Laserschneiden von Blechen - Laserschneider in der Materialbearbeitung

Laserschneiden von Metallen - erst die Automatisierung macht den Unterschied

Laserschneiden in der Bearbeitung von Blechen und Metallen ist aus heutiger Sicht in der Industrie kaum mehr weg zu denken. Doch das Laserschneiden ist ein komplexer Prozess mit einer Vielzahl an physikalischen Parametern und Einstellmöglichkeiten. Bevor der Laser Bleche trenne kann, sind eine Vielzahl komplexer Einstell- und Justagevorgänge erforderlich. Durch die hohe Kontinuität des Schneidverfahrens eignet es sich besonders für eine wirtschaftliche Automatisierung und Digitalisierung der Laserschneidanlagen. Wir stellen in diesem Kapitel eine Reihe wichtiger Parameter des Laserschneiders vor, so das man begreift, dass ohne eine entsprechende Automatisierung das Werkzeug Laserschneider im industriellen Einsatz bei der wirtschaftlichen Materialbearbeitung kaum handhabbar wäre. Laserschneidanlagen bedienen sich einer Vielzahl an Automatisierungen, mit denen die Parameter des Laserprozesses komfortabel eingestellt werden.  

Die Automatisierung vieler Laserscheidmaschinen ist derart weit fortgeschritten, dass sich das Laserschneiden von Blechen nur noch auf wenige Handgriffe konzentrieren lässt, die wie folgt aussehen können:  

• Die Arbeit an einer Laserschneidmaschine beschränkt sich bei modernen Anlagen damit, das nächste CNC-Programm auszuwählen, die Maschine zu kontrollieren und zu starten.
• Moderne Laserschneider holen sich das geforderte Material aus dem Lager, beschicken und räumen den Tisch selbständig ab, stellen selber die optimale Fokuslage ein, überprüfen den Mode und tauschen die Düse selber aus oder reinigen sie selber. Sie stellen alle Prozessparameter passend zum Material ein.
• Der Maschinenführer an einem modernen Lasercutter wählt das Programm aus, richtet die Laserschneidmaschine ein, überwacht den Laserschneidprozess, sorgt für Materialnachschub, überprüft die Qualität und wendet Störungen ab.
• Der Laserschneidprozess erfordert die Verwaltung und die Einstellung einer Vielzahl an Parametern, die so komplex sind, dass kaum ein Bediener diese in kurzer Zeit beherrschen kann. Die Einrichtzeiten wären im praktischen Alltag eines Lohnschneiders viel zu langwierig und würden den Laserschneidprozess unwirtschaftlich werden lassen. Daher übernehmen dies zum großen Teil die Materialdatenbanken und die Sensoren der CNC-Steuerung und die Automatisierungskomponenten der Laserschneidanlage. Von diesem hohen Automatisierungsgrad sind die anderen Schneidprozesse beispielsweise das Plasmaschneiden oder Brennschneiden aber noch ein Stück weit entfernt.
• Das Werkzeug "Laserstrahl" bleibt auch nach 100 Schnitten der gleiche, es ändert sich nicht, wenn die Parameter stimmen. Der Laserschneider ist ein Werkzeug, das quasi nicht stumpf wird, nicht abnutzt und sich daher ganz besonders zur Bearbeitung von Metallen und Blechen eignet. Ganz anders hingegen verhält es sich mit dem Düsenverschleiß beim Autogenschneiden, Plasmaschneiden und Wasserstrahlschneiden. Der Schnittspalt und damit die Genauigkeit und die Qualität der Teile sind von der Betriebsdauer der jeweiligen Schneidverfahren abhängig. Doch beim Laserschneiden zeigt das Werkzeug Laser eine relativ hohe Kontinuität im Fertigungsprozess und stellt damit eine ideale Ausgangsbasis für die hohe Automatisierbarkeit und Digitalisierung des Lasercutters dar.

Parameter beim Laserschneiden

• cw-Betrieb bedeutet, dass die konstant hohe Ausgangsleistung ohne Unterbrechung für den Schnitt zur Verfügung steht. Es wird nahezu die gesamte Energie des Lasers benutzt, um den Werkstoff zu schmelzen. Bei anspruchsvollen, filigranen Konturen, Innenausschnitten oder einer Richtungsumkehr der Schneidanlage kann ein Wärmestau entstehen, der das Material überhitzt und so zu einer schlechteren Schnittqualität führt.
• Alternativ beim Schneiden filigraner Konturen oder auch beim Lochstechen in dickeres Material wird die Pulsleistung eingesetzt. Der Strahl wird in kurzen Abständen mit einer höheren Frequenz gepulst, die Durchschnittsleistung des Lasers wird so erheblich reduziert und die Schnittgeschwindigkeit wird damit in Folge zum Teil auf bis auf 10% des Normalwertes im cw-Betrieb reduziert.
• Die Laserstrahlleistung wird in Watt bzw. kW beschrieben. Wird die Leistung pro Sekunde aufgeführt, spricht man von der Energie, in diesem Fall ist die abgegebene Strahlungsenergie pro Sekunde gemeint.
• Die Intensität beschreibt die Laserstrahlleistung bezogen auf die Fläche, auf die er einwirkt.
  
