Laserschneiden: Aktueller Stand der Laserschneidtechnologie 2023

Vier Optimierungen und Trends im Laserschneiden mit dem Faserlaser

Der Trend im Faserlaserschneiden geht, wie zu erwarten war, zu:

1. schneller,
2. dicker,
3. qualitativ hochwertiger und
4. höherer Wirtschaftlichkeit dank Automatisierung mit Künstlicher Intelligenz (KI).

Trend 1 im Laserschneiden: "Schnellere Zuschnitte"

Vom Zeitpunkt der CUTTING WORLD 2018 bis heute haben viele Hersteller die Laserleistung pro Jahr um mehr als 2 kW erhöht. Was damals noch mit 4 - 8 kW erhältlich war, kann jetzt mit 15 - 24 kW oder sogar 30 kW bezogen werden. Die Leistung steigt und mit der Laserleistung erhöhen sich auch die Schnittgeschwindigkeiten - im Schnitt kann diese bei einer Steigerung von 2kW Laserleistung um rund 6 % bis 15 % erhöht werden. Stattet man die Laserschneidanlage beispielsweise mit den weiter unten beschriebenen Automatisierungsoptionen aus, so sind die real erzielbaren Einsparungen noch weitaus höher. 

Gehen Sie davon aus, dass was gestern noch 8 kW besaß, heute mit 15 - 20 kW erhältlich ist. Doch auch dies wird nicht die letzte Messlatte darstellen. Schon seit 2022 sind Laser mit 30 kW Laserleistung am Markt erhältlich und in der Industrie anzutreffen.

Doch Laserleistung ist nicht das einzige Kriterium. Ähnlich wie beim Wasserstrahlschneiden mit der Suspensionstechnik, so gehen manche Hersteller auch in der Leistungsfrage einen anderen Weg - sie schrauben dabei nicht allein am Leistungsparameter sondern auch an intelligenten Systemen, die den Laserstrahl oszillieren lassen, seine Form verändern oder andere physikalische Parameter beeinflussen, um damit bei vergleichsweise geringerer Leistung ordentliche Schneidparameter zu erzielen. Dies zeigt, der Lasermarkt bietet eine Fülle an Entwicklungspotential in allen Richtungen, so dass Anwendern hier eine gute Auswahl an optimalen Werkzeugen zur Verfügung stehen.

Trend 2: "Dickere Zuschnitte"

Mit jedem Leistungssprung des Lasers wird auch die Grenze für die erzielbare maximale Schneidicke erhöht. Waren noch vor wenigen Jahren die Materialdicken um 15 mm bis 20 mm in Normalstahl das Maß der Dinge, so werden heute Werte von 50 mm bis 55 mm Dicke in Baustahl geschnitten. Besonders interessant dürfte dabei sein, dass auch der Schneidbereich der Buntmetalle, also Aluminium, Kupfer, Messing, etc. weiter deutlich angestiegen ist. Stark reflektierende Stoffe, in denen der CO2-Laser kaum signifikante Schneiddicken erreichte, sind für den Faserlaser dank dem guten Einkoppelverhalten, das seiner Wellenlänge geschuldet ist, problemlos zu schneiden. Selbst 50 mm dicken Edelstahl schneidet der Faserlaser mit akzeptabler Geschwindigkeit. 

Ein Problem des Faserlasers beim Dickblechschneiden liegt in seinem geringen Laserdurchmesser begründet. Der Laserstrahl mit einer Wellenlänge von ca. 1,07 µm erzeugt eine derart feine Schneidfuge, dass es kaum möglich ist, dickes Schneidgut aus seinem Nest heraus zu ziehen. Auch das Ausblasen des Schnittfugenmaterials ist bei der geringen Schnittbreite problematischer als beim CO2-Laser mit seiner ca. 10fach größeren Wellenlänge.

Die Ausweitung der maximalen Schneiddicke kann jedoch nicht nur mit mehr Leistung erzielt werden, sondern eben auch durch neuartige Schneidtechniken. Die Laserstrahlaufweitung sei es durch Optik oder durch andere Durchmesser der Glasfasern oder durch eine besondere Modulation des Laserstrahls erlauben die Erzielung höherer Schnittgeschwindigkeiten und das Trennen dickerer Metalle. Gleichgültig wie es gemacht wird, in jedem Fall haben die Hersteller durch geeignete Methoden das Einsatzspektrum erweitert.

Trend 3: "Qualitativ hochwertigere Zuschnitte"

Die geringere Wellenlänge des Faserlasers (ca. 1,07 µm gegenüber ca. 10,6 µm beim CO2-Laser) bietet den Vorteil des  besseren Absorptionsverhalten des Laserstrahls in Metall. Das Metall nimmt die Laserenergie besser auf und erreicht dadurch höhere Schnittgeschwindigkeiten und Schneiddicken. Doch wie jede Münze zwei Seiten besitzt, so hatte der Faserlaser naturgemäß die negative Eigenschaft ein wesentlich raueres Schnittbild zu erzeugen als beispielsweise der CO2-Laser oder der Primus in dieser Eigenschaft - der Plasmaschneider.

