Wie funktioniert das Laserschneiden? Was zeichnet den Laserschneider aus?

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Von: Gerhard Hoffmann, Erstellt: 10. September 2021 Letzte Änderung: 25. Mai 2022

Beispiel für Laserschneiden: Gelasertes Fahrrad mit CO2-Laser, extrem filigrane Konturen aus Edelstahl 1.4301 — Bild 2: Beispiel für Laserschneiden: Gelasertes Fahrrad mit CO2-Laser aus Edelstahl 1.4301

Laserschneiden zählt zu den präzisen und schnellen thermischen Schneidverfahren. Das Kunstwort „LASER“ steht als Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Übersetzen lässt es sich mit: „Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Eine andere Übersetzung lautet „Licht angeregter Strahlung, emittierender Resonator“, die zwar ein wenig hölzern klingt, jedoch den Vorteil besitzt als Abkürzung ebenso dem Begriff Laser zu entsprechen.

Aus der Natur bekannt sind uns die thermischen Lichtquellen, allen voran die Sonne oder auch die Glühlampe. Thermische Lichtquellen breiten sich konzentrisch aus, die emittierten Wellen verlaufen radial zum Zentrum der Strahlungsquelle und unterscheiden sich damit wesentlich von der Wellenform eines Lasers, die eher durch einen axialen Verlauf beschrieben werden kann und genau dies zeichnet den Laserschneider aus.

Die Besonderheit des Laserschneiders liegt in einer gerichteten Aussendung der Laserstrahlung, die spektral scharf gekennzeichnet ist. Die entscheidenden Parameter für das Laserlicht sind:

Kohärenz: Kohärenz bezeichnet man in den Naturwissenschaften elektromagnetische Wellen, die hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Ausbreitung eine feste Phasenbeziehung zeigen. Kohärente Strahlung wird von Lasern und Teilchenbeschleunigern erzeugt.
Niedrige Divergenz: Laserstrahlung besitzt die Eigenschaft sich nur wenig auseinander zu entwickeln. Laserstrahlung lässt sich auf einen kleinen Fokusdurchmesser bündeln.

Dies sind zwei der wesentlichen Voraussetzungen für eine Lasermaterialbearbeitung (Abk. "LMB"), wie in Bild 2 dargestellt. Dieses winzig kleine Modell eines Fahrrads wurde mit einem 3 kW Co2-Laser ausgeschnitten.

Eine Laserstrahlquelle wird durch drei Grundelemente beschrieben:

Laseraktives Medium
Eine geeignete Einheit, die zur Anregung der Energie dient (wird auch als Pumpen bezeichnet)
Resonator, Laserresonator: Der Laserresonator besteht meistens aus einem voll- und einem halb- oder teilreflektierenden Spiegel. Innerhalb dieser Spiegelanordnung erfolgt eine ständige Rückkopplung der elektromagnetischen Strahlung und damit eine Verstärkung durch das Medium. Diese Rückkopplung erfolgt so lange, bis die Strahlung im aktiven Lasermedium durch den halbdurchlässigen Spiegel emittierten kann.

Funktionsweise Laserschneiden: Aufbau und Schaubild eines Laserresonators, Erzeugung des Laserstrahls im aktiven Medium — Bild 3: Funktionsweise Laserschneiden: Aufbau eines Laserresonators, Erzeugung des Laserstrahls: Schaubild

Das Schaubild in Bild 3 zeigt die Funktionsweise des Laserschneiders. In einem lasergeeigneten Material wird durch ein geeignetes Pumpsystem Energie eingebracht, so dass im lasergeeigneten Material eine Strahlung angeregt wird. Der Laserstrahl wird nun solange zwischen den beiden Spiegeln reflektiert, bis er einen bestimmten Energiewert erreicht hat. Mit Hilfe einer Auskoppelloptik verläßt der Laserstrahl das Medium und wird je nach Wellenlänge über eine geeignete Vorrichtung bis zur Fokussieroptik im Strahlkopf geleitet.

Wurde als laserfähiges Medium Gas beispielsweise CO₂verwendet, so kann der Strahl aufgrund seiner Wellenlänge von 10,6 µm nur über Spiegelsysteme geleitet werden. Wurde als laserfähiges Medium Ytterbium oder Neodyn:YAG eingesetzt, so weist seine Wellenlänge 1,06 µm auf und der Strahl kann hervorragend über Glasfasern bis zur Fokussieroptik auch über weite Strecken geleitet werden.