  Beispiel: Laser mit 10.000 Watt fokussiert auf einen Brennfleck von 0,3 mm Durchmesser, dann beträgt seine Intensität: 
  Intensität = Laserleistung / bestrahlte Fläche => 10000 Watt / 0,07068 mm² = 141.475 W/mm²
  
  
• Je höher die Intensität des Laserstrahls, desto:
  • schneller die Erhitzung des Schneidmaterials
  • weniger thermische Energie fließt in die Randzonen des Schnittes ein
  • höhere Schnittgeschwindigkeit
  • dickeres Material kann geschnitten werden
  • höhere Schnittqualität.
• Eine hohe Intensität und damit die maximal schneidbare Materialdicke kann sowohl bei hoher Leistung im cw-Betrieb als auch im Pulsbetrieb erreicht werden.
• Die optischen Eigenschaften der Linse verändern den Brennfleckdurchmesser und seine Fokustiefe. Eine Linse mit kurzer Brennweite erzeugt einen kleinen Brennfleck mit einer geringen Fokustiefe (=Rayleighlänge, analog zur Schärfentiefe in der Optik).
• Die Rayleighlänge ist genau die Länge, bei der sich die Intensität maximal um den Faktor 2 ändert ^*1.
• Die Fokuslage bezeichnet den Abstand zwischen Mitte der Fokussierlinse und dem Fokuspunkt ^*1.
  Da die Herstellung der Optik nicht 100% identisch erfolgen kann, muss nach jedem Wechsel der Optik die Fokuslage neu eingemessen werden.
• Je geringer die Fokustiefe, desto geringer die zu schneidende Blechdicke.
• Die Schnittgeschwindigkeit hingegen hängt von der Laserleistung ab. Je höher die Leistung, desto schneller kann der Laser trennen. Zum Verständnis: Ein Laser mit einer hohen Leistung besitzt nicht automatisch eine hohe Intensität. Sondern die Schneidlinse mit ihrer Brennweite und der Fokuslage ist ein wesentliches Element, wenn es um die Schnittgeschwindigkeit geht. Je nach Materialdicke, Art und seiner Beschichtung entscheidet die CNC-Laserschneidanlage, wie groß sie den Brennfleck und Rayleighlänge einstellt. Eine große Rayleighlänge eignet sich für größere Materialdicken. Der Fokus kann durch die Linse so eingestellt werden, dass er vor, auf, im oder hinter dem Material liegt - mit jeder Veränderung des Fokuspunktes ergeben sich auch andere Schnittparameter und Schnitteigenschaften. Ein größere Fokustiefe bedeutet aber auch einen größeren Brennfleck und damit eine geringere Intensität und somit geringere Schnittgeschwindigkeit, es sei denn, die geringere Intensität wird durch eine höhere Laserleistung kompensiert.
• Faser-, Dioden- und Scheibenlaser besitzen eine hervorragende Fokussierbarkeit, auch über größeren Abstand hinweg. Dies macht man sich zu nutzte in der sogenannten „cutting-on-the-fly“-Technik, bei der der Laserstrahl über bewegliche Spiegel besonders schnell auf das Schneidmaterial geleitet wird, die Abstände dabei sind zwar größer, aber im Rahmen der Rayleighlänge des Faserlasers im zulässigen Bereich. Natürlich kann bei dieser Technik nicht mit Gaszusatz geschnitten werden. Daher wird diese Technologie eher für dünneres Material eingesetzt. ^*1
• Je kürzer der Abstand zwischen Düse und Material, desto höher der Anspruch an die Nachführelektronik, den Abstand konstant nach zu regeln.
• Laser im Multimode erreichen Leistungen um 100 kW, sind aber für das Schneiden meistens ungeeignet. Im Singlemode erreichen die Laser deutlich geringere Leistungen, z.B. 20 kW sind aber für das Schneiden geeignet.
• Stabile Resonatoren liefern im Grundmode TEM00 eine Intensitätsverteilung, die ein gaussförmiges Glockenprofil besitzt, dies entspricht dem Singlemode. In der Gaussverteilung ist ca. 86% der gesamten Laserleistung enthalten ^*1. 
  
