Aktuelles, Trends, Entwicklungen beim Laser

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Faserlaser schneidet Rohr
Faserlaser bei der Rohrbearbeitung

Exemplarisch beschreiben wir in diesem Bericht das Laserschneiden mit den aktuellen Trends und Entwicklungen der Laserschneidtechnologie und den Highlights der Laserschneidbranche. Dieser redaktionelle Bericht unterliegt einer ständigen Anpassung und Aktualisierung an den Wandel der Technik (Stand 2023, stay tuned). Viele der hier vorgestellten Neuheiten wurden auf Fachmessen wie der CUTTING WORLD®, der BlechExpo® oder der EuroBlech® vorgestellt. Es ist unmöglich ein komplettes Abbild der gesamten weltweiten Laserschneidindustrie zu erstellen, daher präsentieren wir Ihnen hier nur einen Auszug des Machbaren als Querschnitt verschiedenster Technologien ohne Wertung.

Vier Trends und Entwicklungen im Laserschneiden mit dem Faserlaser

Faserlaser mit 8 kW Laserleistung
Beispiel: Faserlaser mit 8 kW Laserleistung

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: "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 die Schnittgeschwindigkeit bei einer Steigerung um je 2 kW 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. 

Dass was gestern noch 8 kW besaß, ist heute mit 15 - 20 kW oder mehr erhältlich. 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, um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Ähnlich wie beim Wasserstrahlschneiden mit der Suspensionstechnik, so gehen manche Hersteller auch in der Leistungsfrage einen anderen Weg - sie optimieren dabei nicht allein den Leistungsparameter sondern entwickeln intelligente Systeme, 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 Laserstrahldurchmesser 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: Entwicklung zu "qualitativ hochwertigeren Laserzuschnitten"

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 Entwicklung und Einsatz von 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 selbstständig 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. 

Ausblick in zukünftige und bahnbrechende Laseranwendungen

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:

  1. Mit Hilfe des Lasers holographische Bilder im freien Raum erzeugen, die auf Berührung reagieren, wie mit einer Tastatur
  2. Mit Laserscannern die Straße nach verdeckten Schlaglöchern abscannen und das auf 4m Breite bei einer Scangeschwidigkeit von 100 km/h
  3. Mit Laser Unkraut auf Feldern und in Gärten beseitigen, natürlich von fliegenden Drohnen
  4. Mit dem Laser Sprengstoff aus 100 m Entfernung erkennen, auch durch Koffer hindurch
  5. Laser als Ersatz für Xenon-Lampen in Kraftfahrzeugen - heute bereits Standard
  6. Laserstrahl ersetzt Zündfunke in Verbrennungsmotoren - heute wenig Zukunft
  7. Laserbohrer für die fast schmerzfreie Karriesbehandlung - heute machbar
  8. Laser erzeugt Regentröpfchen in der Luft, zwecks Wetterbeeinflussung
  9. 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.
  10. In der Schweiz wurde erprobt, in wie weit sich Blitze mit dem Laser ablenken bzw. kompensieren lassen.
  11. Installation von Hochleistungslasern auf Kriegsschiffe und anderen Fahrzeuge zum Abfangen von anfliegenden Raketen und Drohnen.

Nicht jede der hier vorgestellten Laser-Innovationen ist schon alltagstauglich (Stand 2022) - 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 2024) in bis zu 80 mm dicken Stahl und Edelstahl oder bis 60 mm Aluminium und auch andere Metalle und Stoffe.

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