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Laserschneiden

 

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 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 unter anderem für den Einsatz in der Schneidtechnik. Das Laserschneiden – auch als Laserstrahlschneiden bekannt – wird vor allem dort verwendet, wo beispielsweise Metalle in relativ dünnen Materialstärken mit höchster Präzision und größtmöglicher Bearbeitungsgeschwindigkeit geschnitten werden müssen. Aber auch Holz oder Kunststoff kann mit dieser Technologie bearbeitet werden.

Vorteile vom Laserstrahlschneiden

  • Hohe Genauigkeit
  • Schneiden unterschiedlichster Materialien
  • Sehr hohe Geschwindigkeit
  • Kontaktloses Trennverfahren
  • Vielfältig anwendbar

 

Vergleich Festkörperlaser und CO₂-Laser

Es gibt verschiedene Varianten fokussierter Hochleistungslaser, die beim Laserstrahlschneiden zum Einsatz kommen. Am häufigsten genutzt werden der CO₂-Laser (ein Gaslaser) oder der Faserlaser (Festkörperlaser). Der CO₂-Laser ist die etabliertere Schneidtechnik und wird seit vielen Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Konkurrenz erhält der Gaslaser seit einigen Jahren aber vermehrt durch den Faserlaser. Diese spezielle Form des Festkörperlasers überzeugt 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 Festkörperlaser zählt. Allerdings findet dieser überwiegend bei Mikrobohrungen und beim Schweißen Anwendung.

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 Materialstärken mindestens ebenbürtig zum etablierten Laser. Der Faserlaser kommt aber bei der Laser-Schneidtechnik immer häufiger zum Einsatz und macht dem CO₂-Laser Konkurrenz. Im Vergleich zu den aber immer noch dominanten CO₂-Lasern punkten Festkörper-Faserlaser mit einer Reihe von Stärken – allen voran mit dem Kostenfaktor. Dank modernster und ausgefeilter Technologien können auch vermeintliche Schwächen ausgemerzt werden. Somit ist der Faserlaser eine mehr als attraktive Alternative zum bestehenden System.

 

CO-Laser

Die CO₂-Laser zählen zur Gruppe der Gaslaser und werden auch Kohlendioxidlaser oder Kohlenstoffdioxidlaser genannt. Sie basieren auf einem Kohlendioxid-Gasgemisch, welches elektrisch angeregt wird. CO₂-Laser punkten mit einer sehr guten Schnittqualität 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 stärkere Edelstahlbleche mit guter Schnittgüte bearbeiten – auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten. Der CO₂-Laser ist der seit Jahrzehnten bewährte Lasertyp, der bei unterschiedlichsten Materialstärken hohe Qualität ermöglicht. Nachteil ist der zum Faserlaser vergleichsweise hohe Einsatz für Betriebs- und Wartungskosten bei den Lasergasen sowie bei Verschleißteilen, die in der Laserquelle arbeiten. Der Wirkungsgrad liegt bei rund 10 Prozent.

 

Faserlaser

Der Faserlaser, der eine spezielle Form des Festkörperlasers darstellt, ist auf dem Vormarsch. Er punktet mit Wirtschaftlichkeit, geringen Betriebskosten und langer Lebensdauer der Verschleißteile. Dank einer zehnfach kürzeren Strahlwellenlänge im Gegensatz zum CO₂-Laser eignet sich der Faserlaser auch zum Schneiden von ansonsten für den CO₂-Laser schwer oder gar nicht schneidbare Materialien, insbesondere von Nichteisen-Metallen (NE-Metalle). Bei höheren Materialstärken ist ein variabler Fokusdurchmesser notwendig, um mit der Schnittqualität des Kohlendioxidlasers konkurrieren zu können. Auch die Laserquellen sind höchst effektiv und verbrauchen bei gleicher Leistung deutlich weniger Eingangsstrom. Der sogenannte Steckdosenwirkungsgrad beträgt beim Faserlaser circa 30 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 Laserschneiden 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 Schneidtechnik allerdings einen hohen Verschleiß 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, 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 Emissium im angeregten Lasermedium und wird durch stimulierte Emission verstärkt. Der Resonator besteht 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 herreflektiert. Ein Teil der Strahlung entweicht als fokussierter Laserstrahl durch den teildurchlässigen Spiegel und der andere Teil wird zur weiteren Verstärkung zurückreflektiert.

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. Zurück bleibt ein Schnittspalt, der je nach Vorschubrichtung des Laserstrahls beliebige Konturen annehmen kann.

 

Mit Laser bearbeitete Bauteile

Beispiele zum Plasmaschneiden Beispiele zum Plasmaschneiden Beispiele zum Plasmaschneiden Beispiele zum Plasmaschneiden

 

Vor- und Nachteile des Faserlasers

Der entscheidende Vorteil der Faserlaser liegt auf der Hand: Mit diesem Festkörperlaser können bis zur 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 Schneidtechnik keine Gase für Strahlgänge notwendig sind, auch die Laserqellen sind höchst effektiv: die Nennleistung eines 4 kW-Faserlasers (mit einer Kühlvorrichtung) liegt etwa bei 18 kW im Vergleich zu 57 kW 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 Kühlkreislauf 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 Mittelpunkt des Schneidkopfes erreichen – damit kann dünnes Material schneller geschnitten werden als mit dem CO₂-Laser. Je dicker das Material allerdings, desto mehr wird diese Eigenschaft ein Nachteil aufgrund der sehr dünnen Schnittfuge und einer daraus resultierenden Gefahr einer Schnittfugen-Verfüllung mit dem Austragsmaterial (Schlacke).

Es ist daher notwendig, einen größeren Fokusdurchmesser zum Schneiden von stärkeren Materialen zu haben. Im Interesse des industriellen Einsatzes sollte der Laserschneidkopf den Fokusdurchmesser automatisch ändern können – und das ohne den Eingriff durch Bedienpersonal, z. B. durch manuelle Objektivwechsel. 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 führender Hersteller wie Highyag, Precitec und Thermacut für maximale Produktivität beim 2D-Schneiden und Fasenschneiden von Blechen, Rohren oder Profilen. Durch die mögliche vollautomatische Steuerung von Fokusposition und Fokusdurchmesser in Kombination mit schnellen Fokusbewegungen auf dem Material können abhängig von der Laserquelle Materialien bis 25 mm Stärke und mehr mit einem einzigen Faserlaser bearbeitet werden. Die Schneidköpfe sind frei von Okjektivwechsel – lediglich das Reinigen des Schutzglases gehört 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 – und 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 beschränkte Wärmeeintrag ins Material führt dazu, dass sich beim Laserschneiden die Bauteile nicht so stark verformen und gewährt somit im Ergebnis eine sehr hohe Präzision.

Das 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 beschäftigen. Die Bandbreite der zu bearbeitenden Werkstoffe reicht von Gummi bis hin zu Diamantgestein. Überwiegend eingesetzt wird 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 Laserschneiden sind aber auch Materialien wie Titan, Plexi- oder Acrylglas, Holz oder Bronze.

Die Laser-Schneidtechnik 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 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 Schweißnahtvorbereitung – an einer Schneidmaschine möglich.

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