Ein kurzer Überblick über das Laserschneidverfahren

Bereits in den 1970er Jahren wurde der Laser zum Schneiden eingesetzt. In der heutigen industriellen Fertigung findet das Laserschneiden breite Anwendung bei der Bearbeitung von Blechen sowie von Kunststoffen, Glas, Keramik, Halbleitern, Textilien, Holz und Papier.

In den folgenden Jahren, Laserschneiden于PräzisionsbearbeitungAuch im Bereich der Mikrostrukturierung sowie bei den Anwendungen in der Mikrobearbeitung wird ein praktisches Wachstum zu verzeichnen sein.

Laserschneiden

Sobald der fokussierte Laserstrahl auf das Werkstück trifft, erwärmt sich der bestrahlte Bereich schnell, wodurch das Material schmilzt oder verdampft. Sobald der Laserstrahl das Werkstück durchdringt, beginnt der Schneidvorgang: Der Laserstrahl folgt der Konturlinie und schmilzt dabei das Material. In der Regel wird das geschmolzene Material mit Hilfe eines Gasstroms aus dem Schnittbereich geblasen, wodurch zwischen dem Schnittbereich und dem Werkstückhalter ein schmaler Spalt verbleibt, der nahezu der Breite des fokussierten Laserstrahls entspricht.

Brennschneiden

Ein gängiges Verfahren zum Schneiden von kohlenstoffarmem Stahl ist das Brennschneiden, bei dem Sauerstoff als Schneidgas verwendet wird. Der Sauerstoff wird auf einen Druck von bis zu 6 bar komprimiert und in den Schnitt geblasen. Am Schnittpunkt reagiert das erhitzte Metall mit dem Sauerstoff, wobei es zu Verbrennung und Oxidation kommt. Bei dieser chemischen Reaktion wird eine große Menge an Energie freigesetzt, die das Fünffache der Laserenergie beträgt und den Laserstrahl beim Schneiden unterstützt.

Abb. 1: Der Laserstrahl schmilzt das Werkstück, während das Schneidgas das geschmolzene Material und die Schlacke aus der Schnittfuge bläst

Schmelzschneiden

Ein weiteres gängiges Verfahren zum Schneiden von Metall ist das Brennschneiden, das auch zum Schneiden anderer schmelzbarer Materialien wie beispielsweise Keramik eingesetzt werden kann.

In diesem Fall wird Stickstoff oder Argon als Schneidgas verwendet, wobei das Gas mit einem Druck von 2 bis 20 bar durch den Schnitt geblasen wird. Argon und Stickstoff gehören zu den Inertgasen, was bedeutet, dass sie nicht mit dem geschmolzenen Metall im Schnitt reagieren. Sie blasen es lediglich nach unten weg. Außerdem schützen Inertgase die Schnittkanten vor Oxidation durch die Luft.

Schneiden mit Druckluft

Auch beim Schneiden dünner Bleche kann Druckluft zum Einsatz kommen; ein Luftdruck von 5 bis 6 bar reicht aus, um das geschmolzene Metall aus dem Schnittspalt zu blasen, Da Luft zu etwa 80 % aus Stickstoff besteht, handelt es sich beim Schneiden mit Druckluft im Grunde genommen um eine Art des Schmelzschneidens.

Plasmaunterstütztes Schneiden

Bei geeigneter Parametereinstellung entsteht im Schnitt des plasmaunterstützten Schmelzschneidens eine Plasmawolke, Die Plasmawolke besteht aus ionisiertem Metalldampf und ionisiertem Schneidgas. Die Plasmawolke absorbiert die Energie des CO₂-Lasers und leitet sie an das Werkstück weiter, wodurch mehr Energie auf das Werkstück übertragen wird, Das Material schmilzt dadurch schneller, was wiederum zu einer höheren Schnittgeschwindigkeit führt. Daher wird dieses Schneidverfahren auch als Hochgeschwindigkeits-Plasmaschneiden bezeichnet.

Tatsächlich sind Plasmawolken im Vergleich zu Festkörperlasern transparent, weshalb beim plasmaunterstützten Schmelzschneiden nur CO₂-Laser eingesetzt werden können.

Gas-Schneiden

Durch das Verdampfen des Materials mittels Gas-Laser-Schneiden wodurch die thermischen Auswirkungen auf das umgebende Material so gering wie möglich gehalten werden. Durch die Bearbeitung dieser Materialien mit einem kontinuierlichen CO₂-Laser, der eine geringe Wärmeabgabe und eine hohe Absorption aufweist, lassen sich die oben genannten Effekte erzielen, beispielsweise bei dünnen Kunststofffolien sowie bei nicht schmelzbaren Materialien wie Holz, Papier und Schaumstoff.

Dank ultrakurzer Laserpulse lässt sich diese Technologie auch auf andere Materialien anwenden. Die freien Elektronen im Metall erwärmen sich nach der Absorption des Lasers stark. Da der Laserpuls nicht mit den geschmolzenen Partikeln oder dem Plasma reagiert, sublimiert das Material direkt. Es bleibt keine Zeit, um Energie in Form von Wärme an das umgebende Material abzugeben. Beim Abtragen von Material durch Pikosekundenimpulse treten weder nennenswerte thermische Effekte noch Schmelz- oder Gratbildung auf.

