Faserlaser versus CO2-Laser

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!

Die Wachstumsraten in Genre Laserschneiden von Metallen sind so hoch, dass bereits nach den ersten ca. 5 Jahren nach Einführung des Faserlasers die ersten Laserhersteller einen rund 50% Bestelleingang bei Faserlasersystemen verbuchen konnten und so den bisherigen CO2-Laser ablösten.

Was also steckt hinter dem Faserlaser? Warum konnte er in so kurzer Zeit so hohe Marktanteile gewinnen? Was sind seine entscheidenden Vorteile?

Welcher Laser schneidet Bleche besser? CO2-Laser versus Faserlaser

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 LMB. Es liegt in der Natur der Sache, dass wir im Schneidforum jedoch das Laserschneiden fokussiert betrachten.

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 im Blechzuschnitt

  • Schmale Schnittspalte, geringer Materialabtrag
  • Hoge Schnittgeschwindigkeiten
  • Sehr gutes Absorptionsverhalten auch bei glänzenden Metallen wie Aluminium und Edelstahl, Buntmetallen, daher hoher Wirkungsgrad
  • Investitionskosten
  • Geringe Wartung, Kompaktheit
  • Hohe Robustheit
  • Der Faserlaser erlaubt Schneidanlagen mit großen Abmessungen
  • Energiebedarf erheblich geringer

    Wesentliche Unterschiede der beiden Laserarten

    • 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.

    Fazit: Ist der Faserlaser eine echte Konkurrenz zum CO2-Laser in der Materialbearbeitung?

    Der Faserlaser stellt eine willkommene Erweiterung des Laser-Anwendungsgebietes dar. Eine Reihe der Nachteile gegenüber dem CO2-Laser wurden weitest gehend beseitigt und seine Vorteile erlauben es, ihn auch in neuen Einsatzbereichen zu etablieren und auszuweiten. Aus der anfänglichen Nische hat der Faserlaser sich deutlich heraus entwickelt. Bevor man sich für ein Lasersystem entscheidet, sollten in jedem Fall alle Vor- und Nachteile mit den Herstellern ausführlich besprochen werden, um sicher zu gehen, dass das Schneidverfahren installiert wird, das am besten zu den Anforderungen passt. In jedem Fall sind die geringen Betriebskosten, seine Energieeffizienz, seine Schnittgeschwindigkeit, die erzielbaren Schneiddicken und damit seine Einsatzmöglichkeiten Vorteile, die für den Faserlaser sprechen. 


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