Grundlagen des Laserschneidverfahrens, Parameter und Fachbegriffe

• 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.
  

Die Parameter beim Laser 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, ...

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