Laserschneiden | Infos zur Lasertechnik

 

Das Laserschneiden (engl. Laser cutting) ist ein thermisches Trennverfahren. Mit Hilfe eines Laserstrahls schmilzt oder verdampft das Material, das unmittelbar nach seiner Entstehung mittels eines Gasstroms nach unten weg ausgeblasen wird.

 

 

Laserschneiden Historie

Die Idee des Lasers geht bereits auf Albert Einstein zur√ľck. Es dauerte aber bis in die 1960er Jahre, bis aus der Idee Realit√§t wurde. Seitdem ist der Laser in vielen Bereichen der Technik und auch der Wissenschaft unverzichtbar geworden. Die Abk√ľrzung Laser steht f√ľr: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation („Licht-Verst√§rkung durch stimulierte Emission von Strahlung“). Seine Eigenschaften eignen sich unter anderem f√ľr den Einsatz in der Schneidtechnik. Das Laserschneiden – auch als Laserstrahlschneiden bekannt – wird vor allem dort verwendet, wo beispielsweise Metalle in relativ d√ľnnen Materialst√§rken mit h√∂chster Pr√§zision und gr√∂√ütm√∂glicher Bearbeitungsgeschwindigkeit geschnitten werden m√ľssen. Aber auch Holz oder Kunststoff kann mit dieser Technologie bearbeitet werden.

Vorteile vom Laserstrahlschneiden

  • Hohe Genauigkeit
  • Schneiden unterschiedlichster Materialien
  • Sehr hohe Geschwindigkeit
  • Kontaktloses Trennverfahren
  • Vielf√§ltig anwendbar

 

Vergleich Festk√∂rperlaser und CO‚āā-Laser

Es gibt verschiedene Varianten fokussierter Hochleistungslaser, die beim Laserstrahlschneiden zum Einsatz kommen. Am h√§ufigsten genutzt werden der CO‚āā-Laser (ein Gaslaser) oder der Faserlaser (Festk√∂rperlaser). Der CO‚āā-Laser ist die etabliertere Schneidtechnik und wird seit vielen Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Konkurrenz erh√§lt der Gaslaser seit einigen Jahren aber vermehrt durch den Faserlaser. Diese spezielle Form des Festk√∂rperlasers √ľberzeugt vor allem durch eine im Vergleich zum bekannten Schneidsystem hohe Wirtschaftlichkeit. Zunehmende Bedeutung beim Laserschneiden hat auch der Nd:YAG-Laser, der wie der Faserlaser zur Gruppe der Festk√∂rperlaser z√§hlt. Allerdings findet dieser √ľberwiegend bei Mikrobohrungen und beim Schwei√üen Anwendung.

Faserlaser haben im Vergleich zu CO‚āā-Lasern (Kohlenstoffdioxidlaser) deutlich geringere Betriebs- und Wartungskosten. Dank modernster und ausgefeilter Technologien sind sie auch hinsichtlich Pr√§zision bei unterschiedlichen Materialst√§rken mindestens ebenb√ľrtig zum etablierten Laser. Der Faserlaser kommt aber bei der Laser-Schneidtechnik immer h√§ufiger zum Einsatz und macht dem CO‚āā-Laser Konkurrenz. Im Vergleich zu den aber immer noch dominanten CO‚āā-Lasern punkten Festk√∂rper-Faserlaser mit einer Reihe von St√§rken – allen voran mit dem Kostenfaktor. Dank modernster und ausgefeilter Technologien k√∂nnen auch vermeintliche Schw√§chen ausgemerzt werden. Somit ist der Faserlaser eine mehr als attraktive Alternative zum bestehenden System.

 

CO‚āā-Laser

Die CO‚āā-Laser z√§hlen zur Gruppe der Gaslaser und werden auch Kohlendioxidlaser oder Kohlenstoffdioxidlaser genannt. Sie basieren auf einem Kohlendioxid-Gasgemisch, welches elektrisch angeregt wird. CO‚āā-Laser punkten mit einer sehr guten Schnittqualit√§t und werden vorwiegend bei metallischem Material aber auch bei nichtmetallischen Werkstoffen wie Holz, Textilien, Kunststoffe, Folien, Acryl, Glas, Papier und Leder eingesetzt. Mit dem Kohlendioxidlaser lassen sich im Gegensatz zum Faserlaser auch noch st√§rkere Edelstahlbleche mit guter Schnittg√ľte bearbeiten – auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten. Der CO‚āā-Laser ist der seit Jahrzehnten bew√§hrte Lasertyp, der bei unterschiedlichsten Materialst√§rken hohe Qualit√§t erm√∂glicht. Nachteil ist der zum Faserlaser vergleichsweise hohe Einsatz f√ľr Betriebs- und Wartungskosten bei den Lasergasen sowie bei Verschlei√üteilen, die in der Laserquelle arbeiten. Der Wirkungsgrad liegt bei rund 10 Prozent.