  

Variable und feste Größen

Die Parameter beim Laserschneiden sind vielschichtig und komplex. Als Beispiel stellen wir hier einen Auszug wichtiger Parameter vor, die für jede bestimmte Schneidaufgabe neu nachjustiert werden müssen. Weitere Parameter, die hingegen nicht änderbar sind, ergeben sich aus der Bauart des Lasers.

Folgende Variablen muss der Maschinenbediener bzw. die CNC-Steuerung einer Laserschneidanlage berücksichtigen, wenn die höchste Schnittqualität im Zuschnitt erreicht werden soll.

Variable Parameter:

• Betriebsart: cw-Betrieb (cw=continuous wave) versus Pulsleistung
• Brennfleck-Durchmesser und Rayleighlänge (=Fokustiefe)
• Intensität = Laserstrahlleistung W / Brennfleck-Fläche mm²
• Fokusierlinse bestimmt den Brennfleck und die Fokustiefe
• Fokuslage
• Laserstrahlmode TEM00 Mode, Singlemode, Multimode
• Positionierung des Brennflecks relativ zur Werkstückoberfläche
• Düsendurchmesser
• Abstand Düse zum Material und damit der Einfluss auf den effektiven Gasdruck
• Gasart, Gasreinheit und Gasdruck
• Schnittgeschwindigkeit
• Laserleistung
• Schnittfugenkompensation
• Polarisationsgrad des CO₂-Laserstrahls. Faserlaser hingegen besitzen eine konstante Polarisationsrichtung des Strahls im Bezug auf die Schneidrichtung und liefern damit konstante Schnittqualität unabhängig von der Schneidrichtung
• …

Feste Parameter:

• Wellenlänge des Lasers, ist gegeben durch seine Bauart und damit nicht änderbar
• Maximale Laserstrahlleistung des Resonators
• Maschinenleistung, wie beispielsweise die maximale Positioniergeschwindigkeit, maximale Schnittgeschwindigkeit und Beschleunigung
• Maschinenabmessungen, Nutzraum
• Funktionalität: Integrierte Rohrbearbeitung, Wechseltische, Beschickungssystem, ...

Betriebsarten beim Laserschneiden

Wir unterscheiden im wesentlichen vier verschiedene Betriebsarten beim Laserschneiden, die je nach gewünschtem Schneidergebnis in Abhängigkeit des zu schneidenden Materials auswählbar sind.

1. Sublimierschneiden: Hierbei wird der Laserstrahl zum Verdampfen des Materials eingesetzt. Bevorzugt kommt dabei als Prozessgas Helium, Stickstoff oder Argon zum Einsatz. Das Sublimierschneiden eignet sich für besonders filigrane Schneidaufgaben mit hoher Schnittkantenqualität.  
2. Brennschneiden: Das Brennschneiden wird häufig im Materialzuschnitt größerer Materialdicken eingesetzt, überwiegend bei Baustahl. Das Prozessgas ist dabei, und das verwundert nicht, Sauerstoff. Der Sauerstoff reagiert mit dem Metall und ist für seine Oxidation verantwortlich. Dabei beschleunigt der Oxidationsprozess den Schmelzvorgang im Material, so dass höhere Schnittgeschwindigkeiten und größere Schneiddicken erzielbar sind.
3. Schmelzschneiden: Beim Schmelzschneiden wird als Prozessgas Argon oder Stickstoff eingesetzt, welches zum Teil mit hohem Druck von bis zu 20 bar in die Schnittfuge geblasen wird und so die Schmelze aus der Fuge austreibt. Anders als der Sauerstoff beim Brennschneidprozess reagieren die inerten Gase Argon bzw. Stickstoff nicht mit dem Metall, so dass die Kanten oxidfrei und gratarm verbleiben und nur wenig Nacharbeit bedürfen.
4. Feinschneiden: Beim Feinschneiden werden einzelne Bohrungen, die sich überlappen, im engen Abstand aneinander gesetzt und erzeugen so die Schnittfuge. Dabei erzeugen die kurzen Pulse des Lasers kaum Aufheizung des Materials, so dass besonders filigrane oder hitzeempfindliche Materialien geschnitten werden können.

 

Wie schnell schneidet ein Laser? Beispiele für Schnittgeschwindigkeiten

Der Laser, insbesondere der Faserlaser, erreicht hohe Schneidgeschwindigkeiten bei vielen Material- und Blechsorten. In unserem Schnittkostenrechner können Sie neben den Schnittkosten natürlich auch die Schnittgeschwindigkeiten für eine Vielzahl von unterschiedlichen Metallen und Blechgüten einsehen. Die Geschwindigkeitsangaben sind immer Hersteller und Modell gebunden, sie können daher zum Teil auch erheblich von anderen Typen abweichen. Darüber hinaus gibt es nicht die eine immer gültige Schnittgeschwindigkeit, selbst wenn wir hier in unseren Beispielen eine Zahl genannt haben. Im Beispiel für 10 mm dickes Edelstahl haben wir Geschwindigkeitsbereiche aufgeführt, die deutlich machen, das ein Wert innerhalb eine Bandbreite liegen kann.

