Laserschneiden mit dem Faserlaser, Vor- und Nachteile

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Faserlaser arbeitet an Aluminiumblech
Faserlaser beim Einstechen in ein Aluminiumblech

Der Faserlaser ist eine noch relativ junge Technologie.
2009 hat der Deutsche Schneidkongress® (bzw. Brennschneidtag®) hierzu Herrn Dr. Andreas Wetzig vom Fraunhofer IWS Dresden eingeladen, der die Vorzüge und Eigenschaften dieses Verfahrens vorstellte. Mittlerweile hat diese Schneidtechnologie einen wahren Boom erlebt. Das Laserschneiden bietet unter den Schneidverfahren Plasmaschneiden und Brennschneiden die beste Schnittqualität im Hinblick auf Genauigkeit und thermischen Einfluss. Es hat sich, wie von uns erwartet, daher schnell in Industrie und Handwerk seinen festen Platz erobert. 2009 besaß noch kein Kongressteilnehmer ein solches Schneidverfahren in seiner Produktion. Noch im gleichen Jahr erhielten die ersten Maschinenhersteller Aufträge zum Bau derartiger Lasersysteme. Damit war der Durchbruch für den Faserlaser geschafft und sein Siegeszug in der Blech- und Metallbearbeitung begann.

Dem Faserlaser wird, u.a. wegen seinem hohen Wirkungsgrad und der exzellenten Strahlqualität, eine große Zukunft eingeräumt - seine Eigenschaften sprechen für sich.

Der schnelle Aufstieg des Faserlasers

  • Es schien wie ein heller Schweif am Laserhorizont, als der von der Physik seit rund 40 Jahren bekannte Festkörperlaser sich durch Miniaturisierung und Effizienz zum bezahlbaren Preis als Faserlaser präsentierte.
  • Der Festkörperlaser generiert den Laserstrahl mit Hilfe von Halbleitern, den Festkörper-Pumpen-Dioden. Je nach Hersteller werden dabei andere Strategien eingesetzt, so nutzen die einen einen Scheibenlaser, andere verwenden den Ytterbium Faserlaser und andere einen Diodenlaser usw. Allen gemein sind die hervorragenden Wirkungsgrade dieser Festkörperlaser und die besonderen Eigenschaften, die den Faserlaser auch im dicken Schneidbereich sehr interessant erscheinen lassen.
  • Noch vor rund einem Jahrzehnt konnte man in einschlägiger Fachliteratur lesen, dass Diodenlaser für die Materialbearbeitung ungeeignet seien, da diese nicht genügend Leistung zur Verfügung stellen können - das ist längst Geschichte.

Was macht den Faserlaser so besonders? Wie konnte er so schnell den Schneidmarkt erobern?

Vorteile

  • Der Faserlaser benötigt nur ca. 1/3 der Leistung des CO2-Lasers
  • Besitzt beim Laserschneiden einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad von über 30%, mittlerweile erreichen bestimmte Laserarten auch über 40%
  • Seine Wellenlänge erlaubt es, den Laserstrahl per Glasfaserkabel über größere Entfernungen zu leiten
  • Seine Wellenlänge lässt sich sehr gut in Stahl einkoppeln, so dass hohe Schnittgeschwindigkeiten bzw. Schnittdicken erreicht werden
  • Die Wellenlänge des Faserlasers erlaubt auch das Schneiden von Buntmetallen, mit denen der CO2-Laser bisher seine Probleme hatte
  • Extrem dünner Schnittspalt, so dass der Materialaustrag geringer ist und noch filigranere Konturen erzeugt werden können
  • Der Faserlaser ist robust, zuverlässig und wartungsärmer als der CO2-Laser
  • Geringere Schnittkosten als beim CO2-Laser und in bestimmten Blechdicken auf geringer als andere Schneidverfahren
  • Sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten erzielbar

Nachteile

  • Nachteil: Aufgrund der Wellenlänge höhere Schutzmaßnahmen (Schutz der Augen) erforderlich
  • Nachteil: Faserlaser sind hingegen weniger geeignet für das Schneiden von Acryl oder Polycarbonat, auch bei Holz und Stoffen ist der Einsatz eingeschränkt.
  • Nachteil: Die Rauheit der Schnittkanten ist in den oberen Dickenbereichen zur Zeit noch die Achillessehne der Faserlaser, insbesondere im direkten Vergleich zum Plasmaschnitt, der in dieser Disziplin den Klassenprimus darstellt. Doch neuste Entwicklungen der Maschinen- und Anlagenhersteller auf diesem Sektor zeigen, dass auch hier der Faserlaser in Kürze erheblich aufholen wird. Schon jetzt zeigen Neuentwicklungen bei Abmessungen von bis zu 15/20 mm Materialdicke erstaunlich gute Rauheitswerte und Faserlaser verschiedener Hersteller erreichen bereits, Stand Anfang 2019, die Rauheitswerte auf dem Niveau des CO2 Lasers. 
  • Aufgrund der Wellenlänge sind die Schnittspalte besonders schmal - dies ist gut für einen geringen Abtrag und auch für das Schneiden von filigranen Konturen mit hoher Komplexität - negativ ist es jedoch für die maximal erzielbare Dicke, da zu wenig Material ausgeblasen werden kann, so dass der Dickeneinsatz zur Zeit noch begrenzt ist. Doch neuste Entwicklungen durch Strahlaufweitungen erlauben die "künstlich" vergrößerte Schnittspaltanpassung, so dass dieser Nachteil bereits kompensiert werden konnte und somit auch Dicken bis 50 mm Stahl geschnitten werden können (Stand 2017/2018). Doch auch dies ist Geschichte: Hersteller moderner Faserlaserschneidmaschinen haben eine Vielzahl an Methoden entwickelt, durch die der Strahldurchmesser für Dickblechanwendungen aufgeweitet werden kann. Beispielsweise lässt man den Strahl oszillieren. Die dynamische Strahlformung beim Faserlaser erzeugt quasi ein Strahlbewegungsmuster, das darüber hinaus noch eine bessere Schnittqualität erzeugen kann. Andere Verfahren nutzen zwei Glasfaserleitungen mit unterschiedlichen Durchmessern, um zwei verschieden dicke Strahldurchmesser zu erzeugen.

Fazit zum Faserlaser:

    Die Vorteile der wesentlich geringeren Betriebskosten und signifikant höheren Schnittgeschwindigkeiten werden vom Markt gerne aufgenommen und beflügeln damit die Forschung und Entwicklung der Faserlaser. Fand man in der Startphase den Einsatz des Faserlasers häufig im Stahldickenbereich unterhalb von 10 mm, so verschob sich der Einsatzbereich immer mehr in den Mittelblechbereich hin zu der 25mm-Marke. Aktuelle Entwicklungen gehen weit über die 25 mm Marke hinaus. Faserlaser sind heute (Stand 2023) in der Lage über 50 mm dicken Baustahl oder Edelstahl problemlos zu schneiden. Aufgrund seiner Robustheit und seiner Physik eignet sich der Faserlaser besonders in rauen Umgebungen und im Einsatz auf großen Maschinenbetten. Damit verwundert es nicht, dass renommierte Brennschneidmaschinenhersteller sich diesem Thema ebenso gewidmet haben und bereits etliche Installationen mit den Faserlaser in Stahl-Service-Centern auf Großanlagen realisiert wurden.

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