Der Co2-Laser hat Konkurrenz bekommen - den Faserlaser

Edelstahl 15mm dick, mit Co2-Laser geschnitten
CO2-Laserschnitt an 15mm dickem Edelstahl - exzellente Oberfläche und hohe Genauigkeit, besser als ± 2 Zehntel Millimeter. Der Schnitt wäre mit Plasma so nicht möglich!

Der Faserlaser ist eine noch relativ junge Technologie. 2009 hat der Deutsche 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. Die Wachstumsraten in diesem Genre waren und sind so hoch, dass bereits nach ca. 5 Jahren die ersten Laserhersteller einen rund 50% Bestelleingang bei Faserlasersystemen verbuchen konnten und so den bisherigen State-of-the-art CO2-Laser ergänzen oder gar ablösten.

Auch wenn der thermische Einfluss beim Zuschnitt eines Laserteils geringer ist als bei den anderen thermischen Schneidverfahren Plasma und Autogen, so ist doch die Randaufhärtung beim Laser höher. Wer hätte das vermutet! 

Auch die Rauheit an den Schnittkonaten ist, nein war, bei Faserlaser geschnittenen Teilen erheblich größer als bei Co2-erzeugten Zuschnitten. Bestimmte Wellenlängen, Gaseinstellungen, Strahlfokussierungen, dynamische Strahlformungen etc. erlauben dem Faserlaser das Erreichen besserer Rauheitsgüten im Dickblechbereich sogar oberhalb von 20 mm. Doch es zeigt mal wieder umso mehr, wie hoch das Entwicklungspotential des Lasers ist, dass dieses kohärente Licht mit sich bringt. 

 

Co2 versus Faserlaser

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.

Eigenschaften des CO2-Lasers:

 

  • Der bewährte CO2-Laser kann aufgrund seiner Wellenlänge nicht über Glasfaser 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, sind anfällig.
  • Spiegel begrenzen damit auch den Bau großer Schneidanlagen (Ausnahme: Man bewegt gleich den gesamten Resonator, Kühlung, etc. auf der langen Portalachse mit).
  • 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:

  • 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 >> 30%, also rund 3 mal so gut wie beim CO2 Laser. Mittlerweile sogar über 40% erzielbar.
  • Energieeffizienz bis zu 85% besser gegenüber dem CO2 Laser.
  • Benötigt weniger Gas. Der CO2 Laser benötigt für die Übertragung des Strahls CO2-Gas - dies entfällt gänzlich beim Faserlaser.
  • Der Kühlaufwand ist wesentlich geringer.
  • Kompakte Bauform, Faserlaser sind im Vergleich zu CO2-Lasern sehr klein herzustellen
  • Erheblich weniger Wartungsaufwand und wesentlich geringere Betriebskosten, da keine Spiegel, kein CO2-Gas erforderlich sind. Dies kann pro Jahr mehr als 20.000,- € an Einsparung ausmachen. Beim CO2-Laser müssen turnusmässig die Resonatoren kalibriert oder ausgetauscht werden, ebenso die Hochgeschwindigkeitsturbinen.
  • Durch seine Robustheit eignet sich der Faserlaser sogar für den Einsatz in Ergänzung mit dem Plasmaschneidverfahren auf einer Schneidanlage, weitere Kombinationen sind denkbar!
  • 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 m Schneidlänge möglich.
  • Das Glasfaserkabel kann sogar durch Energieketten geführt werden.
  • Aufgrund der Wellenlänge von typisch ca. 1,06 nm absorbiert das Metall die Laserenergie besser, der Strahl kann besser eingekoppelt werden, dadurch sind höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich.
  • Die spezielle Wellenlänge des Faserlasers erlaubt auch das Schneiden von Aluminium, Kupfer und Messing und anderen reflektierenden Metallen, mit denen der C02-Laser seine Probleme hat. Beispiel: beim Schneiden von Stahl bis 6mm Dicke, verfügt der Faserlaser mit 1,5kW die Schnittgeschwindigkeit eines 3kW CO2-Lasers.
  • Höhere Ertragsleistung des Faserlasers aufgrund der guten Einkopplung des Lichts.

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