Grundlagen zum Laser
- Laser Grundlagen
- Was bedeutet der Begriff "Laser"?
- Wie funktioniert der Laser?
- Welche Betriebsarten hat der Laserschneider?
- Was sind die wichtigen Parameter?
- Variable und feste Größen des Laserschneiders
- Welche Bedeutung hat die Wellenlänge?
- Historie: Wer hat das Laserschneiden entwickelt- wie alt ist das Schneidverfahren?
- Literaturempfehlungen und Quellhinweis
Was bedeutet der Begriff "LASER"?
Das Kunstwort „LASER“ steht als Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Übersetzen lässt es sich mit: „Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Eine andere Übersetzung lautet „Licht angeregter Strahlung, emittierender Resonator“, die zwar ein wenig hölzern klingt, jedoch den Vorteil besitzt als Abkürzung ebenso dem Begriff Laser zu entsprechen.
Was ist der Unterschied zwischen Laser-Licht und Normal-Licht?
Aus der Natur bekannt sind uns die thermischen Lichtquellen, allen voran die Sonne oder auch die Glühlampe. Thermische Lichtquellen breiten sich konzentrisch aus, die emittierten Wellen verlaufen radial zum Zentrum der Strahlungsquelle und unterscheiden sich damit wesentlich von der Wellenform eines Lasers, die eher durch einen axialen Verlauf beschrieben werden kann und genau dies zeichnet den Laser aus.
Wie funktioniert der Laser?
Bildbeschreibung, siehe Bild 2:
- Laseraktives Medium
- Eine geeignete Einheit, die zur Anregung der Energie dient (wird auch als Pumpen bezeichnet)
- Resonator, Laserresonator: Der Laserresonator besteht meistens aus einem voll- und einem halb- oder teilreflektierenden Spiegel. Innerhalb dieser Spiegelanordnung erfolgt eine ständige Rückkopplung der elektromagnetischen Strahlung und damit eine Verstärkung durch das Medium. Diese Rückkopplung erfolgt so lange, bis die Strahlung im aktiven Lasermedium durch den halbdurchlässigen Spiegel emittierten kann.
Klingt ganz schön kompliziert oder? Wir werden versuchen, dies einfacher zu erklären. Wenn Sie die Theorie weniger interessiert, dann überspringen Sie einfach die folgenden Artikel. Weiter unten geht es dann mit der Praxis weiter.
Im Schaubild Bild 2 erkennen wir das Schema der Funktionsweise eines Lasers. In einem lasergeeigneten Material (1) wird durch ein geeignetes Pumpsystem (2) Anregungsenergie eingebracht, so dass im lasergeeigneten Material eine Strahlung angeregt wird. Der Laserstrahl wird nun solange zwischen den beiden Spiegeln (3) reflektiert, bis er einen bestimmten Energiewert erreicht hat. Mit Hilfe einer Auskoppelloptik verläßt der Laserstrahl das Medium und wird je nach Wellenlänge über eine geeignete Vorrichtung bis zur Fokussieroptik im Strahlkopf geleitet.
Der Laserschneider besteht also zunächst aus dem Resonator und einem geeigneten Übertragungsmedium, das den Strahl vom Resonator zum Schneidkopf führt. Bei kurzwelligen Strahlen kann zur Übertragung ein Glasfaserleiter verwendet werden, langwellige Strahlung wird über Spiegel weitergeleitet und entsprechend umgelenkt bis der Strahl zum Schneidkopf gelangt.
Im Schneidkopf wird der Laserstrahl fokussiert, in der Regel eine Aufgabe, welche optische Linsen übernehmen. Nun muss der Strahl noch über ein geeignetes CNC-Koordinatensystem über dem Schneidmaterial bewegt werden und dies in mindestens drei Richtungen auf der x-, y- und z-Achse.
Nun steht dem Schneiden von Metallen (fast) nichts mehr im Weg. Wer mehr Theorie zum Verständnis benötigt, dem empfehlen wir den Artikel in wikipedia zum Laser.