Abbildung 3 zeigt das Gas-Laserschneiden: Durch die Einwirkung des Lasers verdampft das Material, wobei gleichzeitig eine Verbrennung stattfindet. Der durch den Dampf erzeugte Druck drückt die Schmelzrückstände aus der Schnittfuge heraus.

Parameter: Anpassung des Bearbeitungsprozesses

Der Laserschneidprozess wird von vielen Parametern beeinflusst, von denen einige von den technischen Eigenschaften des Lasers und der Maschine abhängen, während andere sich ständig ändern.

Polarisationsgrad

Es gibt eine Größe, die den Prozentsatz der umgewandelten Laserenergie angibt und als Polarisationsgrad bezeichnet wird. Der typische Polarisationsgrad liegt in der Regel bei etwa 90:30, was für eine hochwertige Schneidqualität ausreichend ist.

Fokusdurchmesser

Der Durchmesser des Brennpunkts hat Einfluss auf die Schnittbreite. Durch Veränderung der Brennweite der Fokussierlinse lässt sich der Durchmesser des Brennpunkts verändern; ein kleinerer Durchmesser des Brennpunkts führt zu einem schmaleren Schnitt.

Fokuspunkt

Der Durchmesser des Strahls auf der Werkstückoberfläche wird durch die Position des Brennpunkts bestimmt; dasselbe gilt für die Leistungsdichte, und auch die Form des Schnittes wird dadurch bestimmt.

Abb. 4 Fokusposition: im Inneren des Werkstücks, auf der Oberfläche des Werkstücks und über dem Werkstück

Laserleistung

Die Laserleistung muss auf die Art der Bearbeitung abgestimmt sein, zum jeweiligen Material passen und der Materialstärke entsprechen. Die Leistung muss hoch genug sein, damit die Leistungsdichte auf dem Werkstück den Bearbeitungsschwellenwert überschreitet.

Abb. 5: Mit höherer Laserleistung lassen sich dickere Materialien schneiden

Betriebsmodus

Zunächst wird der Dauerstrichmodus zum Schneiden von Standardkonturen aus Metall und Kunststoff verwendet; dieser Schneidvorgang ist für Abmessungen im Millimeter- bis Zentimeterbereich ausgelegt. Anschließend kommt ein Niederfrequenz-Pulslaser zum Einsatz, wenn es um das Schmelzbohren oder die Erzeugung präziser Konturen geht.

Schnittgeschwindigkeit

Die Laserleistung und die Schnittgeschwindigkeit müssen aufeinander abgestimmt sein. Ist die Schnittgeschwindigkeit zu hoch oder zu niedrig, führt dies zu einer erhöhten Oberflächenrauheit und zur Bildung von Graten.

Abb. 6: Die Schnittgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Blechdicke ab

Düsendurchmesser

Der Durchfluss des aus der Düse austretenden Gases sowie die Form des Gasstrahls werden durch den Durchmesser der Düse bestimmt. Je dicker das Material ist, desto größer muss der Durchmesser des Gasstrahls sein; entsprechend muss auch der Durchmesser der Düsenöffnung vergrößert werden.

Gasreinheit und Gasdruck

Sauerstoff und Stickstoff werden häufig als Schneidgase verwendet. Die Reinheit und der Druck der Gase beeinflussen das Schneidergebnis.

Beim Schneiden mit einem Sauerstoff-Brennschneider muss die Reinheit des Gases 99,95 % betragen. Je dicker die Stahlplatte ist, desto niedriger ist der Gasdruck, der verwendet wird.

Beim Schneiden mit Stickstoff muss die Reinheit des Gases mindestens 99,995 % betragen (im Idealfall 99,999 %), und beim Schneiden dicker Stahlbleche ist ein höherer Gasdruck erforderlich.

Technische Daten

In den Anfängen des Laserschneidens mussten die Anwender die Bearbeitungsparameter durch Testläufe selbst ermitteln. Heute sind ausgereifte Bearbeitungsparameter in der Steuerung des Schneidsystems gespeichert. Für jeden Materialtyp und jede Materialstärke liegen entsprechende Daten vor. Dank der technischen Parametertabellen können auch Personen, die mit dieser Technologie nicht vertraut sind, die Laserschneidanlagen problemlos bedienen.

Faktoren zur Bewertung der Laserschneidqualität

Es gibt zahlreiche Kriterien zur Beurteilung der Qualität von Laserschneidkanten. Während Merkmale wie die Form von Graten, Vertiefungen und Rillen mit bloßem Auge erkennbar sind, erfordern die Messung von Kriterien wie Rechtwinkligkeit, Rauheit und Schnittbreite den Einsatz spezieller Messgeräte. Materialablagerungen, Korrosion, die Wärmeeinflusszone sowie Verformungen sind ebenfalls entscheidende Faktoren für die Beurteilung der Qualität des Laserschneidens.

Abb. 7: Guter Schnitt, schlechter Schnitt. Kriterien zur Beurteilung der Schnittkantenqualität

Vielversprechende Aussichten

Was das Laserschneiden betrifft, so ist sein anhaltender Erfolg von einem Ausmaß, das die meisten anderen Bearbeitungsverfahren kaum erreichen können; dieser Trend hält bis heute an, und in Zukunft werden sich die Anwendungsmöglichkeiten des Laserschneidens noch weiter ausweiten.