Wie berechnet man den Stickstoffbedarf für Laserschneidmaschinen?
Die Rolle von Stickstoff bei der Qualität des Laserschneidens
Oxidation verhindern: Warum Stickstoff beim Laserschneiden unverzichtbar ist
Bei Laserschneidvorgängen fungiert Stickstoff als Schutzschild gegen Oxidation, indem er Sauerstoff aus dem Schneidbereich verdrängt. Metalle wie Edelstahl und Aluminium neigen dazu, schlecht zu reagieren, wenn sie erhitzt werden, was zu unansehnlichen rauen Kanten und Verfärbungen führt. Die gute Nachricht ist, dass Stickstoff nicht mit diesen Materialien reagiert, da er chemisch inert ist. Somit erhält man saubere Schnitte, die frei von Oxiden sind. Ein Beispiel ist das Schneiden von Edelstahl – der Unterschied zwischen der Verwendung von Stickstoff und herkömmlichen sauerstoffunterstützten Techniken kann dazu führen, dass die Oberflächenrauheit um etwa 25 % sinkt. Dies ist gerade in Branchen von großer Bedeutung, in denen Teile sofort schweißbereit sein müssen oder bei denen das Erscheinungsbild eine Rolle spielt, beispielsweise bei Konsumgütern und architektonischen Komponenten.
Wie inertes Gas für saubere, hochwertige Schnitte in der Metallverarbeitung sorgt
Stickstoff leistet mehr als nur das Verhindern von Oxidation während des Schneidens. Er hilft auch dabei, den Bereich abzukühlen, in dem der Schnitt stattfindet. Dadurch wird eine Wärmeverformung reduziert und der Laserstrahl behält seine optimale Fokussierung. Das Ergebnis? Saubere Schnitte mit weniger Rückständen am Material, besonders bei dünnen Blechen unter etwa 10 Millimeter Stärke. Ein weiterer erwähnenswerter Vorteil ist die Funktion des Stickstoffs, Schmutzpartikel von der Bahn des Laserstrahls selbst zu entfernen. Diese Reinigungswirkung stellt sicher, dass der Strahl während des gesamten Prozesses stark und stabil bleibt. Für Betriebe, die mit engen Toleranzen arbeiten, ist dies besonders wichtig, da so die heutzutage oft erforderlichen äußerst engen Toleranzen von plus oder minus 0,1 mm eingehalten werden können.
Wichtige Parameter, die den Stickstoffdurchfluss und den Druck beeinflussen
Düseninnendurchmesser und Gasdurchfluss: Ihre Auswirkung auf die Schneideffizienz
Raysoar fasst eine Korrespondenztabelle für den Düsendurchmesser und Durchfluss basierend auf der Erzeugung von 99,99 % Stickstoff mittels der BCP-Serie Produkte zusammen:
| Düsen und Durchfluss-Korrespondenztabelle (Edelstahl) | |||
| Düsen-Typ | Stickstoffdurchflussrate (m³/h) | Schneidpressure (bar) | Stickstoffreinheit (%) |
| S1,0 | 10 | 12~16 | 99,99% |
| S1,5 | 20 | 12~16 | 99,99% |
| S2,0 | 28 | 12~16 | 99,99% |
| S3,0 | 40 | 12~16 | 99,99% |
| S4,0 | 60 | 9~12 | 99,99% |
| S5.0 | 90 | 9~12 | 99,99% |
| S6.0 | 120 | 9~12 | 99,99% |
| S7.0 | 150 | 9~12 | 99,99% |
| S8.0 | 150 | 9~12 | 99,99% |
Für das Schneiden von Baustahl oder Aluminiumlegierungen stellt Raysoar folgende Referenzen zur Verfügung:
| Düsen- und Durchflussraten-Tabelle (Kohlenstoffstahl/Aluminiumlegierung) | ||||
| Materialstärke | Düsen-Typ | Stickstoffdurchflussrate (m³/h) | Schneidpressure (bar) | Stickstoffreinheit (%) |
| 1 | D3.0C | 30 bis 45 | 8~11 | 96~99% |
| 2 | D3.0C | 30 bis 45 | 8~11 | 96~99% |
| 3 | D3.0C | 30 bis 45 | 8~11 | 96~99% |
| 4 | D3.0C | 35-50 | 9~12 | 96~99% |
| 5 | D3.0C | 35-50 | 9~12 | 96~99% |
| 6 | D3.0C | 35-50 | 9~12 | 96~99% |
| 8 | D3.0C | 35-50 | 9~12 | 96~99% |
| 10 | D3.0C | 35-50 | 9~12 | 94,5~96% |
| 12 | D4.0C | 50-70 | 9~12 | 94,5~96% |
| 14 | S5.0 | 65-80 | 8~11 | 94,5~96% |
| 16 | S5.0 | 65-80 | 8~11 | 94,5~96% |
| 20 | S6.0 | 70-90 | 5~9 | 92~94,5% |
| 25 | S7.0 | 85-100 | 5 ~ 8 | 92~94,5% |
| 30 | S7.0 | 85-100 | 5 ~ 8 | 92~94,5% |
| 35 | S8.0 | 100-110 | 5~6 | 88~92% |
| 40 | S10.0 | 110 bis 120 | 5~6 | 88~92% |
Ausgleich von Durchflussrate und Druck für eine gleichmäßige Laserschneidleistung
Ein 6-kW-Faserlaserschneider für 5 mm Edelstahl verdeutlicht diesen Ausgleich:
- Unterdruck (10 bar): 0,3 mm Kantenoxidation, 12% langsamere Vorschubgeschwindigkeit
- Optimiert (14 bar): Spiegelglänzende Kanten, 8,5 m/min Schneidgeschwindigkeit
- Überdruck (18 bar): 15 % Gasverlust, Düsenverschleiß verdreifacht sich
Druckregler in Echtzeit halten eine Abweichung von ±0,7 bar aufrecht und erhöhen den Materialausbeute um 9 % in Fertigungsumgebungen mit hoher Variantenvielfalt.