Betriebsarten
Wir unterscheiden im wesentlichen vier verschiedene Betriebsarten beim Laserschneiden, die je nach gewünschtem Schneidergebnis in Abhängigkeit des zu schneidenden Materials auswählbar sind.
- Laserstrahlsublimierschneiden: Hierbei wird der Laserstrahl zum Verdampfen des Materials eingesetzt. Bevorzugt kommt dabei als Prozessgas Helium, Stickstoff oder Argon zum Einsatz. Das Sublimierschneiden eignet sich für besonders filigrane Schneidaufgaben mit hoher Schnittkantenqualität.
- Laserstrahlbrennschneiden: Das Brennschneiden wird häufig im Materialzuschnitt größerer Materialdicken eingesetzt, überwiegend bei Baustahl. Das Prozessgas ist dabei, und das verwundert nicht, Sauerstoff. Der Sauerstoff reagiert mit dem Metall und ist für seine Oxidation verantwortlich. Dabei beschleunigt der Oxidationsprozess den Schmelzvorgang im Material, so dass höhere Schnittgeschwindigkeiten und größere Schneiddicken erzielbar sind. Wie auch beim Brennschneiden muss bevor geschnitten werden kann, der Einstechpunkt auf die Entzündungstemperatur erhitzt werden, bevor der Sauerstoff als Blasgas hinzugegeben werden kann.
- Laserstrahlschmelzschneiden: Beim Schmelzschneiden wird als Prozessgas Stickstoff oder seltener Argon oder Helium eingesetzt, welches zum Teil mit hohem Druck von bis zu 22 bar in die Schnittfuge geblasen (Hochdruck-Inertgas-Schneiden) wird und so die Schmelze aus der Fuge austreibt. Anders als der Sauerstoff beim Brennschneidprozess reagieren die inerten Gase Argon bzw. Stickstoff nicht mit dem Metall, so dass die Kanten oxidfrei und gratarm verbleiben und nur wenig Nacharbeit bedürfen.
- Laserfeinschneiden: Eignet sich für besonders kleine und feine Konturen. Beim Feinschneiden werden einzelne Bohrungen, die sich überlappen, im engen Abstand aneinander gesetzt und erzeugen so die Schnittfuge. Dabei erzeugen die kurzen Pulse des Lasers kaum Aufheizung des Materials, so dass besonders filigrane oder hitzeempfindliche Materialien geschnitten werden können. Nahezu alle Materialien können mit diesen Verfahren bearbeitet werden, jedoch erfordert der Einsatz eine Präzisions-Laserschneidanlage, die im µm-Bereich positionieren kann.
Wer hierzu mehr zu den Betriebsarten erfahren will, verweisen wir auf einen Beitrag in wikipedia.org - Betriebsarten beim Laser.
Was sind die wichtigen Begriffe und Parameter?
- cw-Betrieb bedeutet, dass die konstant hohe Ausgangsleistung ohne Unterbrechung für den Schnitt zur Verfügung steht. Es wird nahezu die gesamte Energie des Lasers benutzt, um den Werkstoff zu schmelzen. Bei anspruchsvollen, filigranen Konturen, Innenausschnitten oder einer Richtungsumkehr der Schneidanlage kann ein Wärmestau entstehen, der das Material überhitzt und so zu einer schlechteren Schnittqualität führt.
- Alternativ beim Schneiden filigraner Konturen oder auch beim Lochstechen in dickeres Material wird die Pulsleistung eingesetzt. Der Strahl wird in kurzen Abständen mit einer höheren Frequenz gepulst, die Durchschnittsleistung des Lasers wird so erheblich reduziert und die Schnittgeschwindigkeit wird damit in Folge zum Teil auf bis auf 10% des Normalwertes im cw-Betrieb reduziert.
-
Die Laserstrahlleistung wird in Watt (W) oder Kilowatt (kW) angegeben. Sie beschreibt, wie viel Energie der Laser pro Zeiteinheit abgibt. Die Energie wird in Joule (J) angegeben und ergibt sich bei konstanter Leistung aus der Multiplikation von Leistung und Zeit.