Der CO₂-Laser verfügt über die größte Wellenlänge von ca. 10,6 µm. Excimerlaser hingegen haben die kürzeste Wellenlänge von ca. 157 - 308 nm und benötigen hohe Pumpleistungen für die Anregung des Resonators, aufgrund hoher spontaner Emissionen, die bei kurzen Wellenlänge ≡ hohe Frequenz auftreten.

Laseraktivität kann bei einer Menge an Materialien festgestellt werden. Allerdings eignen sich nicht alle laseraktiven Materialien für eine Laseranwenung, wenn deren Effizienz nicht gewährleistet ist. Grundsätzlich lassen sich die Stoffe in drei Gruppen unterteilen:

Gase (z.B. CO₂-Molekül, He-Ne, Excimere)
Festkörper (Nd:YAG, Ti:Saphir, Yb oder Dotierte Glasfasern)
Halbleiter (GaAs, ZnSe, Ga, Ni)

Die Wellenlänge von Lasercuttern bestimmt die Lasermaterialbearbeitung

Je nach verwendetem laseraktiven Material besitzt der Laser eine spezifische Wellenlänge. Die Wellenlänge übt großen Einfluss auf die Materialbearbeitung aus.

Excimerlaser: 157nm - 308 nm EUV-UV
He-Ne-Laser: 633 nm VIS sichtbarer Bereich
Diodenlaser: 808 nm NIR nahes Infrarot
Nd: YAD-Laser (Faserlaser): 1,06 µm. NIR nahes Infrarot
CO₂-Laser: 10,6 µm NIR nahes Infrarot

Diese materialtypischen Wellenlängen bestimmen nun im wesentlichen den Einsatz in der Materialbearbeitung, respektive dem Laserschneiden.

Voraussetzungen für die Materialbearbeitung mit dem Lasercutter:

Hohe Monochromasie (spektral scharf)
Fokussierbarkeit, hohe Energiedichte
Große Kohärenz (Wellen haben eine feste Phasenbeziehung in räumlicher und zeitlicher Ausbreitung)
Erzeugung kurzer Impulse
Geringe Divergenz, kein Auseinanderentwickeln der Strahlung

Soweit also zunächst einmal zur Theorie. Damit wir Laserschneiden können brauchen wir natürlich ein geeignetes Maschinenführungssystem für den Laserstrahl. Als Basis ist wenigstens ein zwei Achsen-Koordinatensystem mit einer Laseroptischen Z-Achse erforderlich. Der Faserlaser wird über eine Glasfaser durch Energieketten zur Z-Achse geleitet und dort im Laserschneidkopf, der Laseroptik, fokussiert. Dabei gibt es eine Reihe von weiteren physikalischen Parametern zu beachten, deren Einstellungen die CNC-Steuerung, Sensoren und Aktuatoren übernehmen.

Das CNC-gesteuerte Führungssystem bewegt nun den Laserstrahl über das Schneidmaterial in der dafür geeigneten Geschwindigkeit und Beschleunigung. Da der Laserstrahl heutiger Systeme auch 30 kW (Stand 2022) besitzt sind extrem hohe dynamische Leistungen erforderlich. Je nach Blechdicke schneiden heutige Laserschneidanlagen mit Geschwindigkeiten von mehr als 20 m/min im dünneren Blechdickenbereich, zum Teil schneiden Laser auch mit über 100 m/min. Die Positioniergeschwindigkeiten liegen bei manchen Anlagen um die 200 bis 300 m/min. Die für eine exakte Konturenfahrt erforderliche Beschleunigung liegt oftmals bei mehr als 5 m/s². Die dafür erforderlichen hohen Antriebskräfte erfordern auch ein entsprechend steifes und schwingungsarmes Maschinenbett. Schwingungen beim Zuschnitt sind in jedem Fall zu vermeiden, da dies zu unbrauchbaren Schnittergebnissen führen würde. Daher sind viele Maschinen aus Spezialmaterialien schwingungsarm aufgebaut, mit Beton oder anderen Stoffen ausgegossen oder verfügen über ein Maschinenbett aus Granit. Auch an das Fundament werden hohe Anforderungen gestellt, damit die erforderlichen Beschleunigungskräfte schwingungsarm erreicht werden können. Damit diese Maschinen- und Steuerungsanforderungen erfüllt werden können, ist ein erheblicher Aufwand bei der Regelungs- und Antriebstechnik sowie der Maschinenkonstruktion erforderlich, der sich natürlich auch im Investitionspreis niederschlägt.

