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Werkstofftechnik 2

Trennverfahren

Unter dem Begriff Trennen sind alle technischen Verfahren erfasst, die den Zusammenhalt eines Werkstücks örtlich aufheben. Dabei wird mindestens ein kleiner Teil des Werkstücks endgültig vom restlichen Teil getrennt. Die Verfahren zur Erreichung dieses Zustandes unterscheiden sich stark voneinander. 

Mechanische Trennverfahren

Zu den rein mechanischen Trennverfahren zählen:

  • Scherschneiden,
  • Messerschneiden,
  • Beißschneiden, 
  • Brechen,
  • Reißen,
  • Spalten
Trennschneider für Bleche
Trennschneider für Bleche

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Weniger häufig erwähnt, aber dennoch zugehörig, sind Vorgänge wie das Abgraten, Ränderbeschneiden oder das Lochen.  

Thermische Trennverfahren

Zu den thermischen Trennverfahren zählen:

  • Sublimierschneiden
  • Schmelzschneiden
  • Brennschneiden

Thermisches Schneiden einer Bramme im Stahlwerk:

Thermisches Schneiden
Thermisches Schneiden

Sublimierschneiden

Gerade bei den thermischen Trennverfahren ist ein hoher Energieverbrauch zu registrieren, denn die Wärmequelle muss eine derart hohe Energiedichte besitzen, dass das Material des Werkstücks an der entsprechenden fokussierten Stelle verdampft. Diese Verfahrensart bei dem ein Laserstrahl zum Einsatz kommt bezeichnet man als Sublimierschneiden.

Schmelzschneiden

Das Schmelzschneiden hingegen führt die Trennung eines Werkstoffs in zwei Teilschritten durch. Im ersten Schritt wird das Material lokal aufgeschmolzen um dann im zweiten Schritt als Schmelze von einem scharfen Gasstrahl ausgeschleudert zu werden. Die gängigsten Typen des Schmelzschneidens sind das Laserschmelzschneiden und das noch bekanntere Plasmaschneiden.

Brennschneiden

Das letzte thermische Trennverfahren stellt das Brennschneiden dar. Hier erfolgt die Trennung auch in zwei Teilschritten. Zuerst wird das Material örtlich auf Entzündungstemperatur vorgewärmt um dann anschließend im zweiten Schritt mit einem scharfen Sauerstoffstrahl verbrannt zu werden. Neben der exothermen Verbrennung sorgt der Sauerstoffstrahl auch für eine Entfernung des flüssigen Oxids aus der Trennfuge. 

Verfahrensauswahl

Dennoch sind auch die thermischen Trennverfahren an Bedingungen geknüpft, die ihre erfolgreiche Durchführung gewährleisten. So ist ein thermischer Trennvorgang mit einer Brenngasflamme nur dann möglich, wenn das metallische Material eine Zündtemperatur und einen Schmelzpunkt des Oxids unterhalb des Schmelzpunkt des metallischen Materials besitzt. Eisen: $ T_{s,Fe} = 1538 °C > T_{s,FeO} = 1370 °C > T_{zünd,T} = 1150 °C $

Merke

Hier klicken zum Ausklappen An der Tatsache, dass lediglich Eisen [unlegierter und niedriglegierter Stahl] diese Eigenschaft besitzt, lässt sich erahnen, wie schnell thermische Trennverfahren aufgrund notwendiger, aber nicht vorhandener physikalischer Eigenschaften des Werkstücks aussortiert werden müssen. 

Obwohl gerade dieses autogene Brennschneiden in seiner Einsetzbarkeit stark eingeschränkt ist, gehört es trotzdessen zu den ökonomischsten aller Trennverfahren. Das mag daran liegen, dass mit der Schneidflamme auch Materialdicken von mehr als 10 cm problemlos geschnitten werden können. 

Um diesen Schmelzschneidevorgang auch bei hochlegierten Stählen, sowie Aluminium- und Kuperferwerkstoffen möglichst sauber durchzuführen, wird notwendigerweise ein Plasmastrahl eingesetzt. 

Ein Laserstrahl kommt immer dann zur Anwendung, wenn eine hohe Leistungsdichte und Schneidgeschwindigkeit erforderlich ist und gleichzeitig maßgenaue Schnitte eingehalten werden müssen.  

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Von allen thermischen Trennverfahren dominiert derzeit das Laserbrennschneiden mit Sauerstoffstrahl.

Besondere Trennverfahren

Ein Verfahren, welches ohne großartige Wärmeentwicklungen auskommt ist das Trennen mit einem Hochdruckwasserstrahl. Vorzugsweise werden hier thermisch empfindliche Materialien getrennt. Der Wasserstrahl wird hierbei auf einen Durchmesser von 1 mm komprimiert und erlaubt das Trennen von beinahe jedem Werkstoffs. 

Weitere Vorteile des Trennens mit Hilfe eines Hochdruckwasserstrahls sind:

  • keine thermischen Gefügeänderungen,
  • keine Rissbildungen,
  • keine Eigenspannungen oder thermischen Zersetzungen,
  • kein Werkzeugverschleiß auch bei harten Werkstoffen

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Bei harten Werkstoffen wie gehärtetem Stahl, werden dem Hochdruckwasserstrahl zusätzlich keramische Schneidemittel wie $ SiO_2 $ oder $ Al_2O_2 $ zugemischt.