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Grundlagen des Laserschneidverfahrens, Parameter und Fachbegriffe
Inhaltsverzeichnis:
Laserschneiden ist ein präzises thermisches Schneidverfahren, bei dem Materialien wie Metall, Stahl, Kunststoff, Glas oder Holz mit einem Laserstrahl geschnitten werden. Durch die hohe Energie des Laserstrahls wird das Material in der Schnittfuge geschmolzen und durch das Lasergas ausgeblasen.
Das Schneiden mit dem Laser bietet viele Vorteile wie geringe Wärmebelastung, hohe Präzision, wenig bis keine Nachbearbeitung und die Fähigkeit, komplexe Formen mit hoher Qualität und hoher Schnittgeschwindigkeit zu erzeugen. Es wird in verschiedenen Branchen wie der Automobilindustrie, Elektronikfertigung, Schmuckherstellung und Blechverarbeitung eingesetzt.
Der Laserstrahl kann individuell in Stärke und Wellenlänge angepasst werden, um optimale Resultate in der Bearbeitung fertiger Produkte bei geringer Nachbearbeitung zu erzielen.
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.
Die Eigenschaften des CO2-Lasers weichen zum Teil erheblich von denen des Faserlasers ab. Weitere Informationen dazu in der Gegenüberstellung CO2-Laser versus Faserlaser ...
Wo setzt man das Schneidverfahren ein?
In welchen Bereichen wird Laserschneiden verwendet?
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Es wird in fast allen Branchen der Industrie und im Handwerk eingesetzt. Zum Beispiel in der Automobilindustrie, im Fahrzeugbau, im Maschinenbau, dem Lohnzuschnitt, der Blech- und Stahlbearbeitung, im Anlagenbau und in der chemischen Industrie, in Stahlhandelshäusern, sowie in Hochschulen, Ausbildungsstätten, Werkstätten usw.
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Der Laser findet auch in anderen Bereichen Verwendung, wie z.B. im Apparate- und Behälterbau, Metallbau, Schlosserei, Schiffbau, Werkzeug- und Formenbau sowie bei Instandhaltung und Service.
Was benötigt man zum Laserschneiden mit dem Faserlaser?
Laserschneiden findet industrielle Anwendung beim Schneiden von Metallen und anderen festen Materialien. Die Komponenten variieren je nach Einsatzgebiet.
Eine Laserschneidanlage besteht im wesentlichen aus:
- Kernkomponenten: Laserstrahlquelle mit Resonator, CNC-gesteuerte Portalanlage, Strahlführungsmechanismus - beispielsweise mit einer dynamischen Strahlformung, Z-Achse mit Schneidkopf, Laserschneidtisch mit Filteranlage, Energieversorgung (elektrisch und Gas).
- Software und Sicherheit: CAD/CAM-Programmiersoftware und entsprechende Sicherheitsausstattung.
- Zusätzliche Komponenten: Automatisierung (Wechseltisch, Hochregallager), Schneidmaterial, Spiegelumlenkungen, Kühlaggregate (für CO2-Laser).
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
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