Parameter beim Laserschneiden

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 Größen:

  • 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 Größen:

  • 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, ...
Laserschneidanlage mit hohem Automatisierungsgrad beim Schneiden von Stahl
Laserschneidanlage mit hohem Automatisierungsgrad

Erläuterungen der wichtigen Parameter und Zusammenhänge beim Laserschneiden

  • 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 bzw. kW beschrieben. Wird die Leistung pro Sekunde aufgeführt, spricht man von der Energie, in diesem Fall ist die abgegebene Strahlungsenergie pro Sekunde gemeint.
  • 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
    • höhere Schnittgeschwindigkeit
    • dickeres Material kann geschnitten werden
    • höhere Schnittqualität.
  • 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. 

Die Laserschneidmaschine - ideales System für hohe Automatisierung und Digitalisierung des Schneidprozesses

  • Die Arbeit an einer Laserschneidanlage beschränkt sich bei modernen Maschine damit, das nächste CNC-Programm auszuwählen, die Maschine zu kontrollieren und zu starten. Moderne Laserschneidmaschinen holen sich das geforderte Material aus dem Lager, beschicken und räumen den Tisch selbständig ab, stellen selber die optimale Fokuslage ein, überprüfen den Mode und tauschen die Düse selber aus oder reinigen sie selber, stellen alle Prozessparameter passend zum Material ein. Was dem Bediener bleibt? Das Programm auszuwählen, Maschine einrichten, den Prozess zu überwachen, für Materialnachschub zu sorgen, Qualität prüfen, Störungen abzuwenden. Der Laserschneidprozess erfordert die Verwaltung und die Einstellung einer Vielzahl an Parametern, die kaum ein Bediener in kurzer Zeit beherrschen kann. 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 noch weit entfernt. Der Laser besitz durch seine Kontinuität im Fertigungsprozess eine ideale Basis für seine Automatisierbarkeit und Digitalisierung.

Betriebsarten beim Laserschneiden

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

  1. Sublimierschneiden: 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. Brennschneiden: 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.
  3. Schmelzschneiden: Beim Schmelzschneiden wird als Prozessgas Argon oder Stickstoff eingesetzt, welches zum Teil mit hohem Druck von bis zu 20 bar in die Schnittfuge geblasen 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. Feinschneiden: 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.

 

Literaturempfehlungen:

*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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