Formel: Energie = Leistung × Zeit
Beispiel: Ein Laser mit einer Leistung von 4 kW gibt bei kontinuierlicher Abgabe innerhalb einer Sekunde eine Energie von 4.000 J (4 kJ) ab.
Für den Energieverbrauch von Laserschneidanlagen wird üblicherweise die Kilowattstunde (kWh) verwendet. Eine Kilowattstunde entspricht 3,6 Megajoule (MJ) beziehungsweise 3.600.000 Joule (J).
- Die Intensität beschreibt die Laserstrahlleistung bezogen auf die Fläche, auf die er einwirkt.
Beispiel: Laser mit 10.000 Watt fokussiert auf einen Brennfleck von 0,3 mm Durchmesser, dann beträgt seine Intensität:
Intensität = Laserleistung / bestrahlte Fläche => 10000 Watt / 0,07068 mm2 = 141.475 W/mm2 - Je höher die Intensität des Laserstrahls, desto:
- schneller die Erhitzung des Schneidmaterials
- weniger thermische Energie fließt in die Randzonen des Schnittes ein
- Folge: Eine höhere Schnittgeschwindigkeit, dickeres Material kann geschnitten werden sowie höhere Schnittqualität sind möglich, sofern: Werkstoff, Materialdicke, Fokuslage, Strahlqualität, Prozessgas und Maschinenparameter zusammen wirken.
- Eine hohe Intensität und damit die maximal schneidbare Materialdicke kann sowohl bei hoher Leistung im cw-Betrieb als auch im Pulsbetrieb erreicht werden.
- Die optischen Eigenschaften der Linse verändern den Brennfleckdurchmesser und seine Fokustiefe. Eine Linse mit kurzer Brennweite erzeugt einen kleinen Brennfleck mit einer geringen Fokustiefe (=Rayleighlänge, analog zur Schärfentiefe in der Optik).
- Die Rayleighlänge ist genau die Länge, bei der sich die Intensität maximal um den Faktor 2 ändert *1.
- Die Fokuslage bezeichnet den Abstand zwischen Mitte der Fokussierlinse und dem Fokuspunkt *1.
Da die Herstellung der Optik nicht 100% identisch erfolgen kann, muss nach jedem Wechsel der Optik die Fokuslage neu eingemessen werden. - Je geringer die Fokustiefe, desto geringer die zu schneidende Blechdicke.
- Die Schnittgeschwindigkeit hingegen hängt von der Laserleistung ab. Je höher die Leistung, desto schneller kann der Laser trennen. Zum Verständnis: Ein Laser mit einer hohen Leistung besitzt nicht automatisch eine hohe Intensität. Sondern die Schneidlinse mit ihrer Brennweite und der Fokuslage ist ein wesentliches Element, wenn es um die Schnittgeschwindigkeit geht. Je nach Materialdicke, Art und seiner Beschichtung entscheidet die CNC-Laserschneidanlage, wie groß sie den Brennfleck und Rayleighlänge einstellt. Eine große Rayleighlänge eignet sich für größere Materialdicken. Der Fokus kann durch die Linse so eingestellt werden, dass er vor, auf, im oder hinter dem Material liegt - mit jeder Veränderung des Fokuspunktes ergeben sich auch andere Schnittparameter und Schnitteigenschaften. Ein größere Fokustiefe bedeutet aber auch einen größeren Brennfleck und damit eine geringere Intensität und somit geringere Schnittgeschwindigkeit, es sei denn, die geringere Intensität wird durch eine höhere Laserleistung kompensiert.
- Faser-, Dioden- und Scheibenlaser besitzen eine hervorragende Fokussierbarkeit, auch über größeren Abstand hinweg. Dies macht man sich zu nutzte in der sogenannten „cutting-on-the-fly“-Technik, bei der der Laserstrahl über bewegliche Spiegel besonders schnell auf das Schneidmaterial geleitet wird, die Abstände dabei sind zwar größer, aber im Rahmen der Rayleighlänge des Faserlasers im zulässigen Bereich. Natürlich kann bei dieser Technik nicht mit Gaszusatz geschnitten werden. Daher wird diese Technologie eher für dünneres Material eingesetzt. *1
- Je kürzer der Abstand zwischen Düse und Material, desto höher der Anspruch an die Nachführelektronik, den Abstand konstant nach zu regeln.
