Neue Bearbeitungsstrategie für das effiziente Schneiden dicker Metallbleche mit dem Faserlaser

Chancen der dynamischen Strahlformung

Autorin: M.Eng. Cindy Goppold, Fraunhofer IWS, Dresden

Anlass: Referat am Deutschen Schneidkongress® 19.04.2018 in Essen

Ausgangssituation

Festkörperlaser, zu denen auch die Gruppe der Faserlaser zählt, besitzen aufgrund ihrer charakteristischen Wellenlänge bestimmte Schnitteigenschaften. Die Energieeinkopplung in das Material gilt als besonders vorteilhaft, so dass sich Werkstoffe mit spiegelnden Oberflächen sowie dickere Materialien besser schneiden lassen als dies mit der für Co2-Laser typischen Wellenlänge der Fall ist. Doch gleichzeitig schränkt der besonders schmale Schnittspalt den Einsatz im Dickblechbereich ein. Die Rauheit des Schnittbildes gilt als grob, so dass der Faserlaser im Dickblechbereich optisch gegenüber dem Co2-Laser und gegenüber dem Plasmazuschnitt schlechter aufgestellt ist. Die Schnittgeschwindigkeit im Grobblechbereich ist darüber hinaus geringer als bei adäquaten Verfahren.  

Zielsetzung

Es soll ein Verfahren entwickelt werden, dass diese Nachteile des Festkörperlasers reduziert.
Der Schnittspalt soll vergrößert, die Rauheit reduziert, der Dickeneinsatzbereich erhöht und die Schnittgeschwindigkeit gesteigert werden. 

Lösungsansatz

Mehrere Wege bieten sich an:

  1. Mit einer Leistungserhöhung des Faserlasers lassen sich der Dickenbereich und die Schnittgeschwindigkeit erhöhen.
  2. Mit einer Gasdruckveränderung und Fokussierungsanpassung lassen sich die Rauheit und die Schnittgeschwindigkeit in Grenzen verbessern. Die Lösungen 1 und 2 wurden auf der Cutting World® 2018 von Ausstellern vorgestellt.
  3. Einen dritten Lösungsansatz verfolgt das Fraunhofer IWS Dresden, der am Deutschen Schneidkongress® 2108 ausführlich präsentiert wurde und den wir hier in komprimierter Form vorstellen. Lösungsansatz: Die dynamische Strahlformung

 

Chancen der dynamischen Strahlformung

Neue Bearbeitungsstrategie für das effiziente Schneiden dicker Metallbleche mit dem Faserlaser

C. Goppold, T. Pinder, P. Herwig

Das Laserstrahlschneiden für Blechdicken ab sechs Millimetern weist leidglich einen geringen Marktanteil in der Lasermaterialbearbeitung auf. Dennoch fungiert es als Alleinstellungs- bzw. kaufentscheidendes Merkmal für aktuelle Laserstrahlschneidmaschinen. Während im Dünnblechschneiden die Maschinendynamik den limitierenden Faktor darstellt, ist beim Dickblechschneiden der Prozess entscheidend.

Seit einigen Jahren fokussiert sich die Forschung und Entwicklung auf das Optimieren der Schnittqualität von Dickblechen. Die Herausforderung besteht darin, dass eine höhere Qualität nicht zu Lasten der Produktivität gehen darf. Als geeigneter Ansatz hat sich die Adaption des Laserstrahles an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe herauskristallisiert. Üblicherweise erfolgt dies statisch, zum Beispiel durch Kombination unterschiedlicher Linsenbrennweiten. Die statische Strahlformung wird vor Beginn des Laserstrahlschneidprozess initiiert und ist im Weiteren konstant.

Das Fraunhofer IWS hat die dynamische Strahlformung entwickelt, um die beiden Schlüsselattribute Qualität und Produktivität in einem Ansatz zu adressieren. Die Vorschubbewegung des Laserstrahles wird dabei um eine hochdynamische Oszillation innerhalb der zu generierenden Schnittfuge ergänzt. Dadurch lassen sich zum einen beliebige Strahlformen realisieren und zum anderen ermöglicht der dynamische Charakter, die Strahlform zu jedem Zeitpunkt an sich verändernde Prozessbedingungen anzupassen. Auf diese Weise ist die Wechselwirkungsfläche zwischen Laserstrahl und Materie beliebig formbar, wodurch sich die Absorptionsmechanismen an materialspezifische Anforderungen anpassen lassen.

 

Dynamische Strahlformung

Abb.1: Die dynamische Strahlformung beeinflusst die Wechselwirkungsfläche zwischen Laserstrahl und Materie auf vielfältigste Weise, sodass sich die Absorptionsmechanismen an materialspezifische Anforderungen anpassen lassen.

 

Dazu wird ein konventioneller Schneidkopf mit einem Hochleistungsscansystem kombiniert.
Eine Vielzahl ansprechbarer Freiheitsgrade steuert die Oszillation des Laserstrahles und bietet eine zusätzliche Möglichkeit der Prozesssteuerung in Ergänzung zu den konventionellen Schneidparametern, wie beispielsweise Laserleistung, Vorschub, Fokuslage und Gasdruck.

Die dynamische Strahlformung erfordert eine speziell entwickelte Ansteuerlösung. Diese ermöglicht es alle notwendigen Parameter in der Maschinendatenbank zu hinterlegen. Zusätzlich erlaubt die Ansteuerung es, die Strahlform online während des Prozesses zu beeinflussen. Auf diese Weise kann ein Schneidkopf mit einem einzigen optischen Aufbau vielfältigste Schneidaufgaben erfüllen.

Abbildung 2 und 3 zeigen Beispiele für die Prozessverbesserungen anhand der im Laserstrahlschneiden praxisrelevanten Materialien Edelstahl und Baustahl auf. Veranschaulicht sind sowohl die Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit als auch der Schnittqualität, hinsichtlich Minimierung der Schnittkantenrauheit Rz sowie verringerte Gratanhaftungen. Beides wirkt sich direkt auf die Produktivität der Fertigungslinien aus, wie nachfolgend beschrieben.

Schnittkanten

Abb. 2: Die dynamische Strahlformung bietet Vorteile beim gasgestützten Laserstrahlschmelzschneiden; a) 12 mm Edelstahl (1.4301) geschnitten mit 3 kW Laserleistung und 1,2 m/min Vorschub; b) 12 mm Baustahl (1.0037) geschnitten mit 3 kW Laserleistung und 0,8 m/min Vorschub.

 

Glanzschnitt

Abb. 3: Hochwertige Schnittkante bei 12 mm Edelstahl erzeugt durch die dynamische Strahlformung

 

 

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