Die Wellenlänge des Lasers wird vom laserfähigen Medium bestimmt. Anhand der Wellenlänge kann man Rückschlüsse auf das Lasermedium schließen. Bei Wellenlänge um 10 µm liegt die Vermutung nahe, dass es sich um einen CO₂ Laser handelt. Bei einer Wellenlänge um 1 µm könnte es sich um einen Faserlaser handeln. Liegt die Wellenlänge ein wenig darunter könnte es ein Diodenlaser sein u. s. w.

Doch die Wellenlänge verrät dem Praktiker noch viel mehr für das Laserschneiden. Sie ist quasi der Steckbrief des Arbeitsmittels Laserschneider, der das Einsatzgebiet umschreibt.
Beispielsweise kann mit einer Wellenlänge um 1 µm das Licht besser in Metalle beim Laserschneiden einkoppeln, es besitzt ein wesentlich höheres Absorptionsverhalten als Licht mit größerer Wellenlänge. Diese Eigenschaften der kürzeren Wellenlänge wirkt sich auch positiv bei spiegelnden Oberflächen aus und erlaubt damit ein effektiveres Schneiden von glänzenden bzw. stark reflektierenden Metallen.

Hingegen ist die Schnittgeschwindigkeit bei einer Wellenlänge um 10 µm aufgrund geringeren Absorptionsverhaltens geringer und der Schnittspalt ist breiter. Bei reflektierenden Metallen gibt es starke Einschränkungen hinsichtlich der zu schneidenden Materialdicke.

Tatsächlich verhält es sich auch so in der Praxis, wie angenommen.

Manche Wellenlänge sind für bestimmte Schweißanwendungen besser geeignet.

Die Wellenlänge des Lasers besitzt damit ein individuelles physikalisches Verhalten im Bezug auf die zu bearbeitenden Werkstoffe, wie wir in den nächsten Kapiteln bei der Blechbearbeitung tiefer betrachtet werden.

Die Fragestellung nach dem Preis soll hier möglichst breit und umfassend besprochen werden. Denn den einen Preis, den gibt es nicht. Je nach Ausstattung, Größe und Umfang variieren die Preise um ein Vielfaches.

Für Do-It-Yourself Akteure, die sich einen Lasercutter selber bauen möchten und einen xy-Koordinatentisch mit CNC-Steuerung, Schrittmotoren und DXF-Schnittstelle bereits besitzen, stellt sich die Frage nach dem Preis einer geeigneten Strahlquelle. Bis vor wenigen Jahren galt noch die Faustformel pro 1 kW Laserleistung müsse man rund 50.000,- Euro zahlen. Doch dies ist Geschichte. Heute können Faserlaserstrahlquellen mit 1 kW Leistung bereits für deutlich unter 50.000,- Euro am Markt erstanden werden und zum Teil auch unter 25.000,- Euro, wenn die Ware direkt aus China bezogen wird. Doch Achtung: Laser unterliegen einer Reihe von sicherheitstechnischen Anforderungen und Gesetzten, die importierte Billigware nicht unbedingt erfüllt. Daher müssen Sie selbst für sich entscheiden, ob Sie das Risiko einer Produkthaftung und mangelhaften CE eingehen wollen. Das Risiko ist sehr hoch.

Für Unternehmen, die weniger gerne experimentieren, sondern lieber direkt in die Produktion einsteigen möchten, wird es sich eher empfehlen, gleich zu einer Fertiganlage zu wechseln. Dabei besteht der Lasercutter aus der Strahlquelle, der Strahlführung, dem Laserschneidkopf, dem xy-Koordinatentisch samt CNC und CAD/CAM-Steuerung sowie - nicht vergessen - einer ordentlichen Staubfilterung und einer CE-konformen Einhausung der gesamten Maschine. In diesem Fall sehen die Kosten gleich ganz anders aus und liegen, je nach Leistung, Automatisierung und Tischgröße liegen Laserschneider ca. von 500.000 Euro bis 1.000.000 Euro und mehr. Mittlerweile kommen auch Laserschneider für unter 300.000,- auf den Markt, wobei man auch hier genau unterscheiden sollte, welche Anforderungen, Qualitäten und Leistungen damit verbunden sind.

Unternehmen, die im großen Stiel in das Lasergeschäft einsteigen, setzen auch auf eine wirtschaftliche Intralogistik und bauen um den Laserschneider gleich die Beschickung mit ein, mit Hochregallager, automatischer Zufuhr und Entnahme der Platten und Teile bis zur Einsortierung auf die Paletten. Selbstverständlich vollautomatisiert und auftragsbezogen, so wie es eine vernünftige Digitalisierung und Automatisierung erlaubt.

