Laserschneiden

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Beim Laserschneiden, auch Laserstrahlschneiden genannt, werden Werkstoffe mittels kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahlung durch Materialablation durchtrennt. Damit zählt das Verfahren zu den thermischen Trennverfahren. 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.

Laserschneiden mit der TruLaser 5030 der Firma TRUMPF


Allgemeine Beschreibung

Verfahren

Wichtige Prozessparameter im Überblick:

Aktiv Kurzzeichen Einheit Aktiv Kurzzeichen Einheit
Laser-Betriebsart CW/Puls - Linse/Brennweite f Zoll
Fokusanlage ± z mm Werkstückdicke s mm
Strahlmittigkeit der Düse - - Werkstoffart - -
Düsendurchmesser dD mm Polarisation des Lasers - -
Düsenabstand zum Werkstück a mm Laserstrahlstruktur TEM -
Reinheit des Prozessgases - - Laserstrahlqualität - -
Prozessgasdurchfluss V l/min Lasernennleistung Pl Watt
Prozessgasdruck P bar
Bearbeitungsgeschwindigkeit Vs m/min

Brennschneiden

Das Laserstrahl-Brennschneiden ist aufgrund seiner Verbreitung das wirtschaftlich bedeutendste. Dabei wir reiner Sauerstoff in einem Strahl als Prozessgas hinzu gegeben. Der Laserstrahl wird im Schneidkopf mittels einer Fokussierlinse gebündelt und mit dem Sauerstoff zusammen auf das zu bearbeitende Material geführt. Der Laserstrahl erwärmt dabei das Material und der Sauerstoff steigert den Reduktionsvorgang, was zu einer intensiven Verbrennungsreaktion führt. Ebenfalls fördert der Sauerstoffstrahl die Abfuhr des verflüssigten, verbrannten Materials. Wenn Prozessparameter nicht genau eingehalten werden, kann es zur Bildung einen "Bartes" in Form einer Schlackewulst an der unteren Kante des Materiales kommen. Ein weiterer Indikator ist ein rauer langwelliger Schnitt. Bei extremer Abweichung der Parameter kann es sogar dazu kommen, dass das Material nicht durchtrennt wird oder anfängt unkontrolliert zu brennen. Um einen optimalen Schnitt zu ermöglichen ist es wichtig die aktiven und passiven Parameter zu verstehen.

Die Aktiva sind dabei durch einfache mechanische Änderungen der Bearbeitungsmaschine oder CNC-Einstellungen korrigierbar. Die Passive hingegen lassen sich oft nur bedingt beeinflussen oder verändern. Die Einstellung vor allem der Aktiva lassen sich dabei meist in den Benutzerhandbüchern der Hersteller entnehmen. Einige Hersteller bieten zusätzlich überbetriebliche Ausbildungsmaßnahmen zu ihren Maschinen an.

Laserstrahl-Schmelzschneiden

Das Laserstrahl-Schmelzschneiden unterscheidet sich nur wenig vom Laserstrahl-Brennschneiden. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren bei legierten, korrosionsbeständigen Stählen (wie V2A), Aluminiumlegierungen und Holz oder Kunststoffen. Die wichtigste Variante des Schmelzschneiden ist das Hochdruck-Schneiden (HD-Schneiden). Als Prozessgas kommt hierbei Stickstoff zum Einsatz, bei dem Trennen von Titanlegierungen auch Argon. Das Prozessgas wird dabei unter hohem Druck von 7 bis 20 bar in die Schnittfuge geblasen und verhindert durch das Verdrängen des Sauerstoffes eine Oxidation des Schnittrandes. Das ist vor allem bei korrosionsbeständigen metallischen Werkstoffen wichtig um die Korrosion an der Schnittfuge zu unterbinden. Dadurch kommt es weder zur Verfärbung des Werkstoffes, noch zur Schlackbildung. Somit muss das Werkstück nicht mehr nachbehandelt werden.

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.


Einsatzgebiete

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.

Durch eine 3D-Bearbeitung können komplexe Konturen und Formen erzielt werden, welche mit herkömmlichen Verfahren nur sehr aufwendig bis gar nicht erreicht werden könnten. Das macht das Laserschneiden auch in Hinblick auf Weiterentwicklungen wie Leichtbau sehr interessant.


Prozessgase

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.


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