Laserschneiden

Der Laserstrahl mit seiner hohen Energiedichte hat sich in der Metallbearbeitung seit zwei Jahrzehnten etabliert. Die CO2-Laser Schneidanlagen waren die ersten verbreiteten Anlagen, ab 2009 kamen zunehmend auch die Festkörperlaser, ND:YAG-Laser, Yb:Glas-Laser (Faserlaser), Yb:YAG_Laser (Scheibenlaser) zum Einsatz.
Der erzeugte Laserstrahl wird entweder durch Spiegel, CO2-Laser, oder durch Lichtleiter zur Schneid-Düse geleitet. Dort wird der Strahl durch eine Optik zu einem energiereichen Strahl von ca. 0,23 mm Durchmesser fokussiert. Gleichzeitig strömt Gas mit bis zu 6 bar aus der Düse, es soll das Material aus der Trennfuge treiben und die Optik vor Metallspritzern schützen (siehe Zeichnung unten).
Da Werkstoffe elektromagnetische Wellen verschiedener Wellenlängen unterschiedlich absorbieren kann jeder Laser nur bestimmte Materialien gut schneiden. Der CO2-Laser hat eine Wellenlänge von 10,2 μm und ist vorzugsweise für Stahl und Niro zu verwenden. Der ND:YAG-Laser mit seinen 1,06 μm Wellenlänge ist für Aluminium, Kupfer und Messing besser geeignet.
Einen Laser kann man im Dauerbetrieb oder im Pulsbetrieb einsetzen. Welche Betriebsart Verwendung findet, hängt vom zu bearbeitenden Material ab.
Im Dünnblechbereich dominiert wegen der fast rechtwinkligen Schnittkante und den hohen Schnittgeschwindigkeiten das Laserschneiden.

Prinzip-Zeichnung vom Schneidvorgang

Vergleich der eingesetzten Laser
CO2-Laser
ND:YAG-Laser
Wellenlänge [μm]
10,6
1,06
Gasfüllung
CO2:10...20%
N2: 10...20%
He: 60...80%
Leistung [kW]
40
4
Wirkungsgrad [%]
10
30
Werkstoffe
Stahl bis 40mm
Edelstahl bis 50mm
Acryl
Polycarbonat
Aluminium bis 20mm
Kupfer bis 10mm
Messing bis 10mm

Der Schneidvorgang

Der fokussierte Laserstrahl wirkt auf eine sehr kleine Fläche des Werkstückes so thermisch ein, dass dieser entweder verdampft, verbrennt oder schmilzt. Die Lage des kleinsten Flächenbereiches, den Fokus der Optik, ist entscheidend welches der drei Schnittverfahren, die folgend beschrieben werden, durchgeführt wird.

Sublimationsschneiden

Bei diesem Schnittverfahren wird das zu schneidende Material verdampft. Mit dem Schneidgas (Argon, Stickstoff, und Helium) wird der Werkstoffdampf aus der Trennfuge geblasen und gleichzeitig das Werkstück geschützt.
Sublimationsschneiden wird bei Materialien eingesetzt die keinen schmelzfähigen Zustand einnehmen wie Holz und Kunststoff, dünnwandige metallische Werkstoffe werden ebenfalls in der Schnittfuge verdampft. Es entstehen sauberer oxydationsfreie Schnittflächen.

Schmelzschneiden

Der Werkstoff wird durch den Laserstrahl geschmolzen und mit einem Gasstrahl aus der Trennfuge heraus geblasen. Der Druck mit dem das Material aus der Fuge gedrückt wird beträgt bis zu 6 bar, man spricht auch vom Hochdruckschneiden. Je dicker das Material ist, desto breiter muss auch der Laserstrahl sein um eine breitere Schnittfuge zu erhalten um das flüssige Material aus dem Schnittbereich geblasen zu bekommen. Der Fokus des Laserstrahles liegt bei diesem Verfahren an der Unterseite des Materials. Typische Schnittgeschwindigkeiten für Stahl:

Schnittgeschwindigkeit abhängig von der Materialstärke (Beispiel)
Materialstärke
[mm]
Schnittgeschwindigkeit
[m/min]
1
8
3
4,5
8
1,5

Brennschneiden

Das Brennschneiden mit dem Laser ähnelt dem gleichnamigen Schnittverfahren mit dem Schneidbrenner. Der Fokus des Laserstrahles liegt auf der Oberfläche des Werkstückes. Das Material wird mit dem Laser erhitzt, gleichzeitig wird Sauerstoff in die Schnittfuge geblasen der Werkstoff regiert mit diesem und erhitzt das Material zusätzlich. Mit diesem Schnittverfahren lassen sich zu schneidende Materialdicken von 40mm erreichen. Nachteilig ist die rauhe aufgeschmolzene Schnittkante.

Die Vorteile und Nachteile des Laserschneidens

Vorteile
Nachteile
Hohe Schnittgeschwindigkeiten
Hohe Investitionskosten
Optimale Gratfreiheit
Begrenzte Materialstärken
Perfekte Maßgenauigkeiten (+/- 0,1mm/m)
Umfangreicher Arbeitsschutz
Beste Materialausnutzung
Prozessinstabilität bei Spiegelungen
Kurze Bearbeitungszeiten
Minimaler Schnittspalt
Große Materialvielfalt

Moderne Auftragsvergabe in der Blechbearbeitung

Im Bereich des Laserschneidens genauer gesagt der Blechverarbeitung wird der Bestellvorgang durch EDV-Programme unterstützt. Benötigt ein Kunde Laserteile, sendet er die Daten der Laserteile online als STEP oder DXF Format zum Fertiger. Es ist auch möglich, ganze Blech-Baugruppen zu übertragen, diese werden automatisch in einzeln zu fertigende Teile zerlegt. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, kalkuliert die Software den Preis und sendet ein Angebot an den Kunden. Wird der Preis für die Teile akzeptiert, kann die Bestellung online ausgelöst werden.
Die konventionelle, Personen gestützte Arbeitsweise, die jeder noch aus seiner Praxis kennt, war doch sehr zeitaufwendig und konnte mitunter mehrere Tage dauern. Diese Zeit wird nun eingespart und die Montage beim Kunden kann eher stattfinden.

Autor: Uwe Koerbitz


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