- Laser im Multimode erreichen Leistungen um 100 kW, sind aber für das Schneiden meistens ungeeignet. Im Singlemode erreichen die Laser deutlich geringere Leistungen, z.B. 20 kW sind aber für das Schneiden geeignet.
- Stabile Resonatoren liefern im Grundmode TEM00 eine Intensitätsverteilung, die ein gaussförmiges Glockenprofil besitzt, dies entspricht dem Singlemode. In der Gaussverteilung ist ca. 86% der gesamten Laserleistung enthalten *1.
Variable und feste Größen des Laserschneiders
Die Parameter beim Laserschneiden sind vielschichtig und komplex. Als Beispiel stellen wir hier einen Auszug wichtiger Parameter vor, die für jede bestimmte Schneidaufgabe neu nachjustiert werden müssen. Weitere Parameter, die hingegen nicht änderbar sind, ergeben sich aus der Bauart des Lasers.
Folgende Variablen muss der Maschinenbediener bzw. die CNC-Steuerung einer Laserschneidanlage berücksichtigen, wenn die höchste Schnittqualität im Zuschnitt erreicht werden soll.
Variable Parameter:
- Betriebsart: cw-Betrieb (cw=continuous wave) versus Pulsleistung
- Brennfleck-Durchmesser und Rayleighlänge (=Fokustiefe)
- Intensität = Laserstrahlleistung W / Brennfleck-Fläche mm2
- Fokusierlinse bestimmt den Brennfleck und die Fokustiefe
- Fokuslage
- Laserstrahlmode TEM00 Mode, Singlemode, Multimode
- Positionierung des Brennflecks relativ zur Werkstückoberfläche
- Düsendurchmesser
- Abstand Düse zum Material und damit der Einfluss auf den effektiven Gasdruck
- Gasart, Gasreinheit und Gasdruck
- Schnittgeschwindigkeit
- Laserleistung
- Schnittfugenkompensation
- Polarisationsgrad des CO2-Laserstrahls. Faserlaser hingegen besitzen eine konstante Polarisationsrichtung des Strahls im Bezug auf die Schneidrichtung und liefern damit konstante Schnittqualität unabhängig von der Schneidrichtung ...
Feste Parameter:
- Wellenlänge des Lasers, ist gegeben durch seine Bauart und damit nicht änderbar
- Maximale Laserstrahlleistung des Resonators
- Maschinenleistung, wie beispielsweise die maximale Positioniergeschwindigkeit, maximale Schnittgeschwindigkeit und Beschleunigung
- Maschinenabmessungen, Nutzraum
- Funktionalität: Integrierte Rohrbearbeitung, Wechseltische, Beschickungssystem, ...
Warum ist die Wellenlänge so wichtig beim Schneiden?
Je nach verwendetem laseraktiven Material besitzt der Laser eine spezifische Wellenlänge. Die Wellenlänge übt großen Einfluss auf die Materialbearbeitung mit dem Laser aus.
- Excimerlaser: 157nm - 308 nm EUV-UV
- He-Ne-Laser: 633 nm VIS sichtbarer Bereich
- Diodenlaser: 808 nm NIR nahes Infrarot
- Nd: YAD-Laser (Faserlaser): 1,06 µm. NIR nahes Infrarot
- CO2-Laser: 10,6 µm NIR nahes Infrarot
Diese materialtypischen Wellenlängen bestimmen nun im wesentlichen den Einsatz beim Laserschneiden in der Materialbearbeitung.