Ermittlung der Stickstoffreinheitsanforderungen für verschiedene Anwendungen
Die verschiedenen Materialien benötigen unterschiedliche Stickstoffreinheit. Für Edelstahl und Präzisionsmaschinen ist eine Reinheit von 99,99 % und höher erforderlich, um saubere und glänzende Schnitte zu gewährleisten. Für Baustahl und Aluminiumlegierungen hingegen wird eine geringere Reinheit von 90 % bis 98 % empfohlen, um eine bessere Gratfreiheit im Vergleich zum Schneiden mit Luft oder Sauerstoff sowie flüssigem Stickstoff zu erzielen. Durch den geringeren Stickstoffverbrauch und die Erzeugung des Zusatzgases vor Ort lassen sich die Produktionskosten um bis zu 70 % senken. Die FCP-Serie von Raysoar zeigt die Vorteile der Erzeugung von Mischgas für Anwendungen beim Schneiden von Baustahl / Baustahl / Aluminiumlegierungen.
Dimensionierung von vor Ort befindlichen Stickstoffanlagen für Laserschneidanwendungen
Abstimmung der Stickstofferzeugung auf den Bedarf der Lasermaschine
Die effektive Dimensionierung erfordert die Bewertung des maximalen Durchflusses (typischerweise 25–50 m³/h pro Laser), der erforderlichen Reinheit (≥99,995 % für empfindliche Legierungen) und der Nutzungsmuster. Moderne Vor-Ort-Systeme senken die Gas kosten um 50 –90 % im Vergleich zu flüssigem Stickstoff, wenn die Dimensionierung auf Basis der tatsächlichen Maschinenverbräuche erfolgt – abhängig von den Stromkosten sowie den Preisen für flüssigen Stickstoff oder Flaschengas in verschiedenen Regionen und Ländern.
Berücksichtigung der Anzahl der Lasermaschinen und der Laufmuster
Die Vor-Ort-Stickstofferzeugungssysteme von Raysoar bieten eine Mehrfachmaschinenbetriebsfunktion. Durch die Berechnung des Stickstoffverbrauchs wird das entsprechende Modell ausgewählt, was bedeutet, dass die Raysoar-Vor-Ort-Stickstoffgeneratoren gleichzeitig als Hilfsgas für 2–4 Maschinen vor Ort zur Verfügung stehen können.
Fallstudie: Berechnung des Stickstoffbedarfs für eine 2-Maschinen-Metallbearbeitungswerkstatt
Eine kleine Anlage ersetzte das Zylindergas durch den Betrieb eines BCP40 zum Schneiden von hauptsächlich rostfreiem Stahl:
- Echtzeitüberwachung des für 2 Maschinen benötigten Stickstoffflusses: 3-kW-Rohrschneiden und 4-kW-Flächenschneiden;
- Die Düse S2.0 ist für beide Maschinen gleichzeitig geeignet, da die Rohrschneidemaschine im Vergleich zum Flächenschneider weniger Stickstoff verbraucht.
- Beim Schneiden anderer Materialien wie unlegierten Stahls mit einer Dicke von 3 mm ist eine geringere Reinheit erforderlich, was bedeutet, dass der ausreichende Stickstofffluss durch den Wechsel in den Modus für Kohlenstoffstahl gewährleistet wird.
Frequently Asked Questions (FAQ)
Warum wird Stickstoff beim Laserschneiden verwendet?
Stickstoff wird beim Laserschneiden eingesetzt, um Oxidation und Verfärbung zu verhindern und saubere sowie hochwertige Schnitte an Metallen wie rostfreiem Stahl zu erzielen.
Wie wirkt sich Stickstoff auf die Qualität des Laserschneidens aus?
Stickstoff kühlt den Schneidbereich, reduziert Verzug und sorgt dafür, dass der Laserstrahl fokussiert bleibt, wodurch saubere Schnitte mit präziser Toleranz entstehen.
Welche Faktoren bestimmen den Stickstoffverbrauch beim Laserschneiden?
Die Materialart und -stärke, Düsendurchmesser und Düsengeometrie sind Schlüsselfaktoren, die den Stickstoffverbrauch beeinflussen.
Welche Stickstoffreinheit ist für das Laserschneiden erforderlich?
Üblicherweise wird eine Stickstoffreinheit von 99,99 % oder höher benötigt, um hochwertige, oxidationfreie Schnitte bei Edelstahl zu gewährleisten. Für Materialien wie Baustahl und Aluminiumlegierungen ist jedoch eine geringere Reinheit von 90–98 % ebenfalls geeignet. Tatsächlich hängt die für das Laserschneiden erforderliche Reinheit von den Schneidanforderungen des Kunden ab und stellt ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Effizienz dar.