Schnittgeschwindigkeiten in Edelstahl in 4 mm Materialdicke mit dem Faserlaser, approx. Werte:

3 kW: 1.800 mm/min

4 kW: 7.500 mm/min

6 kW: 12.000 mm/min

Schnittgeschwindigkeiten in Edelstahl in 10 mm Materialdicke mit dem Faserlaser, approx. Werte:

3 kW: 370 - 400 mm/min

4 kW: 1.200 - 1.500 mm/min

6 kW: 2.000 - 2.500 mm/min

8 kW: 4.000 - 4.500 mm/min

12 kW: 6.500 - 7.000 mm/min

15 kW: 9.000 - 10.000 mm/min

20 kW: 12.000 - 14.000 mm/min

Schnittgeschwindigkeiten in Edelstahl in 20 mm Materialdicke mit dem Faserlaser, approx. Werte:

6 kW: 250 - 425 mm/min

Schnittgeschwindigkeiten in Baustahl in 4 mm Materialdicke mit dem Faserlaser, approx. Werte:

3 kW: 2.700 mm/min

4 kW: 3.600 mm/min

6 kW: 3.900 mm/min

Schnittgeschwindigkeiten in Baustahl in 10 mm Materialdicke mit dem Faserlaser, approx. Werte:

3 kW: 1.200 mm/min

4 kW: 2.200 mm/min

6 kW: 2.450 mm/min

Schnittgeschwindigkeiten in Baustahl in 15 mm Materialdicke mit dem Faserlaser, approx. Werte:

20 kW: 6.400 mm/min

Schnittgeschwindigkeiten in Baustahl in 20 mm Materialdicke mit dem Faserlaser, approx. Werte:

3 kW: 710 mm/min

4 kW: 850 mm/min

6 kW: 950 mm/min

Thermische Einflüsse beim Laserschneiden von Metallen

Randaufhärtung beim Laserschnitt

Auch wenn der thermische Einfluss beim Zuschnitt eines Laserteils aus Metall geringer ist als bei den thermischen Schneidverfahren Plasma und Autogen, so ist doch die Randaufhärtung beim Laser höher. Wer hätte das vermutet? 
Die Gefügeveränderung im Metall ist hingegen geringer als beim Plasma- oder Autogenzuschnitt und punktet daher für den Faserlaser.

Rauheit an den Schnittkanten beim Laserzuschnitt

Auch die Rauheit an den Schnittkanten ist bei Faserlaser geschnittenen Teilen erheblich größer als bei CO₂-erzeugten Zuschnitten. Jedoch gelingt es den Hersteller von Laserschneidmaschinen durch neu entwickelte Technologien, wie bestimmte Gaseinstellungen, Strahlfokussierungen, dynamische Strahlformungen etc. die Rauheit der Schnittkanten mit dem Faserlaserprozess erheblich zu verbessern und dies auch im Dickblechbereich oberhalb von 20 mm. Wenn es jedoch um das letzte Zehntel geht, so hat der CO₂-Laser in bestimmten Dickenbereichen die Nase vorn. Der Faserlaser erreicht zur Zeit (Stand 2020) noch nicht die Rauheit von Plasma- oder Brennzuschnitten, deren Qualität, wenn es um Rauheit der Schnittflanken geht, systembedingt bisher nicht vom Faserlaser erreicht werden kann. Wenngleich gerade auf diesem Feld enormer Forschungsaufwand betrieben wird, um diesen Nachteil des Faserlasers auszuschalten.

Das Entwicklungspotential des Lasers scheint unermesslich zu sein und es ist sehr wahrscheinlich nur eine Frage der Zeit, bis auch der Nachteil der geringeren Rauheit kompensiert werden wird.

Literaturempfehlungen und Quellhinweis:

^*1 Jens Bliedtner, Hartmut Müller, Andrea Barz: "Lasermaterialbearbeitung", Hanser-Verlag, ISBN:978-3-446-42168-4
Prof. Jens Bliedtner und Dr. Hartmut Müller waren geladene Referenten am Deutschen Schneidkongress® 2018.
Dr. Hartmut Müller, Referatstitel: "Glas schneiden mit dem Laser"

J. Eichler, H. J. Eichler: "Laser Bauformen, Strahlführung, Anwendungen", Springer-Verlag, ISBN: 978-3-540-30149-3