For our English speaking visitors - click here: "Current Status of Laser Cutting Technology"

As expected, the trend in fibre laser cutting is heading towards:

  • Quicker
  • Thicker
  • Higher quality
  • Higher economic viability thanks to automation and AI (artificial intelligence)

 

1. Optimisation in Laser Cutting: "Quicker Blank Cuts"

From the point in time of CUTTING WORLD 2018 to the spring of 2019, many manufacturers have increased the laser power by at least 2 kW in less than twelve months. What was still available with 4 kW at that time can now be purchased with 6 kW or more. The power is rising and the cutting speeds are also increasing with the laser power. With a 2 kW rise in the laser power, this can be increased by around 6% to 15% on average.
Assume that what still had 8 kW yesterday is available with 10 kW today. However, even that will not constitute the last measuring stick. We are certain that the 20 kW laser power will be reached and exceeded in just a few years.

2. Optimisation in Laser Cutting: "Thicker Blank Cuts"

The limit for the attainable maximum cutting thickness is also increased with every jump in the power of the laser. While the material thicknesses around 15 mm to 20 mm in normal steel were still the measure of all things just a few years ago, thickness values from 25 mm to 30 mm are being achieved today. In this respect, it should be particularly interesting that the cutting ranges of the non-ferrous metals (i.e. aluminium, copper, brass etc.) have also continued to rise substantially. Thanks to its wavelength, it is no problem for the fibre laser to cut extremely reflective substances in which the CO2 laser achieved hardly any significant characteristic figures. The laser even cuts 50 mm high-grade steel at an acceptable speed.

3. Optimisation in Laser Cutting: "Higher-Quality Blank Cuts"

The shorter wavelength of the fibre laser (approx. 1.07 µm compared with approx. 10.6 µm in the case of the CO2 laser) offers the advantage of the laser beam's better absorption behaviour in metal. The metal is better at absorbing the laser energy and thus achieves higher cutting speeds and cutting thicknesses. However, just as every coin has two sides, the fibre laser naturally had the negative property of producing a considerably rougher cutting pattern than, for example, the CO2 laser or the number one in this property - the plasma cutter.

The problem could only be solved with the aid of the beam expansion methods. On this subject, also read the report given by Mrs. Cindy Goppold, iws Fraunhofer Institute Dresden, at the German Cutting Congress 2018. The laser beam expansion (no matter whether using optics, other fibre diameters or particular modulation of the laser beam) makes it possible to achieve higher cutting speeds, to cut thicker metals at a constant laser power as well as to obtain a considerably better cutting quality in the heavy-plate range. Today's fibre lasers produce fantastic cutting qualities with lower roughnesses not only in carbon steel but also with quenched-and-tempered steels.

4. Optimisation in Laser Cutting: "Higher Economic Viability Thanks to Automation and AI"

Storage, automation and handling systems permit the automated loading and removal not only of sheets and plates but also of laser-cut parts as well as of the residual sheets and plates. Depending on the manufacturer, the systems are differentiated using the possible sizes of the removable parts, the storage capacities, the sheet and plate thicknesses etc.
Optional extensions and machine variations permit the cutting of pipes, rectangular sections or beams. There are no longer any restrictions to flat materials.

Artificial intelligence and particular computing algorithms prevent or reduce the tilting of cut-out parts or the crash run over cut sheets and plates with protruding blank cuts.
Depending on the manufacturer, the parts can be removed in an automated and independent operation and conveyed on pallets or in boxes in a sorted form.

The cutting heads of the laser installations clean, change and measure their nozzles themselves and thus ensure ready-for-operation conditions and little human intervention.

The most diverse defects during cutting, no matter whether these are caused by the laser beam or the material to be cut, are recognised and independently rectified depending on the manufacturer. Quick piercing operations into thick materials reduce the processing time, as does the automatic setting-up of the beam.

CNC systems have a large number of interfaces. They not only read in an external code as DXF, Step, IGES etc. but also create the appropriate CNC code in an automatic and quick operation depending on the manufacturer. The operation of the highly complex systems, the human/machine interface, is becoming increasingly friendly to the work and the operator.

