Digitale Zustandsüberwachung für Verschleißteile beim Plasmaschneiden – präzise, vorausschauend, automatisiert

Beim Plasmaschneiden sind Design und Zustand von Kathode und Düse entscheidend für eine wirtschaftliche Anwendung und eine hohe Qualität der Schneidprodukte.
Da diese Bauteile einer erheblichen thermischen Belastung ausgesetzt sind und der daraus resultierende Verschleiß von einer Vielzahl von Faktoren abhängig ist, war es bislang erforderlich, entweder den Verschleißzustand und die Schnittqualität dauerhaft durch einen Maschinenbediener überwachen zu lassen oder die verschleißenden Teile nach einer Mindestlebensdauer vorsorglich zu wechseln.

Beide Fälle stehen dem Ziel einer bedienerfreien Fertigung entgegen, wie sie in modernen digitalen Produktionsumgebungen angestrebt wird: Entweder ist der Prozess an die ständige Anwesenheit von Personal gebunden oder die mögliche Nutzungsdauer der Verschleißteile wird nicht vollständig ausgeschöpft.

Mit der neu entwickelten digitalen Zustandsüberwachung von Kathode und Düse bietet Kjellberg erstmals eine gezielte Lösung an.
In der Plasmastromquelle Q werden der Schneidstrom sowie insbesondere die Spannung zwischen Kathode und Düse bzw. Werkstück mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen. Die daraus entstehenden Zeitreihen werden in Echtzeit rechnergestützt analysiert.

Dabei erfolgt eine detaillierte Auswertung verschiedener Parameter – sowohl im Zeitbereich als auch im Phasenraum der Messsignale. Durch die Kombination mehrerer Merkmale lässt sich die Zuverlässigkeit der Zustandsbewertung deutlich steigern. Gleichzeitig werden differenzierte Aussagen zum aktuellen Zustand von Kathode und Düse ermöglicht.
Die Visualisierung für den Anwender erfolgt über ein Ampelsystem:

• Grün: Zustand der Verschleißteile ist in Ordnung
• Gelb: Schnittqualität beginnt nachzulassen
• Rot: Lebensdauerende erreicht – ein Wechsel wird dringend empfohlen

Außerdem wird der Schneidprozess rechtzeitig, sicher und kontrolliert gestoppt, wenn ein akut drohendes Ende der Lebensdauer der Kathode erkannt wird, um Schäden an der Maschine, weiteren Brennerbauteilen, dem Brennerkopf oder dem Werkstück zuverlässig zu vermeiden.

Die ermittelten Zustandsinformationen stehen sowohl dem Bediener als auch der Schneidanlage bzw. einer Roboterzelle zur Verfügung. In Kombination mit einem neu entwickelten pneumatischen Wechselsystem kann der Brennerkopf bei Bedarf automatisch gegen eine Einheit mit neuen Verschleißteilen ausgetauscht werden – vollständig automatisiert und ohne Bedienereingriff.

Plasmaschneidanwendungen profitieren in der Praxis durch:

• konstant hohe Schnittqualität ohne unerwartete Unterbrechungen
• deutlich erhöhte Anlagenverfügbarkeit bei gleichzeitig sinkenden Wartungskosten
• durchschnittlich bis zu 30% längere Nutzungsdauer von Kathode und Düse
• exakte Planbarkeit von Wartung und Instandhaltung auf Basis objektiver Daten
• Reduzierung der Bedieneraufmerksamkeit und Vorbereitung auf bedienerfreie Prozesse

In Kombination mit dem automatischen Brennerkopfwechselsystem ebnet die digitale Zustandsüberwachung den Weg in die automatisierte Fertigung – bis hin zur sogenannten "mannlosen" Schicht.