Durch die Strahlaufweitungsmethoden oder durch andere Düsen und Gasgemische oder durch Echtzeit-Schnittüberwachungssensorik oder durch eine Kombination dieser Möglichkeiten wurde dieser Nachteil erheblich reduziert. Heutige Faserlaser erzeugen fantastische Schnittqualitäten mit einer geringen Rauheit nicht nur im Kohlenstoffstahl, sondern auch bei vergüteten Stählen. Wenngleich die Oberflächenrauheit eines Plasmaschnittes im dickeren Blechbereich vom Faserlaser bisher nicht erreicht wird, sich jedoch sehr stark annähert.

Trend 4: "Höhere Wirtschaftlichkeit dank Automatisierung und KI (Künstliche Intelligenz)"

Der Laser, insbesondere der Faserlaser, lässt sich aufgrund seiner hohen Prozesssicherheit hervorragend automatisieren. Die hier beschriebenen Optionen sind nur ein Auszug der ständig wachsenden Anzahl von Möglichkeiten des Marktes. 

• Lager-, Automations- und Handlingsysteme erlauben die automatisierte Beschickung und Entnahme sowohl von Blechen als auch von lasergeschnittenen Teilen sowie der Restbleche. Je nach Hersteller differenzieren sich die Systeme über die mögliche Größe der entnehmbaren Teile, der Lagerkapazitäten, der Blechdicken etc.
• Optionale Ausbauten und Maschinenvariationen erlauben das Schneiden von Rohren, Rechteckprofilen oder Trägern, man ist nicht mehr auf Flachmaterial beschränkt. 
• Künstliche Intelligenz und besondere Rechenalgorithmen verhindern oder reduzieren das Kippen von ausgeschnittenen Teilen oder die Crashfahrt über geschnittene Bleche mit hervorstehenden Zuschnitten. 
• Je nach Hersteller können die Teile automatisiert und selbständig entnommen und sortiert auf Paletten oder in Kisten befördert werden.
• Die Schneidköpfe der Laseranlagen reinigen, wechseln und vermessen ihre Düsen selber und sorgen so für betriebsbereite Zustände und wenig menschliches Eingreifen. 
• Vielfältigste Fehler beim Schneiden, ob es am Laserstrahl oder Schneidgut liegt, werden je nach Hersteller erkannt und selbständig behoben. Schnelle Einstiche in dicke Materialien reduzieren die Bearbeitungszeit ebenso wie das automatische Einrichten des Strahls.
• CNC-Steuerungen besitzen eine Vielzahl an Schnittstellen. Sie lesen fremden Code nicht nur im DXF-, Step-, IGES-Format etc. ein, sondern sie erstellen je nach Hersteller auch automatisch und schnell den passenden CNC-Code. Die Bedienung der hochkomplexen Systeme, die Mensch-Maschine-Schnittstelle, wird zunehmend arbeits- und bedienerfreundlicher.
• Laserschneidsysteme eignen sich ebenso hervorragend zum Digitalisieren. Relevante Betriebswerte, Auslastungen und Prozesszustände können in Apps ausgewertet und angezeigt werden, natürlich schicht- und auftragsbezogen in Echtzeit.
• Predictive Maintenance (vorausschauende Wartung) ist mit Faserlaserschneidanlagen kein Fremdwort mehr, sondern zur Normalität geworden. Big Data ist in dieser Schneiddisziplin nicht mehr weit entfernt. 
  
  

Die Wirtschaftlichkeit derartig hoch automatisierter Faserlaserschneidanlagen ist damit auch in einem Hochlohnland weltmarktfähig und ein Garant für hohe Wettbewerbsfähigkeit, wenn das Produkt- und Auftragsspektrum den Einsatz derartiger komplexer Arbeitsschneidzentren erlauben. Denn über der Begeisterung aller technischen Möglichkeiten hinaus, ist eines deutlich, kein Unternehmer investiert in ein automatisiertes Schneidsystem, wenn der ROI (Return-on-Investment) dies nicht rechtfertigt und sein Auftragsbestand eine derart automatisierte Anlage nicht auslastet. Doch in einem solchen Fall muss es ja kein vollautomatisiertes System sein, eine klassische Laserschneidanlage mit vielen kleinen elektronischen "Helfern" könnte wohl auch ihren Zweck völlig hinreichend erfüllen. Welche Automatisierungsoptionen in Ihrem Fall sinnvoll sind, sollte im Vorfeld mit Hilfe von Wirtschaftlichkeitsberechnungen gründlich ermittelt werden. 

Fazit: Noch niemals zuvor hatten Anwender so viele bedeutende technische Möglichkeiten ihre Kosten durch Automatisierung mit Hilfe von Faserlaserschneidanlagen erheblich zu senken!