Lasern von Metallen

Laserschneider werden häufig in der Bearbeitung von Blechen und Metallen eingesetzt und sind aus heutiger Sicht in der Industrie kaum mehr weg zu denken. Bevor der Laser Bleche trennen kann, sind komplexe Einstell- und Justagevorgänge des Laserschneiders erforderlich. Schnittfehler, Schnittkosten, Schnittrauheit etc. optimal managen.

Inhaltsverzeichnis:

Laserschneider in der Blech- und Materialbearbeitung

Laser mit hohem Automatisierungsgrad beim Schneiden von Stahl
Laser mit hohem Automatisierungsgrad

Laserschneider werden häufig in der Bearbeitung von Blechen und Metallen eingesetzt und sind aus heutiger Sicht in der Industrie kaum mehr weg zu denken. Laserschneiden ist ein komplexer Prozess mit einer Vielzahl an physikalischen Parametern und Einstellmöglichkeiten. Bevor der Laser Bleche trennen kann, sind komplexe Einstell- und Justagevorgänge des Laserschneiders erforderlich. Durch die hohe Kontinuität des Schneidverfahrens eignet es sich besonders für eine wirtschaftliche Automatisierung und Digitalisierung. Wir stellen in diesem Kapitel eine Reihe wichtiger Parameter des Laserschneiders vor, die zeigen, dass ohne eine entsprechende Automatisierung das Werkzeug Laserschneider im industriellen Einsatz bei der wirtschaftlichen Materialbearbeitung kaum handhabbar wäre. Laserschneider bedienen sich einer Vielzahl an Automatisierungen, mit denen die Parameter des Laserprozesses komfortabel meistens automatisch eingestellt werden.

Betriebsarten

Wir unterscheiden im wesentlichen vier verschiedene Betriebsarten beim Schneiden mit dem Laser, die je nach gewünschtem Schneidergebnis in Abhängigkeit des zu schneidenden Materials auswählbar sind.

  1. 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.  
  2. 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.  
  3. 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.
  4. 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.

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Kann man mit jedem Laser Metalle schneiden?

Man kann nicht jeden Laser für die Materialbearbeitung einsetzen. Neben der entsprechend hohen Laserleistung des Resonators sind weitere Parameter zu beachten. Will man Metall schneiden so sollte der Laser mindestens 100 Watt besitzen, besser jedoch einige Killowatt an Laserleistung liefern, damit ein Schnitt auch wirtschaftlichen Anforderungen genügen kann. Bei dünnen Metallfolien mit < 0,1mm Dicke genügen bereits 50 Watt zum Trennen. Will man hingegen 20 mm dicken Stahl schneiden, so sollte man mit mindestens 8 kW besser mehr als 10 kW Laserleistung antreten.

  • Je höher die Leistung desto höher die Schnittgeschwindigkeit, desto interessanter die Schnittkosten!
  • Je höher die Leistung, desto dicker kann der Laser schneiden.

Die Besonderheit des Lasers liegt in einer gerichteten Aussendung der Laserstrahlung, die spektral scharf gekennzeichnet ist. Die entscheidenden Parameter für das Laserlicht sind:

  1. Kohärenz: Kohärenz bezeichnet man in den Naturwissenschaften elektromagnetische Wellen, die hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Ausbreitung eine feste Phasenbeziehung zeigen. Kohärente Strahlung wird von Lasern und Teilchenbeschleunigern erzeugt.
  2. Niedrige Divergenz: Laserstrahlung besitzt die Eigenschaft sich nur wenig auseinander zu entwickeln. Laserstrahlung lässt sich auf einen kleinen Fokusdurchmesser bündeln.

Dies sind zwei der wesentlichen Voraussetzungen für eine Lasermaterialbearbeitung (Abk. "LMB") dargestellt. Dieses winzig kleine Modell eines Fahrrads wurde mit einem 3 kW Co2-Laser ausgeschnitten, der die Bedingungen erfüllt und sich für das Schneiden sehr gut eignet.

Laserschneider für Metalle - erst die Automatisierung macht den Unterschied

Die Automatisierung vieler Laserscheidmaschinen ist derart weit fortgeschritten, dass sich das Schneiden von Blechen und Metallen, Aluminium oder anderen Materialien nur noch auf wenige Handgriffe konzentrieren lässt, die wie folgt aussehen können:

  • Die Arbeit an einem CNC-Laserschneider beschränkt sich bei modernen Anlagen damit, das nächste CNC-Programm auszuwählen, die Maschine zu kontrollieren und zu starten.
  • Moderne Laserschneidanlagen holen sich das geforderte Material aus dem Lager, beschicken und räumen den Tisch selbständig ab, stellen selber die optimale Fokuslage des Laserstrahls ein, überprüfen den Mode und tauschen die Düse selbstständig aus oder reinigen sie. Sie stellen alle Prozessparameter passend zum Material ein, wie beispielsweise die Schnittfuge, sofern auch dieser Wert nicht automatisch aus der Datenbank der CNC entnommen wird.
  • Der Maschinenführer an einem modernen Lasercutter wählt das Programm aus, richtet die Laserschneidmaschine ein, überwacht den Laserschneidprozess, sorgt für Materialnachschub, überprüft die Qualität und wendet Störungen ab.
  • Der Laserschneidprozess erfordert die Verwaltung und die Einstellung einer Vielzahl an Parametern, die so komplex sind, dass kaum ein Bediener diese in kurzer Zeit beherrschen kann. Die Einrichtzeiten wären im praktischen Alltag eines Lohnschneiders viel zu langwierig und würden den Laserschneidprozess unwirtschaftlich werden lassen. Daher übernehmen dies zum großen Teil die Materialdatenbanken und die Sensoren der CNC-Steuerung und die Automatisierungskomponenten der Laserschneidanlage. Von diesem hohen Automatisierungsgrad sind die anderen Schneidprozesse beispielsweise das Plasmaschneiden oder Brennschneiden aber noch ein Stück weit entfernt.
  • Das Werkzeug "Laserstrahl" bleibt auch nach 100 Schnitten der gleiche, es ändert sich nicht, wenn die Parameter stimmen. Der Laserschneider ist ein Werkzeug, das quasi nicht stumpf wird, nicht abnutzt und sich daher ganz besonders zur Bearbeitung von Metallen und Blechen eignet. Ganz anders hingegen verhält es sich mit dem Düsenverschleiß beim Autogenschneiden, Plasmaschneiden und Wasserstrahlschneiden. Der Schnittspalt und damit die Genauigkeit und die Qualität der Teile sind von der Betriebsdauer der jeweiligen Schneidverfahren abhängig. Der Laser hingegen zeigt eine relativ hohe Kontinuität im Fertigungsprozess und stellt damit eine ideale Ausgangsbasis für eine hohe Automatisierbarkeit und Digitalisierung des Lasercutters dar.

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