CO₂ versus Faserlaser in der Lasermaterialbearbeitung LMB

Der mittlerweile rund 30 Jahre bewährte CO₂-Laser galt viele Jahre als state-of-the-art in der Schneidbranche und war (Stand 2016) nicht wegzudenken. Über das Schneiden hinaus existieren weit aus mehr Laseranwendungen im Bereich des Schweißens und der Oberflächenbearbeitung in der Lasermaterialbearbeitung.

Eigenschaften des CO₂-Lasers:

• Der bewährte CO₂-Laser kann aufgrund seiner Wellenlänge von 10,6 µm jedoch nicht über ein Glasfaserkabel eingekoppelt werden, sondern der Strahl muss über Spiegel zum Schneidgut geleitet werden.
• Genau diese Spiegel sind aber auch eine seiner Schwachstellen.
• Spiegel verdrecken, sie nutzen ab, sie benötigen eine CO₂-Schutzgasatmosphäre, sie unterliegen Schwingungen und sind anfällig.
• Spiegel begrenzen damit auch den Bau großer Schneidanlagen. Daher war die Größe von Laserschneidmaschinen in der LMB in der Regel auf das Großformat von 1.500 x 3.000 m ausgelegt. Nur wenige Hersteller waren in der Lage Großanlagen mit mehr als 12.000 mm Schneidlänge, die in der Materialbearbeitung von Blechtafeln mit dieser Länge durchaus üblich ist, zu bauen. Hierzu war es erforderlich den gesamten Resonator, mitsamt seiner Kühlung etc. auf der langen Portalachse mitfahren zu lassen. Eine solche Anwendung wog schnell viele Tonnen und war kaum in der Lage filigrane Konturen auf Herzschrittmacher-Niveau zu erzeugen. Doch für den gewünschten Einsatzzweck, dem Schneiden von Grobblechen mit hoher Genauigkeit erfüllen derartige Anlagen ihren Zweck.
• Die Erzeugung des Strahls mit CO₂-angeregten Resonatoren erfordert eine aufwendige Kühlung und erreicht nur einen Wirkungsgrad um die 10%.
• Schnitte bis 25mm Dicke in Stahl sind mit 6kW-Anlagen möglich.
• Anlagen mit höherer Leistung existieren zwar, sind aber aufgrund des bescheidenen Wirkungsgrades, der aufzubringenden Energie und den hohen Investitionskosten selten in der Praxis anzutreffen.

Eigenschaften Faser-Laser in der Lasermaterialbearbeitung:

• Da schien es wie ein heller Schweif am Laserhimmel, als der von der Physik seit rund 40 Jahren bekannte Festkörperlaser sich durch Miniaturisierung und Effizienz zum bezahlbaren Preis präsentierte.
• Der Festkörperlaser generiert den Laserstrahl mit Hilfe von Halbleitern, den Festkörper-Pumpen-Dioden. Je nach Hersteller werden dabei andere Strategien eingesetzt, so sprechen die einen vom Scheibenlaser, andere sprechen vom Ytterbium Faserlaser usw. Allen gemein sind die hervorragenden Wirkungsgrade und die besonderen Eigenschaften, die den Festkörperlaser auch im dicken Schneidbereich sehr interessant erscheinen lassen.

Wesentliche Merkmale:

• Wirkungsgrad des Faserlasers über 30%, also rund 3 mal so gut wie beim CO₂ Laser. Mittlerweile erzielen Diodenlaser sogar über 40% Wirkungsgrad.
• Die Energieeffizienz des Faserlasers ist bis zu 85% besser gegenüber dem CO₂ Laser.
• Der Faserlaser benötigt weniger Gas. Der CO₂ Laser benötigt für die Übertragung des Strahls CO₂-Gas - dies entfällt gänzlich beim Faserlaser.
• Der Kühlaufwand ist damit wesentlich geringer.
• Die kompakte Bauform des Faserlaser im Vergleich zu CO₂-Laser erlaubt es, ihn sehr klein in seinen äußeren Abmessungen herzustellen.
• Der geringe Wartungsaufwand und die geringeren Betriebskosten des Faserlasers, der keine Spiegel, kein CO₂-Kühlgas benötigt, befeuern den Siegeszug des Faserlasers weiter. Diese Positionen können pro Jahr mehr als 20.000,- € an Einsparung ausmachen.
• Beim CO₂-Laser müssen turnusmässig die Resonatoren kalibriert oder ausgetauscht werden, ebenso die Hochgeschwindigkeitsturbinen. Beides entfällt beim Faserlaser.
• Durch seine Robustheit eignet sich der Faserlaser sogar für den Einsatz in Ergänzung mit dem Plasmaschneidverfahren auf einer Schneidanlage, weitere Kombinationen sind denkbar!
• Der Faserlaser ist damit weniger wartungsintensiv!
• Aufgrund der Wellenlänge lässt sich der Strahl per Glasfaser verlustarm über weite Strecken leiten, dadurch ist der Einsatz in Schneidanlagen für große Portale >12.000 mm Schneidlänge möglich.
• Das Glasfaserkabel kann sogar durch Energieketten geführt werden.
• Aufgrund der Wellenlänge von typisch ca. 1,06 µm absorbiert das Metall die Laserenergie besser. Das Absorptionsverhalten des Faserlasers ist wesentlich günstiger, was sich vor allem bei stark reflektierendem Material positiv bemerkbar macht.
• Der Faserlaser erzielt aufgrund des besseren Absorptionsverhaltens höhere Schnittgeschwindigkeiten gegenüber dem CO₂-Laser.
• Die spezielle Wellenlänge des Faserlasers erlaubt auch das Schneiden von Aluminium, Kupfer und Messing und anderen reflektierenden Metallen, mit denen der CO₂-Laser seine Probleme hat. Beispiel: beim Schneiden von Stahl bis 6 mm Dicke, verfügt der Faserlaser mit 1,5 kW die Schnittgeschwindigkeit eines 3 kW CO₂-Lasers.
• Typische Wellenlänge des Faserlasers 1,07 μm (je nach Lasertyp auch geringer) gegenüber 10,6 μm beim CO₂-Laser.
• Höhere Ertragsleistung des Faserlasers aufgrund der guten Einkopplung des Lichts.