinflusst dann verschiedene Faktoren, darunter die Grathöhe am Schnittteil.
Ein Sonderfall des Stanzens ist das so genannte Nibbeln (Englisch für knabbern). Dabei werden mit einem einseitig offenen Stanzwerkzeug viele Löcher an einer Blechkante aneinandergereiht. Im Gegensatz zum herkömmlichen Stanzen und Scheren ermöglicht es eine Trennfuge und eine freie Formgebung bzw. einen werkzeugunabhängigen Schnittverlauf. Das Werkzeug kann sich in alle Richtungen bewegen und somit auch komplexe Formen erzeugen.
Maximale Flexibilität mit dem Laserschneiden
Ein Vorteil des Stanzens liegt darin, dass man damit viele gleichartige Teile effizient herstellen kann. Bei kleineren Serien oder Einzelstücken wirken sich die Werkzeugkosten allerdings negativ aus. Deshalb hat sich hier das Laserschneiden in der Blechbearbeitung gut etabliert. Die dafür genutzten Laserstrahlen sind elektromagnetische Wellen. Der Laserstrahl kann fast jedes Material aufheizen und abtragen, was in der Physik als Ablation bezeichnet wird.
Genau betrachtet laufen beim Laserschneidverfahren zwei Vorgänge gleichzeitig ab: Erstens absorbiert der Werkstoff an der Schneidfront den Laserstrahl und erhitzt sich. Zweitens bläst das Blasgas den abgetragenen Werkstoff aus der Schnittfuge und schützt damit auch die Fokussieroptik vor Dämpfen und Spritzern. Je nachdem, ob der Werkstoff als Flüssigkeit, Oxidationsprodukt oder Dampf aus der Schnittfuge entfernt wird, unterscheidet man zwischen Laserstrahlschmelzschneiden, Laserstrahlbrennschneiden und Laserstrahlsublimierschneiden. Dies hat auch Folgen für die Entstehung von Graten. Beim Laserstrahlbrennschneiden sind zudem die Schnittkanten nach dem Prozess mit einer Oxidschicht behaftet, die entfernt werden muss.
Das Laserschneiden funktioniert mit Stahl bis zu einer Plattenstärke von etwa 40 mm, mit Edelstahl bis etwa 50 mm und mit Aluminium bis 25 mm. Letzterer Werkstoff ist allerdings schwer zu schneiden, weil er einen Großteil der Laserstrahlung reflektiert und weil die hohe Wärmeleitfähigkeit viel Energie vom Schneidspalt abführt. Das Gleiche gilt für Kupfer.
Doch Vorsicht: Für alle nachgelagerten Fertigungsprozesse in der blechverarbeitenden Industrie sind nahezu spannungsfreie Bleche von hoher Bedeutung. Doch beim Laserschneiden entstehen zwangsläufig Spannungen. Durch den Schneidstrahl entsteht genau dort viel Wärme, wo der Laser auf das Material trifft. Das sorgt für ein enormes Temperaturgefälle, was wiederum Spannungen auslöst. Für eine reibungslose Weiterverarbeitung empfiehlt es sich, Spannungen aus den Werkstücken zu entfernen.
Bei Blech eher seltener: Wasserstrahlschneiden und Fräsen
Eher in einer Nische der Blechbearbeitung ist das Wasserstrahlschneiden zu finden. Dabei nutzt man einen Wasserstrahl mit einem Druck von 4000 bar und einer Geschwindigkeit von 900 m/s, um das Metall zu schneiden.
Der Materialabtrag bei diesem Verfahren beruht auf dem hohen Druck, den der Strahl auf der Oberfläche des Werkstücks verursacht. Der Wasserstrahl trennt dabei ausschließlich oberflächennahe, mikroskopisch kleine Partikel ab. Das abfließende Wasser verursacht zusätzlich Scherkräfte, die ebenfalls zum Materialabtrag beitragen.
Der Vorteil des Wasserstrahlschneidens liegt darin, dass es nur auf Druck und nicht auf Wärmeenergie beruht. Die Wärme bei Verfahren wie dem Autogenschneiden, dem Plasmaschneiden oder dem Laserschneiden kann nämlich die Werkstücke verziehen.
Ein weiteres Verfahren zum Metall schneiden, das in der Blechbearbeitung eher selten ist, ist das Fräsen. Das Fräswerkzeug entfernt das Material, indem es sich mit hoher Geschwindigkeit um seine eigene Achse dreht. Dabei fährt entweder das Werkzeug die gewünschte Kontur ab oder das Werkstück wird bewegt. In dem Prozess trägt das Fräswerkzeug Späne vom Rohteil ab, um die Form herzustellen.
So häufig das Fräsen in der industriellen Fertigung auch ist – in der Blechbearbeitung ist es zur Herstellung der Kontur eher die Ausnahme. Lediglich im Flugzeugbau und der Medizintechnik sowie teilweise bei der Herstellung von Aluminium-Frontplatten ist es zu finden.
Wie bei allen spanabhebenden Verfahren entstehen auch beim Fräsen Grate, die entfernt werden müssen.