Dass dabei die Preise schnell über die 1 Mio.Marke ansteigen, dürfte jedem klar sein. In Abhängigkeit der Größe des Lagerturms und der Anzahl der Lagerplätze, Kassetten, ob mit oder ohne Roboter und Handlingsystem die automatische Beschickung erfolgt, ob noch weitere Fertigungsprozesse gleich mit an den Datenfluss des Lasercutters integriert werden, ob mannlose Förderfahrzeuge die Intralogistik übernehmen etc., bestimmen diese Komponenten weitestgehend den Preis. Der Lasercutter selber spielt dabei mit seinen Anschaffungskosten eine vergleichsweise geringere Rolle. Entsprechenden Durchsatz an Laserteilen vorausgesetzt, kann man die Wirtschaftlichkeit und die Produktionskapazität des automatisierten Systems nicht mit einem einfachen Lasercutter vergleichen.

Die Bandbreite der Marktpreise ist sehr groß und nicht pauschal angebbar. Entscheidend ist der Einsatzfall, die Aufgabenstellung, der Automatisierungsgrad der Fertigung, die Digitalisierungsstufe, der Durchsatz, die Größe und die Leistung. Zu empfehlen ist immer das Einholen von aktuellen Marktpreisen für Laserschneider, bei denen Sie den Herstellern möglichst die gleiche Aufgabenstellung zukommen lassen, sonst ist ein Vergleich kaum möglich.

Praxistipp: Zu den Kosten für den Laserschneider kommen noch sekundäre Kosten hinzu, die Sie nicht aus den Augen verlieren sollten. Je nach Typ und Hersteller sind bestimmte Aufstellungsanweisungen erfolgt, benötigt der Laser ein beheiztes, im Sommer gekühltes Umfeld, Anforderungen an das Fundament, die Beschickung der Anlage, die Lagervorhaltung des Materials, die Energieversorgung. Auch diese Punkte können schnell einige Zehntausend Euro betragen und dürfen in Ihrer Kalkulation nicht vergessen werden. Wickeln Sie den Kauf einer umfangreichen Schneidanlage immer mit einem Lastenheft ab, es vermindert die Kommunikationsprobleme, die zwischen Lieferant und Kunde entstehen können.

Laserschneiden von 3 mm Aluminium mit 8 kW Laserleistung — Bild 1: Laserschneiden mit dem Faserlaser

Ob beim Fügen, Trennen oder dem Beschichten - immer mehr Einsatzgebiete erschließt das einzigartige, kohärente Licht bzw. die kohärenten Lichtstrahlen. Das Laserschneiden ist in der Metallbearbeitung schon lange nicht mehr weg zu denken. Wir betrachten hier in diesem Bericht weniger die theoretischen Grundlagen des Lasers, auch nicht das Fügen, sondern konzentrieren uns auf das Laserschneiden, insbesondere von Metall und Blech unter Berücksichtigung der praxisrelevanten Eigenschaften, wobei wir hier in diesem ersten Kapitel die notwendigen Basisbegriffe und Funktionen des Lasers vorstellen.

Wer weiß, welche Bedeutung der Laser heute gehabt hätte, wenn nicht der Faserlaser zu seinen revolutionierenden Feldzug ab ca. 2010 angetreten wäre? Der Faserlaser zählt zu der Gruppe der Festkörperlaser. Laserschneidanlagen mit Festkörperlasern gab es zwar bereits seit den 1980er Jahren, doch waren die Laserleistungen noch gering. Zu Beginn lagen die Laserleistungen in der Größenordnung 50 - 100 Watt und spielten daher in weiten Bereichen der Industrie nur eine untergeordnete Rolle. Erst mit der preiswerten Produktion des Faserlasers und einer relevanten Leistung von 1 kW und mehr begann der enorme Aufstieg dieses Schneidverfahrens, dessen Vorteil unter anderem in der einfachen und preiswerten Übertragung des Laserstrahls über eine Glasfaserleitung möglich ist.

2009 hatte das Schneidforum an einem Deutschen Brennschneidtag® hierzu das Fraunhofer Institut Dresden eingeladen und über die Potentiale des Faserlasers diskutiert.

Im Bild 1 ist ein Faserlaser mit 8 kW Laserleistung zu sehen, der gerade ein Alumniumblech mit 3 mm Dicke zuschneidet.

