Laserschneiden

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Beim Laserschneiden, auch Laserstrahlschneiden genannt, werden Werkstoffe mittels kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahlung durch Materialablation durchtrennt. Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren kann mit Laserstrahlung bei entsprechender Einstellung der Laserparameter wie Wellenlänge, mittlere Leistung, Pulsenergie und Pulsdauer, nahezu jede Art von Werkstoff geschnitten werden. Hierzu zählen beispielsweise Metalle (Baustahl, Edelstahl, Aluminium, etc.), Dielektrika, Kunststoffe, Glas, Keramik, organische Materialien oder Verbundwerkstoffe.

Vorteile

Mit Hilfe des Lasers können komplexe zwei- oder dreidimensionale Umrisse oder dreidimensionale Durchbrüche hergestellt werden. Er kann dort eingesetzt werden, wo eine präzise, schnelle Verarbeitung gefordert ist oder schlecht zugängliche Stellen berührungslos und nahezu kraftfrei bearbeitet werden sollen. Das Verfahren ist verzugsarm und macht in vielen Fällen Nacharbeiten überflüssig, da wenig Wärme in das Bauteil eindringt und die meisten Materialien gratfrei geschnitten werden. Es ist bereits ab sehr niedrigen Losgrößen wirtschaftlich einsetzbar, weist eine hohe Flexibilität und Materialausnutzung auf.

Aufbau

Eine Laserstrahlschneidmaschine besteht prinzipiell aus einer Laserstrahlquelle, der Laserstrahlführung und einem Bearbeitungskopf inklusive Schneiddüse. Als Strahlquelle werden gut fokussierbare Laser eingesetzt, wie z.B. CO2-Laser oder Festkörperlaser (Faserlaser, Scheibenlaser, Nd:YAG-Laser). Der Laserstrahl wird bei Festkörperlasern über Lichtleitkabel und bei CO2-Lasern über Umlenkspiegel zur Fokussieroptik an der Bearbeitungsstelle geführt. Um die Vorteile des Laserschneidens mit denen des Stanzens zu verbinden, gibt es kombinierte Bearbeitungsmaschinen (z.B. Stanz-Laser-Maschinen).

Häufige Anwendungen

Mit dem Laser können die unterschiedlichsten Schneidaufgaben umgesetzt werden. Sie reichen von der mikrometergenauen Schnittfuge im hauchdünnen Halbleiterchip bis zum Qualitätsschnitt im 50 Millimeter dicken Edelstahl. Das volumenmäßig wichtigste Einsatzgebiet des Laserschneidens ist das Trennen von Stahlblechen. Bis zu einer Materialdicke von 25 mm hat der Laser aufgrund seiner Flexibilität und der einfachen Konturprogrammierung bei kleinen und mittleren Losgrößen konventionelle Verfahren wie das Stanzen oder Fräsen in vielen Fällen verdrängt. Auch Aluminium und Messing lassen sich bei geringeren Wanddicken erfolgreich schneiden (Aluminium: 15 mm, Messing: 8 mm). Eine weitere Anwendung ist das Ablängen und Schneiden von Rohren. Räumliches Laserschneiden finden z. B. in der Automobilindustrie statt, hier vor allem bei warmumgeformten hochfesten Stählen. Mit Lasern können auch feinste Schnitte mit bis zu < 0,01 mm Breite und Bohrungen bis hinunter zu einem Durchmesser von ca. 50 Mikrometer realisiert werden.

Verfahren

Schmelzschneiden

Beim Schmelzschneiden wird das Material durch den Laser unmittelbar aufgeschmolzen. Als Schneidgas dient ein inertes Gas wie Stickstoff oder Argon. Dieses drückt das aufgeschmolzene Metall aus der Schnittfuge. Gleichzeitig kühlt es die Schnittkante und schirmt sie von der Luft ab, sodass keine Oxidschicht an den Kanten entsteht. Allerdings steht zum Schneiden allein die Energie des Laserstrahls zur Verfügung. In dünnen Blechen ist die Schneidgeschwindigkeit so hoch wie beim Brennschneiden. Bei größeren Blechdicken und beim Einstechen ist die Prozessgeschwindigkeit gegenüber dem Brennschneiden reduziert.

Brennschneiden

Beim Brennschneiden wird als Schneidgas Sauerstoff eingesetzt. Beim Trennen reagiert der Sauerstoff in der Schnittfuge mit dem erwärmten Metall. Durch diese Oxidation wird Energie frei, die den Schneidprozess zusätzlich beschleunigt (1,5 bis 3-fach). Brennschneiden eignet sich daher gut, um schnell und produktiv Teile wie z.B. dicke Bleche und Baustahl (bis über 25 mm) zu schneiden. Als Strahlquelle finden sich hier meist CO2-Laser.

Sublimierschneiden (Laser-Remote-Schneiden)

Das Sublimierschneiden wird für sehr dünne und empfindliche Materialien eingesetzt und bietet hochwertige Schnittkanten für feine Schneidaufgaben. Bei dem Verfahren verdampft der Laser das Material möglichst schmelzarm. Der Materialdampf erzeugt dabei in der Schnittfuge einen hohen Druck, der die Schmelze nach oben und unten herausschleudert. Das Prozessgas (Stickstoff, Argon oder Helium) verhindert das Kondensieren des Dampfes in der Schnittfuge und sorgt dafür, dass die Schnittkanten oxidfrei bleiben. Metall zu verdampfen erfordert mehr Energie als es zu schmelzen. Deshalb benötigt Sublimierschneiden hohe Leistungsdichten und ist langsamer als andere Schneidverfahren. Dafür erzeugt es hochwertige Schnittkanten und wird für besonders feine Schneidaufgaben eingesetzt. Als Laser werden meist gütegeschaltete und modengekoppelte Festkörperlaser für Metalle, Keramiken oder Diamant sowie CO2-Laser für Keramiken und Kunststoffe eingesetzt. Reines Sublimationsschneiden, d. h. der direkte Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand (Sublimation) ohne dazwischen flüssig zu sein, tritt beim Schneiden von Plexiglas und Holz auf.