Laserschneiden | Infos zur Lasertechnik

Laserschneiden Historie

Die Idee des Lasers geht bereits auf Albert Einstein zurück. Es dauerte aber bis in die 1960er Jahre, bis aus der Idee Realität wurde. Seitdem ist der Laser in vielen Bereichen der Technik und auch der Wissenschaft unverzichtbar geworden. Die Abkürzung Laser steht für: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation („Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“). Seine Eigenschaften eignen sich für verschiedene Fertigungsverfahren. Lasertechnologien, die in den verschiedensten Bereichen der Fertigung Einzug gehalten haben, sind zum Beispiel: das Laserschneiden und das Laserschweißen, das Laserbeschichten, das Laserhärten, das Reinigen von Oberflächen mithilfe von Laserstrahlen, das Laserlöten und noch vieles mehr. Die Laserschneidtechnologie ist ein oftmals eingesetzter Schneidprozess und zählt mit dem autogenen Brennschneiden, dem Plasmaschneiden und dem Wasserstrahlschneiden zu den vier maßgeblichen Schneidverfahren innerhalb der Metallverarbeitung oder beim Zuschnitt weiterer Werkstoffe. Das Laserschneiden wird in drei verschiedene Varianten unterteilt: Laserstrahlschmelzschneiden, Laserstrahlbrennschneiden und Laserstrahlsublimierschneiden und wird vor allem dort verwendet, wo beispielsweise Metall und Stahl in relativ dünnen Materialstärken mit höchster Präzision und größtmöglicher Bearbeitungsgeschwindigkeit geschnitten werden müssen. Neben den unterschiedlichsten Metallen können aber auch zusätzliche unterschiedliche Materialien wie z.B. Holz oder Kunststoff mit dieser Technologie und mit hoher Schneidgeschwindigkeit bearbeitet werden.

Vergleich Festkörperlaser und CO2-Laser

Es gibt verschiedene Arten von Hochleistungslasern, die beim Laserstrahlschneiden zum Einsatz kommen. Am häufigsten genutzt werden der CO2-Laser (Gaslaser) und der Faserlaser (Festkörperlaser). Der CO2-Laser war bis vor wenigen Jahren die am Meisten verwendete Laserstrahlquelle innerhalb des Laserschneidens und wurde viele Jahrzehnte erfolgreich eingesetzt. Mehr und mehr abgelöst wird der Gaslaser seit einigen Jahren durch den Faserlaser. Diese spezielle Form des Festkörperlasers überzeugt vor allem durch eine im Vergleich zum bekannten Schneidsystem hohe Wirtschaftlichkeit bei gleichbleibend guten Schneidergebnissen.

Faserlaser haben im Vergleich zu CO2-Lasern (Kohlenstoffdioxidlaser) deutlich geringere Betriebs- und Wartungskosten. Dank modernster und ausgefeilter Technologien sind sie auch hinsichtlich Präzision bei unterschiedlichen Blechstärken verschiedenster Werkstücke mindestens ebenbürtig zum bisher bekannteren CO2-Laser. Im Vergleich zu den CO2-Lasern punkten Festkörper-Faserlaser mit einer Reihe von Stärken – allen voran mit dem Kostenfaktor und der einfacheren Strahlführung innerhalb der Bearbeitungsmaschine. Dank dieser Eigenschaften hat sich der Faserlaser von einer attraktiven Alternative zum dominierenden Laser im Laserschneidmarkt entwickelt.
 

CO2-Laser

Die CO2-Laser zählen zur Gruppe der Gaslaser und werden auch Kohlendioxidlaser oder Kohlenstoffdioxidlaser genannt. Sie basieren auf einem Kohlendioxid-Gasgemisch (N₂, He und CO₂), welches elektrisch angeregt wird. CO2-Laser punkten mit einer sehr guten Schnittqualität und werden vorwiegend bei metallischem Werkstoff (Stahl, Aluminium, Edelstahl) aber auch bei nichtmetallischen Werkstoffen wie Holz, Textilien, Kunststoffe, Folien, Acryl, Glas, Papier und Leder eingesetzt. Der CO2-Laser ist ein seit Jahrzehnten bewährter Lasertyp, der bei unterschiedlichsten Materialdicken hohe Qualität ermöglicht. Nachteil ist der zum Faserlaser vergleichsweise hohe Einsatz für Betriebs- und Wartungskosten sowie die Kosten für die benötigten Lasergase. Der Wirkungsgrad liegt bei rund 10 Prozent.
 