Die unterschiedlichen zu schneidenden Stoffe reagieren verschieden auf die Wellenlängen bestimmter Laser. Beispielsweise ist das Einkoppelverhalten des Laserstrahls in verschiedene Metalle wesentlich günstiger bei kurzwelliger Strahlung als bei langwelliger Wellenlänge. Dies erklärt, warum der Faserlaser mit seiner Wellenlänge von 1,06 µm schneller und dickeres Material schneiden kann als beispielsweise der CO2-Laser mit der rund zehnfach höheren Wellenlänge von 10,6 µm.
Auch das Reflexionsverhalten an den Oberflächen des zu schneidenden Materials ist von der Wellenlänge abhängig.
Die Wellenlänge des Lasers wird vom laserfähigen Medium bestimmt. Anhand der Wellenlänge kann man Rückschlüsse auf das Lasermedium schließen. Bei einer Wellenlänge um die 10 µm liegt die Vermutung nahe, dass es sich um einen CO2 Laser handelt. Bei einer Wellenlänge um 1 µm könnte es sich um einen Faserlaser handeln. Liegt die Wellenlänge ein wenig darunter könnte es ein Diodenlaser sein u. s. w.
Doch die Wellenlänge verrät dem Praktiker noch viel mehr für das Laserschneiden. Sie ist quasi der Steckbrief des Arbeitsmittels Laserschneider, der das Einsatzgebiet umschreibt.
Beispielsweise kann mit einer Wellenlänge um 1 µm das Licht besser in Metalle beim Laserschneiden einkoppeln, es besitzt ein wesentlich höheres Absorptionsverhalten als Licht mit größerer Wellenlänge. Diese Eigenschaften der kürzeren Wellenlänge wirkt sich auch positiv bei spiegelnden Oberflächen aus und erlaubt damit ein effektiveres Schneiden von glänzenden bzw. stark reflektierenden Metallen.
Hingegen ist die Schnittgeschwindigkeit bei einer Wellenlänge um 10 µm aufgrund geringeren Absorptionsverhaltens geringer und der Schnittspalt ist breiter. Bei reflektierenden Metallen gibt es starke Einschränkungen hinsichtlich der zu schneidenden Materialdicke.
Tatsächlich verhält es sich auch so in der Praxis, wie angenommen.
Manche Wellenlänge sind für bestimmte Schweißanwendungen besser geeignet.
Die Wellenlänge des Lasers besitzt damit ein individuelles physikalisches Verhalten im Bezug auf die zu bearbeitenden Werkstoffe, wie wir in den nächsten Kapiteln bei der Blechbearbeitung tiefer betrachtet werden.
Wurde als laserfähiges Medium Gas beispielsweise CO2 verwendet, so kann der Strahl aufgrund seiner Wellenlänge von 10,6 µm nur über Spiegelsysteme geleitet werden. Wurde als laserfähiges Medium Ytterbium oder Neodyn:YAG eingesetzt, so weist seine Wellenlänge 1,06 µm auf und der Strahl kann hervorragend über Glasfasern bis zur Fokussieroptik auch über weite Strecken geleitet werden.
Der CO2-Laser verfügt über die größte Wellenlänge von ca. 10,6 µm. Excimerlaser hingegen haben die kürzeste Wellenlänge von ca. 157 - 308 nm und benötigen hohe Pumpleistungen für die Anregung des Resonators, aufgrund hoher spontaner Emissionen, die bei kurzen Wellenlänge ≡ hohe Frequenz auftreten.
Historie: Wer hat den Laser entwickelt? Wie alt ist das Schneidverfahren?
Die Grundlagen gehen zurück auf eine, die 1916/1917 Albert Einstein in seinen Arbeiten zur Quantentheorie des Lichts veröffentlichte und dort den Prozess der stimulierten Emission beschrieb. Seine Idee bestand darin, dass ein Lichtteilchen (Photon) ein Atom dazu anregen kann, ein weiteres, exakt identisches Photon auszusenden.
Von der Theorie kam es 1960 zur Praxis: Über 40 Jahre nach Einsteins Berechnungen baute Theodore Maiman 1960 den ersten funktionierenden Rubinlaser.