Auf den folgenden Seiten erklären wir die Vorteile und die Nachteile des Faserlasers im Vergleich zum CO₂-Laser sowie die Eigenschaften des Faserlasers und stellen die Frage, welche Einsatzgebiete noch für den Co₂-Laser verbleiben sowie seine speziellen Betriebsarten und Parameter für das Schneiden von Blechen.

Historie des Laserschneidens: Eine Kurzübersicht

1917 Albert Einstein legt das physikalische Fundament

1960 Maiman, USA: Bewies als erster den Lasereffekt im Rubinlaser

1962 Siemens: Erster kontinuierlich strahlender He-Ne-Laser

1962 Erster Diodenlaser

1965 Herziger, DE: Einsatz des Laser zum Bohren von Diamant

1978 Erste industrielle Schneidanlage

1985 Trumpf: erster 1 kW CO₂-Laser mit Hochfrequenzanregung

1987 3D-Systems, USA: Entwicklung generativer Laserverfahren

1988 Erste Pumpen mit Diodenlaser

1991 IPG, USA: Erste kommerzielle Faserlaser im Watt-Bereich (50-100 W)

1999 Trumpf: Erster diodengepumpter Scheibenlaser mit 1kW

2020-2021: IPG, USA: 20-25 kW

ab 2022: Faserlaser für Industrie und 30 kW

Dass der Laser in der Medizin aber auch in der Industrie nicht mehr wegzudenken ist, ist weitläufig bekannt. Der Laser findet seinen Einsatz bei Scannern für selbstfahrende Fahrzeuge oder zur Vermessung von Gegenständen. Doch die neusten Laser-Applikationen versetzen immer mehr Akteure ins Staunen und manche der hier vorgestellten Laseranwendungen gelten bereits als Standard, Stand 2020/2021:

Mit Hilfe des Lasers holographische Bilder im freien Raum erzeugen, die auf Berührung reagieren, wie mit einer Tastatur
Mit Laserscannern die Straße nach verdeckten Schlaglöchern abscannen und das auf 4m Breite bei einer Scangeschwidigkeit von 100 km/h
Mit Laser Unkraut auf Feldern und in Gärten beseitigen, natürlich von fliegenden Drohnen
Mit dem Laser Sprengstoff aus 100 m Entfernung erkennen, auch durch Koffer hindurch
Laser als Ersatz für Xenon-Lampen in Kraftfahrzeugen - heute bereits Standard
Laserstrahl ersetzt Zündfunke in Verbrennungsmotoren - heute wenig Zukunft
Laserbohrer für die fast schmerzfreie Karriesbehandlung - heute machbar
Laser erzeugt Regentröpfchen in der Luft, zwecks Wetterbeeinflussung
Lasereinsatz bei 3D-generativem Verfahren erzeugt Gegenstände aus pulverisiertem Material bestehend aus Stein, Metallen, Kunststoffen etc., die komplexere Geometrien und Strukturen aufweisen können, als Gegenstände, die durch konventionelle Bearbeitungen (Fräsen, Drehen, Schweißen etc.) gewonnen werden - heute bereits Standard.
In der Schweiz wird erprobt, in wie weit sich Blitze mit dem Laser ablenken bzw. kompensieren lassen.
Immer mehr Kriegsschiffe und andere Fahrzeuge erhalten Laserstrahlquellen zum Abfangen von anfliegenden Raketen.

Nicht jede der hier vorgestellten Laser-Innovationen ist schon alltagstauglich - aber es ist ein Beleg für die Schaffenskraft menschlichen Erfindungsgeistes und die vielfältigen Möglichkeiten dieser kohärenten Strahlung. Und wir stehen noch am Anfang der Laserära.

Der Laser als Schneidwerkzeug im Metallbereich hat sich etabliert. Er schneidet im Mikrobereich Stands für den Blutkreislauf, Uhrenwerke und andere Kleinstanwendungen. Der Laser schneidet aber auch Rohre und Metalle auch in XXL-Größen bis 25.000 mm Schneidlänge und auch darüber hinaus. Er schneidet mannlos vollautomatisiert dreischichtig und er schneidet zur Zeit (Stand 2022) in ca. bis zu 50 mm dicken Stahl und Edelstahl oder bis 40 mm Aluminium und darüber hinaus und er schneidet auch eine Vielzahl weiterer Stoffe.

Soweit also unser Einstieg in die Welt des Laserschneidens. Wir hoffen, Sie damit richtig neugierig gemacht zu haben, wie es weitergeht mit dem Laser. In den folgenden Abschnitten wird es praktisch. Praktisch geht es auch in unserem Marktplatz zu, in dem Sie nach vielen interessanten Suchwörtern stöbern können.