Dynamische Strahlformung beim Festkörperlaser

Festkörperlaser, zu denen auch die Gruppe der Faserlaser zählt, besitzen aufgrund ihrer charakteristischen Wellenlänge bestimmte Schnitteigenschaften, die sich als Chancen für eine dynamische Strahlformung darstellen. 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.  

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. 

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 gewissem Maß 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® 2018 ausführlich präsentiert wurde und den wir hier in komprimierter Form vorstellen. Lösungsansatz: Die dynamische 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 lediglich 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.

Fazit zur dynamischen Strahlformung

Das Schnittergebnis der dynamischen Strahlformung zeigt signifikante Verbesserungen gegenüber dem konventionellen Laserstrahlschneiden.

Wesentliche Messgrößen sind die erreichbare Schneidgeschwindigkeit, die Schnittspaltgeometrie sowie die qualitätsbestimmenden Merkmale der Schnittkante, die Oberflächenrauheit und mögliche Gratanhaftungen.

Es ergeben sich glattere und homogenere Oberflächenrauheiten sowie geringere Gratanhaftungen in Abhängigkeit der Optiken des verwendeten Schneidkopfes.

Neben Qualitätsverbesserungen lässt sich die Schnittgeschwindigkeit steigern und die Schnittspaltgeometrie beeinflussen. Das optimiert das Schneidergebnis, spart Nacharbeiten des Schnittergebnisses und erhöht die Produktivität einer Laserschneidmaschine.

Die Prozessentwicklung des scannergestützten Laserstrahlschneidens erzielt mit einem einzigen optischen Aufbau sowohl für Dünn- als auch im Dickblech eine sehr gute Schneidleistung.