Laser cutting systemes are also outstandingly suitable for digitalisation. Relevant operating values, utilisation rates and process conditions can be evaluated and displayed in apps, naturally in real time in relation to the shift and the order. With fibre laser installations, predictive maintenance is no longer a foreign term but has instead become normality. Big data is no longer far away in this cutting discipline.

 

Aktueller Stand der Laserschneidtechnologie Feb. 2019

Faserlaser schneidet Rohr
Faserlaser bei der Rohrbearbeitung

Exemplarisch beschreiben wir in diesem Bericht Highlights der Laserschneidbranche. Dieser redaktionelle Bericht unterliegt einer ständigen Anpassung und Aktualisierung an den Wandel der Technik (stay tuned). Viele der hier vorgestellten Neuheiten wurden auf Fachmessen wie der CUTTING WORLD® 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 Optimierungen und Trends im Laserschneiden mit dem Faserlaser

Faserlaser mit 8 kW Laserleistung, schneidet bis zu 50 mm Edelstahl
Beispiel: Faserlaser mit 8 kW Laserleistung, schneidet bis zu 50 mm Edelstahl

Stand: Feb. 2019

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

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

 

1. Optimierung im Laserschneiden: "Schnellere Zuschnitte"

Vom Zeitpunkt der CUTTING WORLD 2018 bis Februar 2019 haben viele Hersteller in weniger als zwölf Monaten die Laserleistung um min. 2 kW erhöht. Was damals noch mit 4 kW erhältlich war, kann jetzt mit 6 kW oder mehr bezogen werden. Die Leistung steigt und mit der Laserleistung erhöhen sich auch die Schnittgeschwindigkeiten - im Schnitt kann diese bei einer Steigerung um 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 10 kW erhältlich ist. Doch auch dies wird nicht die letzte Messlatte darstellen. Wir sind sicher, dass in wenigen Jahren die 20 kW-Laserleistung erreicht und überschritten werden wird.  

 

2. Optimierung im Laserschneiden: "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 25 mm bis 30 mm Dicke 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 seiner Wellenlänge 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 auszublasen.

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.

 

50 mm Aluminium mit 8 kW Faserlaser geschnitten

50 mm Edelstahl mit einem 8 kW Faserlaser geschnitten 

 

3. Optimierung im Laserschneiden: "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 - Stand Sommer 2019 - die Oberflächenrauheit eines Plasmaschnittes im dickeren Blechbereich vom Faserlaser bisher nicht erreicht wird.

15 mm Edelstahl mit 5 kW CO2-Laser geschnitten und hervorragenden Schnittflanken, geringe Rauheit

12 mm Edelstahl mit 6 kW CO2-Laser geschnitten und hervorragenden Schnittflanken, geringe Rauheit

 

4. Optimierung im Laserschneiden: "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.

 

(Quelle: Autor © Schneidforum Consulting, Solingen 28.02.2019)


Fazit

Der Markt bietet ein reichhaltiges Angebot an Lasertechnologien, die sich ideal an die Erfordernisse der Produktion anpassen lassen. Mit diesem ersten Einblick in die aktuelle Schneidtechnologie wird deutlich, dass auch die Automatisierung und damit der Industrie 4.0-Ansatz Einzug gehalten haben. Für viele Anwender ist die automatisierte, von Handlingsystemen und Robotern unterstützte Fertigung, kaum mehr weg zu denken. Damit der Faserlaser überhaupt einen solchen Siegeszug halten konnte, waren aufwendige Entwicklungen erforderlich. In unserem Laser-Grundlagenartikel haben wir die Pros und die Cons des Faserlasers gegenübergestellt. Doch mittlerweile sind eine Vielzahl der Cons durch neue Entwicklungen in der Strahltechnologie, Strahlaufweitung und Regelungstechnik aufgehoben worden. Wir glauben, im Laser steckt weiteres Potential und wir dürfen daher auf die nächsten Entwicklungen gespannt sein.      

 

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