Faserlaser

Der Faserlaser, der eine spezielle Form des Festkörperlasers darstellt, ist mittlerweile der dominierende Laser auf dem Laserschneidmarkt. Er punktet mit hoher Wirtschaftlichkeit, geringen Betriebskosten und langer Lebensdauer der für den Laserprozess notwendigen Komponenten. Dank einer zehnfach kürzeren Strahlwellenlänge im Gegensatz zum CO2-Laser eignet sich der Faserlaser auch zum Durchtrennen von ansonsten für den CO2-Laser schwer oder gar nicht schneidbare Werkstoffe, insbesondere von Nichteisen-Metallen (NE-Metalle wie z.B. Kupfer und Messing). Die Laserquellen sind dabei höchst effektiv und verbrauchen bei gleicher Leistung deutlich weniger Eingangsstrom. Der sogenannte Steckdosenwirkungsgrad beträgt beim Faserlaser circa 40 Prozent.
 

Nd:YAG-Laser

Nd:YAG-Laser zählen wie die Faserlaser zu den Festkörperlasern und sind auch unter den Bezeichnungen Kristalllaser oder Vanadat-Laser bekannt. Nd:YAG-Laser ist die Abkürzung für Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser. Als Wirtskristall wird ein YAG-Kristall eingesetzt. Diese Technologie wird weniger beim Laserstrahlschneiden verwendet, sondern vielmehr bei der Gravur, beim Schweißen und bei Mikrobohrungen. Metalle, Metalle mit Beschichtung und Kunststoffe werden mit diesem Festkörperlaser bearbeitet. Im Gegensatz zum Faserlaser hat diese Technik allerdings einen hohen Verschleiß an Pumpdioden bzw. Pumplampen. Zudem ist die Lebensdauer des Neodym-dotierten YAG-Kristalls im Gegensatz zum Faserlaser geringer.

Bestandteile eines Lasers

Ein Laser besteht aus drei grundlegenden Teilen:

• Energiequelle
• Lasermedium
• Resonator

Die Energiequelle, auch als Pumpe oder Pumpquelle bezeichnet, hat die Aufgabe Energie in das System zu "pumpen". Dadurch wird eine Besetzungsinversion erzeugt. Die Quelle kann elektrisch, aber auch Lichteinstrahlung, Wärme oder sogar ein anderer Laser sein. Es muss genügend Energie in das Lasermedium übertragen werden, um eine Besetzungsinversion zu erreichen – das bedeutet, dass die Anzahl der Teilchen im angeregten Zustand höher sein muss als die Anzahl der Teilchen im Grundzustand. Das Licht des Lasers entsteht durch spontane Emission im angeregten Lasermedium und wird durch stimulierte Emission verstärkt. Der Resonator besteht zumeist aus zwei gekrümmten Spiegeln, von denen einer teilweise transparent ist. Strahlung, die aus der spontanen Emission stammt und die richtige Wellenlänge, Phase und Richtung hat, wird zwischen ihnen hin- und her reflektiert. Ein Teil der Strahlung entweicht als Laserstrahl durch den teildurchlässigen Spiegel und der andere Teil wird zur weiteren Verstärkung zurückreflektiert.

Schematische Darstellung vom Laserschneiden

Lasertechnik

Beim CNC-Laserschneiden wird der Laserstrahl mit Hilfe optischer Elemente, die sich innerhalb eines Schneidkopfs befinden, fokussiert. Der Laserstrahl wird an der Schneidfront absorbiert und erzeugt dort eine Schmelze und / oder Metalldampf, der unmittelbar nach seiner Entstehung mittels eines Gasstroms nach unten ausgeblasen wird. Für den Laserzuschnitt ist zumeist ein Prozessgas notwendig. Je nach Schneidverfahren kommen dabei als Schneidgas Sauerstoff, Stickstoff oder Luft zum Einsatz. Zurück bleibt ein Schnittspalt (auch Schneidspalt genannt), der je nach eingesetztem Laserschneidverfahren, Materialdicke und je nach Auslegung des optischen Systems unterschiedliche Breiten annehmen kann. Übliche Werte liegen hierbei zwischen 0,1 und 2 mm.