 

Faserlaser

Der Faserlaser, der eine spezielle Form des Festk√∂rperlasers darstellt, ist auf dem Vormarsch. Er punktet mit Wirtschaftlichkeit, geringen Betriebskosten und langer Lebensdauer der Verschlei√üteile. Dank einer zehnfach k√ľrzeren Strahlwellenl√§nge im Gegensatz zum CO‚āā-Laser eignet sich der Faserlaser auch zum Schneiden von ansonsten f√ľr den CO‚āā-Laser schwer oder gar nicht schneidbare Materialien, insbesondere von Nichteisen-Metallen (NE-Metalle). Bei h√∂heren Materialst√§rken ist ein variabler Fokusdurchmesser notwendig, um mit der Schnittqualit√§t des Kohlendioxidlasers konkurrieren zu k√∂nnen. Auch die Laserquellen sind h√∂chst effektiv und verbrauchen bei gleicher Leistung deutlich weniger Eingangsstrom. Der sogenannte Steckdosenwirkungsgrad betr√§gt beim Faserlaser circa 30 Prozent.

 

Nd:YAG-Laser

Nd:YAG-Laser z√§hlen wie die Faserlaser zu den Festk√∂rperlasern und sind auch unter den Bezeichnungen Kristalllaser oder Vanadat-Laser bekannt. Nd:YAG-Laser ist die Abk√ľrzung f√ľr Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser. Als Wirtskristall wird ein YAG-Kristall eingesetzt. Diese Technologie wird weniger beim Laserschneiden verwendet, sondern vielmehr bei der Gravur, beim Schwei√üen und bei Mikrobohrungen. Metalle, Metalle mit Beschichtung und Kunststoffe werden mit diesem Festk√∂rperlaser bearbeitet. Im Gegensatz zum Faserlaser hat diese Schneidtechnik allerdings einen hohen Verschlei√ü an Pumpdioden. 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, W√§rme oder sogar ein anderer Laser sein. Es muss gen√ľgend Energie in das Lasermedium √ľbertragen werden, um eine Besetzungsinversion zu erreichen – das bedeutet, dass die Anzahl der Teilchen im angeregten Zustand h√∂her sein muss als die Anzahl der Teilchen im Grundzustand. Das Licht des Lasers entsteht durch spontane Emissium im angeregten Lasermedium und wird durch stimulierte Emission verst√§rkt. Der Resonator besteht aus zwei gekr√ľmmten Spiegeln, von denen einer teilweise transparent ist. Strahlung, die aus der spontanen Emission stammt und die richtige Wellenl√§nge, Phase und Richtung hat, wird zwischen ihnen hin- und herreflektiert. Ein Teil der Strahlung entweicht als fokussierter Laserstrahl durch den teildurchl√§ssigen Spiegel und der andere Teil wird zur weiteren Verst√§rkung zur√ľckreflektiert.

MicroStep Laserrotator bei der BlechbearbeitungSchematische Darstellung vom Laserschneiden

Lasertechnik

Beim Laserschneiden, auch als Laserstrahlschneiden oder CNC Laserschneiden bezeichnet, wird der fokussierte Laserstrahl an der Schneidfront absorbiert und erzeugt auf diese Weise eine Schmelze und Metalldampf, die unmittelbar nach ihrer Entstehung mittels eines Gasstroms nach unten weg ausgeblasen werden. Zur√ľck bleibt ein Schnittspalt, der je nach Vorschubrichtung des Laserstrahls beliebige Konturen annehmen kann.

 

Vor- und Nachteile des Faserlasers

Der entscheidende Vorteil der Faserlaser liegt auf der Hand: Mit diesem Festk√∂rperlaser k√∂nnen bis zur H√§lfte der Kosten f√ľr Betrieb und Wartung der CNC-Laserschneidanlage eingespart werden. Diese Tatsache ist nat√ľrlich ma√ügeblich f√ľr die steigende Popularit√§t dieser Technologie. Nicht nur, dass bei dieser Schneidtechnik keine Gase f√ľr Strahlg√§nge notwendig sind, auch die Laserqellen sind h√∂chst effektiv: die Nennleistung eines 4 kW-Faserlasers (mit einer K√ľhlvorrichtung) liegt etwa bei 18 kW im Vergleich zu 57 kW f√ľr einen 4 kW-CO‚āā-Laser. Auch etliche Wartungskosten eines Kohlenstoffdioxidlasers entfallen: die Kosten, die vom Lebenszyklus der Entladungsr√∂hren abh√§ngen oder von der Turbine im K√ľhlkreislauf der Lasergase oder der Vakuumpumpe. Diese machen einen enormen Teil der vergleichsweise hohen Wartungskosten beim CO‚āā-Laser aus.