Der Sprung zum Laserschneiden: Kurz nach der Erfindung des ersten Lasers begannen Ingenieure, den gebündelten, energiereichen Lichtstrahl für die präzise Bearbeitung und das Schneiden von Werkstoffen (wie Metallen) einzusetzen. Heute basieren industrielle Fertigungsprozesse wie das Laserschneiden direkt auf diesem von Einstein vorhergesagten Prinzip.
Der Kohlenstoff-Laser wurde 1964 von den Bell Laboratories USA patentiert. Er erlebte seine Hochzeit in Deutschland seit den 1980er Jahren bis ca. um 2010. Rund 30 Jahre dominierte das CO2-Laserverfahren den Markt. Seine Entwicklung endete mit dem 6 kW-Laser in der industriellen Schneidwelt. In anderen Anwendungen und Laboren existierten durchaus auch Laserleistungen bis 80 kW. Doch für das Schneidverfahren musste der Laserstrahl über wartungs- und reparaturanfällige, teure Spiegel, die zum Transport der Laserstrahlung erforderlich sind, gelenkt werden und damit war auch die beherrschbare Leistungsausbeute begrenzt - über diese 6 kW ging man kaum hinaus.
Der Faserlaser zählt zu einer speziellen Gruppe der Festkörperlaser. Laserschneidanlagen mit Festkörperlasern gab es zwar bereits seit den 1980er Jahren, doch waren damals die Laserleistungen noch gering. Zu Beginn lagen die Laserleistungen in der Größenordnung 50 - 100 Watt und spielten daher in weiten Bereichen der Industrie nur eine untergeordnete Rolle. Erst mit der preiswerten Produktion des Faserlasers und einer relevanten Leistung von 1 kW und mehr begann der enorme Aufstieg dieses Schneidverfahrens, dessen Vorteil unter anderem in der einfachen und preiswerten Übertragung des Laserstrahls über eine Glasfaserleitung liegt.
Historie des Lasers: Eine Kurzübersicht
1917 Albert Einstein legt das physikalische Fundament
1960 Maiman, USA: Bewies als erster den Lasereffekt im Rubinlaser
1962 Siemens: Erster kontinuierlich strahlender He-Ne-Laser
1962 Erster Diodenlaser
1965 Herziger, DE: Einsatz des Laser zum Bohren von Diamant
1978 Erste industrielle Schneidanlage
1985 Trumpf: erster 1 kW CO2-Laser mit Hochfrequenzanregung
1987 3D-Systems, USA: Entwicklung generativer Laserverfahren
1988 Erste Pumpen mit Diodenlaser
1991 IPG, USA: Erste kommerzielle Faserlaser im Watt-Bereich (50-100 W)
1999 Trumpf: Erster diodengepumpter Scheibenlaser mit 1kW
2020-2021: IPG, USA: 20-25 kW
ab 2022: Faserlaser für Industrie und 30 kW
Literaturempfehlungen und Quellhinweis
*1 Jens Bliedtner, Hartmut Müller, Andrea Barz: "Lasermaterialbearbeitung", Hanser-Verlag, ISBN:978-3-446-42168-4
Prof. Jens Bliedtner und Dr. Hartmut Müller waren geladene Referenten am Deutschen Schneidkongress® 2018.
Dr. Hartmut Müller, Referatstitel: "Glas schneiden mit dem Laser"
J. Eichler, H. J. Eichler: "Laser Bauformen, Strahlführung, Anwendungen", Springer-Verlag, ISBN: 978-3-540-30149-3
Nachdem Sie nun vieles über die Parameter beim Laserschneiden, über Geschwindigkeiten, Betriebsarten und Welleneinfluss erfahren haben, können Sie auch ganz praktische Angebote für Laserschneidanlagen einholen. Wenn Sie eine Investition in eine Schneidanlage planen, empfehlen wir Ihnen sich das Kapitel über Schneidmaschinen, insbesondere dem Lastenheft durchzulesen. Interessieren Sie sich für Laserschneidanlagen in XXL-Ausführung mit Schneidlängen größer als 10 m?
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