Mit Laser bearbeitete Bauteile

Schnittmuster für eine 2D-Kontur mit präzisem Laserschneidkopf Schnittmuster für eine filigrane Kontur mit 2D-Laserschneidkopf 3D-Laserbearbeitung mit dem Laserrotator von MicroStep Profilbearbeitung mit Lasertechnologie



 

Vor- und Nachteile des Faserlasers

Der entscheidende Vorteil der Faserlaser liegt auf der Hand: Mit diesem Festkörperlaser können über die Hälfte der Kosten für Betrieb und Wartung der CNC-Laserschneidanlage eingespart werden. Diese Tatsache ist natürlich maßgeblich für die steigende Popularität dieser Technologie. Nicht nur, dass bei dieser Technik keine Gase für Strahlgänge und Strahlerzeugung (bei schnellgeströmten Systemen) notwendig sind, auch die Laserqellen sind höchst effektiv: die Nennleistung eines 4 kW-Faserlasers (mit einer Kühlvorrichtung) liegt etwa bei 14 kW im Vergleich zu 57 kW Laserleistung für einen 4 kW-CO2-Laser. Auch etliche Wartungskosten eines Kohlenstoffdioxidlasers entfallen: die Kosten, die vom Lebenszyklus der Entladungsröhren abhängen oder von der Turbine im Gaskreislauf der Lasergase oder der Vakuumpumpe. Diese machen einen enormen Teil der vergleichsweise hohen Wartungskosten beim CO2-Laser aus.

Es gibt aber noch weitere physikalische Eigenschaften, die dem Faserlaser zum Vorteil gereichen: dank einer zehnfach kürzeren Strahlwellenlänge können Faserlaser einen kleineren Strahldurchmesser (d.h. eine höhere Energiedichte) im Fokuspunkt des Schneidkopfs erreichen – damit kann dünnes Material schneller geschnitten werden als mit dem CO2-Laser. Je dicker das Material, desto mehr kann diese Eigenschaft ein Nachteil werden, da aufgrund der sehr dünnen Schnittfuge die Gefahr einer Schnittfugen-Verfüllung mit dem Austragsmaterial (Schlacke) besteht. Entsprechend ausgelegte optische Systeme und Schneidköpfe sind mittlerweile in der Lage diesen Nachteil fast vollständig zu beseitigen.

Es ist notwendig, einen größeren Fokusdurchmesser zum Durchtrennen von stärkeren Materialen zu haben. Im Interesse des industriellen Einsatzes sollte der Laserschneidkopf den Fokus automatisch ändern können (Änderungen der Fokuslage zum Material aber auch Änderungen des Fokusdurchmessers). Und das ohne den Eingriff durch Bedienpersonal, z. B. durch manuelle Schneidlinsenwechsel oder manuelle Fokuslagenveränderungen. Um die vielseitigen Anforderungen des Marktes erfüllen zu können – das heißt, das Schneiden über den gesamten Materialstärkenbereich zu ermöglichen – benutzt MicroStep passgenau auf die Anforderungen der Kunden Laserschneidköpfe von führenden Herstellern wie Highyag, Precitec und Thermacut für maximale Produktivität beim 2D-Laserschneiden und Fasenschneiden von Blechen, Rohren oder Profilen. Als Laserstrahlquelle verwendet MicroStep Modelle von innovativen Produzenten wie IPG Photonics und nLight. Durch die mögliche vollautomatische Steuerung von Fokusposition und Fokusdurchmesser in Kombination mit schnellen Fokusbewegungen auf dem Werkstoff können abhängig von der Laserquelle Materialien bis 50 mm Stärke und deutlich mehr mit einem einzigen Faserlaser bearbeitet werden. Die Schneidköpfe sind frei von Schneidlinsenwechseln – lediglich die Reinigung und der Austausch des Schutzglases gehört zu den Aufgaben des Betreibers.

Die Qualität der Faserlaser-Technologie und mögliche Einsatzbereiche haben sich in den vergangenen Jahren erheblich verbessert und erweitert. Moderne Faserlaser können abhängig von Laserleistung und Werkstoff heute Materialien bis 50 mm Dicke und weit darüberhinaus bearbeiten. Beispielsweise ermöglicht ein 20 kW Laser den präzisen Zuschnitt von Baustahl mit mehr als 40 mm, Edelstahl bis 40 mm, Aluminium bis 40 mm, Messing bis 25 mm und Kupfer bis 15 mm schneiden. Die verfügbaren Laserleistungen wachsen aber konstant weiter.

