Laserschneiden mit dem CO2-Laser oder dem Faserlaser?

Laserschneiden von Edelstahl 15mm dick, mit Co2-Laser geschnitten
CO2-Laserschneiden an 15mm dickem Edelstahl - exzellente Oberfläche und hohe Genauigkeit, besser als ± 2 Zehntel Millimeter. Der Schnitt wäre mit Plasma so nicht möglich!

Der Faserlaser ist eine noch relativ junge Technologie. 2009 hat der Deutsche Brennschneidtag® hierzu Herrn Dr. Andreas Wetzig vom Fraunhofer IWS Dresden eingeladen, der die Vorzüge und Eigenschaften dieses Verfahrens vorstellte. Mittlerweile hat diese Schneidtechnologie einen wahren Boom erlebt. Das Laserschneiden bietet unter den Schneidverfahren Plasmaschneiden und Brennschneiden die beste Schnittqualität im Hinblick auf Genauigkeit und thermischen Einfluss. Es hat sich, wie von uns erwartet, daher schnell in Industrie und Handwerk seinen festen Platz erobert. 2009 besaß noch kein Kongressteilnehmer ein solches Schneidverfahren in seiner Produktion. Noch im gleichen Jahr erhielten die ersten Maschinenhersteller Aufträge zum Bau derartiger Lasersysteme. Die Wachstumsraten in diesem Genre waren und sind so hoch, dass bereits nach ca. 5 Jahren die ersten Laserhersteller einen rund 50% Bestelleingang bei Faserlasersystemen verbuchen konnten und so den bisherigen State-of-the-art CO2-Laser ergänzen oder gar ablösten.

Thermische Einflüsse beim Laserschneiden

Randaufhärtung beim Laserschnitt

Auch wenn der thermische Einfluss beim Zuschnitt eines Laserteils geringer ist als bei den anderen thermischen Schneidverfahren Plasma und Autogen, so ist doch die Randaufhärtung beim Laser höher. Wer hätte das vermutet! 
Die Gefügeveränderung im Material ist hingegen geringer als beim Plasma- oder Autogenzuschnitt und punktet daher für den Faserlaser.

Rauheit an den Schnittkanten beim Laserzuschnitt

Auch die Rauheit an den Schnittkanten ist bei Faserlaser geschnittenen Teilen erheblich größer als bei CO2-erzeugten Zuschnitten. Jedoch gelingt es den Hersteller von Laserschneidmaschinen durch neu entwickelte Technologien, wie bestimmte Gaseinstellungen, Strahlfokussierungen, dynamische Strahlformungen etc. die Rauheit der Schnittkanten mit dem Faserlaserprozess erheblich zu verbessern und dies auch im Dickblechbereich oberhalb von 20 mm. Wenn es jedoch um das letzte Zehntel geht, so hat der CO2-Laser in bestimmten Dickenbereichen die Nase vorn. Der Faserlaser erreicht zur Zeit (Stand 2020) noch nicht die Rauheit von Plasma- oder Brennzuschnitten, deren Qualität, wenn es um Rauheit der Schnittflanken geht, systembedingt bisher nicht vom Faserlaser erreicht werden kann. Wenngleich gerade auf diesem Feld enormer Forschungsaufwand betrieben wird, um diesen Nachteil des Faserlasers auszuschalten.

Das Entwicklungspotential des Lasers scheint unermesslich zu sein und es ist sehr wahrscheinlich nur eine Frage der Zeit, bis auch der Nachteil der geringeren Rauheit kompensiert werden wird.

6kW CO2-Laserschnitt an 15mm dickem Edelstahl mit sehr gutem Schnittbild
CO2-Laserschnitt an 15mm dickem Edelstahl mit sehr gutem Schnittbild und geringer Rauheit

CO2-Laser versus Faserlaser in der Lasermaterialbearbeitung LMB

Der mittlerweile rund 30 Jahre bewährte CO2-Laser galt viele Jahre als state-of-the-art in der Schneidbranche und war (Stand 2016) nicht wegzudenken. Über das Schneiden hinaus existieren weit aus mehr Laseranwendungen im Bereich des Schweißens und der Oberflächenbearbeitung in der Lasermaterialbearbeitung.

Eigenschaften, Vor- und Nachteile des CO2-Lasers

  • Der bewährte CO2-Laser kann aufgrund seiner Wellenlänge von 10,6 µm jedoch nicht über ein Glasfaserkabel eingekoppelt werden, sondern der Strahl muss über Spiegel zum Schneidgut geleitet werden.
  • Genau diese Spiegel sind aber auch eine seiner Schwachstellen.
  • Spiegel verdrecken, sie nutzen ab, sie benötigen eine CO2-Schutzgasatmosphäre, sie unterliegen Schwingungen und sind anfällig.
  • Spiegel begrenzen damit auch den Bau großer Schneidanlagen. Daher war die Größe von Laserschneidmaschinen in der LMB in der Regel auf das Großformat von 1.500 x 3.000 m ausgelegt. Nur wenige Hersteller waren in der Lage Großanlagen mit mehr als 12.000 mm Schneidlänge, die in der Materialbearbeitung von Blechtafeln mit dieser Länge durchaus üblich ist, zu bauen. Hierzu war es erforderlich den gesamten Resonator, mitsamt seiner Kühlung etc. auf der langen Portalachse mitfahren zu lassen. Eine solche Anwendung wog schnell viele Tonnen und war kaum in der Lage filigrane Konturen auf Herzschrittmacher-Niveau zu erzeugen. Doch für den gewünschten Einsatzzweck, dem Schneiden von Grobblechen mit hoher Genauigkeit erfüllen derartige Anlagen ihren Zweck.
  • Die Erzeugung des Strahls mit CO2-angeregten Resonatoren erfordert eine aufwendige Kühlung und erreicht nur einen Wirkungsgrad um die 10%.
  • Der CO2-Laserstrahl besitzt eine lineare Polarisation, die auf das Ergebnis der Schnittqualität in Abhängigkeit der Schneidrichtung Einfluss ausübt. Damit die Richtungsabhängigkeit eliminiert wird, muss der CO2-Laserstrahl durch geeignete Zirkularpolfilter umgewandelt werden.
  • Schnitte bis 25mm Dicke in Stahl sind mit 6kW-Anlagen möglich.
  • Anlagen mit höherer Leistung existieren zwar, sind aber aufgrund des bescheidenen Wirkungsgrades, der aufzubringenden Energie und den hohen Investitionskosten selten in der Praxis anzutreffen.