Es gibt aber noch weitere physikalische Eigenschaften, die dem Faserlaser zum Vorteil gereichen: dank einer zehnfach k√ľrzeren Strahlwellenl√§nge k√∂nnen Faserlaser einen kleineren Strahldurchmesser (d.h. eine h√∂here Energiedichte) im Mittelpunkt des Schneidkopfes erreichen – damit kann d√ľnnes Material schneller geschnitten werden als mit dem CO‚āā-Laser. Je dicker das Material allerdings, desto mehr wird diese Eigenschaft ein Nachteil aufgrund der sehr d√ľnnen Schnittfuge und einer daraus resultierenden Gefahr einer Schnittfugen-Verf√ľllung mit dem Austragsmaterial (Schlacke).

Es ist daher notwendig, einen gr√∂√üeren Fokusdurchmesser zum Schneiden von st√§rkeren Materialen zu haben. Im Interesse des industriellen Einsatzes sollte der Laserschneidkopf den Fokusdurchmesser automatisch √§ndern k√∂nnen – und das ohne den Eingriff durch Bedienpersonal, z. B. durch manuelle Objektivwechsel. Um die vielseitigen Anforderungen des Marktes erf√ľllen zu k√∂nnen – das hei√üt, das Schneiden √ľber den gesamten Materialst√§rkenbereich zu erm√∂glichen – benutzt MicroStep passgenau auf die Anforderungen der Kunden Laserschneidk√∂pfe f√ľhrender Hersteller wie Highyag, Precitec und Thermacut f√ľr maximale Produktivit√§t beim 2D-Schneiden und Fasenschneiden von Blechen, Rohren oder Profilen. Durch die m√∂gliche vollautomatische Steuerung von Fokusposition und Fokusdurchmesser in Kombination mit schnellen Fokusbewegungen auf dem Material k√∂nnen abh√§ngig von der Laserquelle Materialien bis 25 mm St√§rke und mehr mit einem einzigen Faserlaser bearbeitet werden. Die Schneidk√∂pfe sind frei von Okjektivwechsel – lediglich das Reinigen des Schutzglases geh√∂rt zu den Aufgaben des Betreibers.

Dabei hat sich die Qualität der Faserlaser-Technologie in den vergangenen Jahren erheblich verbessert. Moderne Faserlaser können heute Baustahl bis zu einer Dicke von mehr als 25 mm, Edelstahl bis zu 15 mm, Aluminium bis 15 mm, Messing bis 8 mm und Kupfer bis 6 mm schneiden Рund das bei sehr guter Qualität.

Schneidbereich

Die Laser-Schneidtechnik erfuhr in den vergangenen Jahren eine enorme Entwicklung. Nach wie vor kommt sie vorwiegend im kleineren und kleinsten Stärkenbereich zum Einsatz. Der Schneidbereich beim modernen Laserschneiden liegt je nach Werkstoff und Leistung der Strahlquelle bei optimalen Umgebungsvariablen zwischen 0,5 und 30 mm.

 

Anwendungsbereich vom Laserschneiden

Der aufgrund der stark fokussierten Laserstrahlung und der hohen Verfahrgeschwindigkeit lediglich auf einen eng begrenzten Bereich beschr√§nkte W√§rmeeintrag ins Material f√ľhrt dazu, dass sich beim Laserschneiden die Bauteile nicht so stark verformen und gew√§hrt somit im Ergebnis eine sehr hohe Pr√§zision.

testMicroStep Rotator beim LaserschneidenDas Laserschneiden findet vorwiegend im Bereich der Automobilindustrie, in der Feinmechanik, der Halbleiterindustrie oder bei den Herstellern von optischen Instrumenten Verwendung. Eingesetzt wird diese Schneidtechnik in allen Industriezweigen, die sich mit Metallbearbeitung und ganz allgemein mit Trenntechnik besch√§ftigen. Die Bandbreite der zu bearbeitenden Werkstoffe reicht von Gummi bis hin zu Diamantgestein. √úberwiegend eingesetzt wird diese Schneidtechnik bei Stahlblechen aller Sorten und G√ľten, bei rostfreien Edelstahlblechen und bei Nichteisen-Metallen (NE-Metalle) wie Aluminium und Messing. Geeignet f√ľr den Einsatz beim Laserschneiden sind aber auch Materialien wie Titan, Plexi- oder Acrylglas, Holz oder Bronze.

Die Laser-Schneidtechnik ist pr√§destiniert f√ľr den Einsatz an einer CNC-Schneidanlage. Moderne Laserschneidanlagen vereinen die Vorteile des Lasers mit der M√∂glichkeit zur multifunktionalen Bearbeitung an einer CNC-Maschine. Heutige CNC-Laser bieten eine Vielzahl von Ausstattungsoptionen zur Bearbeitung von Blechen, Rohren und Profilen. Somit ist Schneiden, Bohren, Gewinden, Senken, Markieren oder Fasenschneiden – zum Beispiel zur Schwei√ünahtvorbereitung – an einer Schneidmaschine m√∂glich.

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