Schneidbereich

Die Laserschneidtechnik erfuhr in den vergangenen Jahren eine enorme Entwicklung. Nach wie vor kommt sie vorwiegend im kleineren und mittleren Stärkenbereich zum Einsatz. Der Schneidbereich beim modernen 2D- und 3D-Laserschneiden liegt je nach Werkstoff und Leistung der Laserstrahlquelle bei optimalen Umgebungsvariablen ab 0,5 bis 50 mm und deutlich mehr. Es gibt verschiedene Parameter, die die Qualität der geschnittenen Laserteile moderner Laserschneidsysteme beeinflussen. Dazu zählen die Fokuslage, die Vorschubgeschwindigkeit, die Laserleistung oder auch der Druck des eingesetzten Schneidgases und die eingesetzte Schneiddüse. Eine Gratbildung an Laserteilen kennt man zumeist nur vom Hochdruckschneiden bestimmter Materialien mit Stickstoff. Diese Gratbildung lässt sich durch verschiedene Parameter beeinflussen und / oder eliminieren. Bei entsprechender Gratbildung (Grat wird auch Bart genannt) muss ein weiterer Bearbeitungsschritt erfolgen – die Entgratung: je nach Gratstärke mittels einer eigenen Maschine.

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Anwendungsbereich vom Laserschneiden

Der aufgrund der stark fokussierten Laserstrahlung und der hohen Verfahrgeschwindigkeit lediglich auf einen eng begrenzten Bereich beschränkte Wärmeeintrag in den Werkstoff führt dazu, dass während des Laserschneidens die thermische Belastung der Bauteile sehr klein ist und somit keine oder nur eine minimale Verformung stattfindet. Das Ergebnis sind Teile mit einer sehr hohen Präzision.

MicroStep Rotator beim Laserstrahlschneiden

Das Laserstrahlschneiden findet zum einen im Bereich der Automobilindustrie, in der Feinmechanik, der Halbleiterindustrie oder bei den Herstellern von optischen Instrumenten Verwendung. Aber auch im Metallbau und ganz allgemein im Bereich der Lohnfertigung. Eingesetzt wird diese Technik in allen Industriezweigen, die sich mit Metallbearbeitung und ganz allgemein mit Trenntechnik beschäftigen. Die Bandbreite der zu bearbeitenden Werkstoffe reicht von Gummi bis hin zu Diamantgestein. Überwiegend zur Anwendung kommt diese Schneidtechnik bei Stahlblechen aller Sorten und Güten, bei rostfreien Edelstahlblechen und bei Nichteisen-Metallen (NE-Metalle) wie Aluminium und Messing. Geeignet für den Einsatz beim 2D- und 3D-Laserschneiden sind aber auch Materialien wie Titan, Plexi- oder Acrylglas, Holz oder Bronze.

Die Laserschneidtechnik ist prädestiniert für den Einsatz an einer CNC-Schneidanlage. Moderne Laserschneidanlagen vereinen die Vorteile des Lasers mit der Möglichkeit zur multifunktionalen Bearbeitung an einer CNC-Maschine. Heutige Lasertypen bieten eine Vielzahl von Ausstattungsoptionen zur Bearbeitung von Blechen, Rohren und Profilen. Somit ist Schneiden, Bohren, Gewinden, Senken, Markieren oder Fasenschneiden – zum Beispiel zur Schweißnahtvorbereitung – an einer Laserstrahlschneidmaschine möglich. Dank der Faserlasertechnologie ist auch ein Bearbeitungszentrum mit außerordentlicher Schnittfläche zur Blechbearbeitung – also ein Überformat – realisierbar. So ist beispielsweise ein Arbeitsbereich von bis zu 50 m Länge und 6 m Breite über eine mitfahrende Sicherheitskabine möglich. Bei modernen Maschinen sind zudem bereits etliche Prozesse automatisiert: die Einstellung von Fokuslage und Fokusdurchmesser, die Abstandskalibrierung und Reinigung der Schneiddüse oder auch der Düsenwechsel. Darüberhinaus gibt es noch viele weitere Optionen, um den Laserzuschnitt zu automatisieren. Sei es durch integrierte Materialhandlingsysteme zur Be- und Entladung des Werkstücks (Blech, Rohr, Profil), Sortiertechnologien für geschnittene Laserteile oder eingebundene Lagersysteme, um eine möglichst mannlose Fertigung zu ermöglichen.

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