 

Eigenschaften, Vor- und Nachteile des Faserlasers in der Lasermaterialbearbeitung

  • Da schien es wie ein heller Schweif am Laserhimmel, als der von der Physik seit rund 40 Jahren bekannte Festkörperlaser sich durch Miniaturisierung und Effizienz zum bezahlbaren Preis präsentierte.
  • Der Festkörperlaser generiert den Laserstrahl mit Hilfe von Halbleitern, den Festkörper-Pumpen-Dioden. Je nach Hersteller werden dabei andere Strategien eingesetzt, so sprechen die einen vom Scheibenlaser, andere sprechen vom Ytterbium Faserlaser, Diodenlaser usw. Allen gemein sind die hervorragenden Wirkungsgrade und die besonderen Eigenschaften, die den Laser auch im dicken Schneidbereich sehr interessant erscheinen lassen.
  • Noch vor rund einem Jahrzehnt konnte man in einschlägiger Fachliteratur lesen, dass Diodenlaser für die Materialbearbeitung ungeeignet seien, da diese nicht genügend Leistung zur Verfügung stellen können - das ist längst Geschichte.

    Wesentliche Merkmale des Faserlasers

    • Wirkungsgrad des Faserlasers über 30%, also rund 3 mal so gut wie beim CO2 Laser. Mittlerweile erzielen Diodenlaser sogar über 40% Wirkungsgrad.
    • Die Energieeffizienz des Faserlasers ist bis zu 85% besser gegenüber dem CO2 Laser.
    • Der Faserlaser benötigt weniger Gas. Der CO2 Laser benötigt für die Übertragung des Strahls CO2-Gas - dies entfällt gänzlich beim Faserlaser.
    • Der Kühlaufwand ist damit wesentlich geringer.
    • Die kompakte Bauform des Faserlaser im Vergleich zu CO2-Laser erlaubt es, ihn sehr klein in seinen äußeren Abmessungen herzustellen.
    • Der geringe Wartungsaufwand und die geringeren Betriebskosten des Faserlasers, der keine Spiegel, kein CO2-Kühlgas benötigt, befeuern den Siegeszug des Faserlasers weiter. Diese Positionen können pro Jahr mehr als 20.000,- € an Einsparung ausmachen.
    • Beim CO2-Laser müssen turnusmässig die Resonatoren kalibriert oder ausgetauscht werden, ebenso die Hochgeschwindigkeitsturbinen. Beides entfällt beim Faserlaser.
    • Durch seine Robustheit eignet sich der Faserlaser sogar für den Einsatz in Ergänzung mit dem Plasmaschneidverfahren auf einer Schneidanlage, weitere Kombinationen sind denkbar!
    • Der Faserlaser ist damit weniger wartungsintensiv!
    • Aufgrund der Wellenlänge lässt sich der Strahl per Glasfaser verlustarm über weite Strecken leiten, dadurch ist der Einsatz in Schneidanlagen für große Portale >12.000 mm Schneidlänge möglich.
    • Das Glasfaserkabel kann sogar durch Energieketten geführt werden.
    • Aufgrund der Wellenlänge von typisch ca. 1,06 µm absorbiert das Metall die Laserenergie besser. Das Absorptionsverhalten des Faserlasers ist wesentlich günstiger, was sich vor allem bei stark reflektierendem Material und Buntmetallen positiv bemerkbar macht.
    • Der Faserlaser erzielt aufgrund des besseren Absorptionsverhaltens höhere Schnittgeschwindigkeiten gegenüber dem CO2-Laser.
    • Die spezielle Wellenlänge des Faserlasers erlaubt auch das Schneiden von Aluminium, Kupfer und Messing und anderen reflektierenden Metallen, mit denen der CO2-Laser seine Probleme hat. Beispiel: beim Schneiden von Stahl bis 6 mm Dicke besitzt der Faserlaser mit 1,5 kW die Schnittgeschwindigkeit eines 3 kW CO2-Lasers.
    • Typische Wellenlänge des Faserlasers 1,07 μm (je nach Lasertyp auch geringer) gegenüber 10,6 μm beim CO2-Laser.
    • Die hohe Ertragsleistung des Faserlasers aufgrund seines guten Absorptionsverhalten bei vielen metallischen Werkstoffen macht ihn besonders wirtschaftlich.

    Forum Thema: SCHNEIDTECHNOLOGIE - SCHNEIDMASCHINEN - CAD/CAM

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