Lasern von Blechen - Laserschneider in der Materialbearbeitung

Laserschneider werden häufig in der Bearbeitung von Blechen und Metallen eingesetzt und sind aus heutiger Sicht in der Industrie kaum mehr weg zu denken. Doch das Laserschneiden ist ein komplexer Prozess mit einer Vielzahl an physikalischen Parametern und Einstellmöglichkeiten. Bevor der Laser Bleche trennen kann, sind eine Vielzahl komplexer 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.

Laserschneider für Metalle - erst die Automatisierung macht den Unterschied

Die Automatisierung vieler Laserscheidmaschinen ist derart weit fortgeschritten, dass sich das Laserschneiden 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. Doch beim Laserschneiden zeigt das Werkzeug Laser eine relativ hohe Kontinuität im Fertigungsprozess und stellt damit eine ideale Ausgangsbasis für eine hohe Automatisierbarkeit und Digitalisierung des Lasercutters dar.

Thermische Einflüsse beim Laserschneiden von Metallen

Randaufhärtung beim Laserschnitt

Auch wenn der thermische Einfluss beim Zuschnitt eines Laserteils aus Metall geringer ist als bei den thermischen Schneidverfahren Plasma und Autogen, so ist doch die Randaufhärtung beim Laser höher. Wer hätte das vermutet?
Die Gefügeveränderung im Metall ist hingegen geringer als beim Plasma- oder Autogenzuschnitt und punktet daher für den Faserlaser.

Rauheit an den Schnittkanten beim Laserzuschnitt

Auch die Rauheit an den Schnittkanten ist bei Faserlaser geschnittenen Teilen erheblich größer als bei CO₂-erzeugten Zuschnitten. Jedoch gelingt es den Hersteller von Laserschneidmaschinen durch neu entwickelte Technologien, wie bestimmte Gaseinstellungen, Strahlfokussierungen, dynamische Strahlformungen etc. die Rauheit der Schnittkanten mit dem Faserlaserprozess erheblich zu verbessern und dies auch im Dickblechbereich oberhalb von 20 mm. Wenn es jedoch um das letzte Zehntel geht, so hat der CO₂-Laser in bestimmten Dickenbereichen die Nase vorn. Der Faserlaser erreicht zur Zeit (Stand 2020) noch nicht die Rauheit von Plasma- oder Brennzuschnitten, deren Qualität, wenn es um Rauheit der Schnittflanken geht, systembedingt bisher nicht vom Faserlaser erreicht werden kann. Wenngleich gerade auf diesem Feld enormer Forschungsaufwand betrieben wird, um diesen Nachteil des Faserlasers auszuschalten.

Das Entwicklungspotential des Lasers scheint unermesslich zu sein und es ist sehr wahrscheinlich nur eine Frage der Zeit, bis auch der Nachteil der geringeren Rauheit kompensiert werden wird.

Schnittfehler beim Laserschneiden von Blechen

Bildung von Plasma beim Laserschneiden

Beim Schneiden von Edelstahl im dickeren Materialbereich kann es vorkommen, dass durch Materialfehler, Legierungsbestandteile, ungünstige Schnittparameter, zu hohe oder zu langsame Schnittgeschwindigkeit das Gas ionisiert und sich ein unerwünschtes Plasma während des Laserschnittes bildet.

Das Plasmagas übt einen negativen Einfluss auf die Schnittqualität aus. Man erkennt diesen Zustand leicht daran, dass an der Schnittstelle ein blaues Licht erstrahlt, dass einen Hinweis auf das entstandene Plasma andeutet.

Einige Laserschneidmaschinenhersteller haben sich dieses Problems angenommen und durch automatische Erkennungssensoren die Detektion des Plasmagases ermöglicht. Das Steuerungssystem der Laserschneidanlage erkennt das Plasmagas und steuert die Laserschneidanlage durch Veränderung von  Schnittgeschwindigkeit oder Höhe so, dass das Plasma schnell erlischt und die Schnittqualität maximiert wird.