Beim Laserschneiden oder Laserstrahlschneiden handelt es sich um ein thermisches Trennverfahren nach DIN 2310. Dabei erfolgt die Materialtrennung bei festen Stoffen mittels gepulster oder kontinuierlicher Laserstrahlung. Beinahe sämtliche Werkstoffe, beispielsweise Metalle, Kunststoffe sowie organische Materialien, können mittels Laserschneiden bearbeitet werden.
Relevante Verfahrensparameter des Laserschneidens sind die Wellenlänge, die mittlere Leistung, die Pulsenergie sowie die Pulsdauer. Das Laserschneiden von Metallen ist mittlerweile eine etablierte Technologie in der modernen Fertigung. Die außerordentliche Präzision, große Geschwindigkeiten sowie die Kosteneffizienz des Verfahrens machen es zum unverzichtbaren technologischen Bestandteil industrieller Prozesse.
Funktionsweise und Komponenten des Laserschneiden von Metall
Der Prozess des Laserschneidens nutzt die hoch konzentrierte Energie des Laserstrahls. Trifft dieser fokussiert auf eine Werkstückoberfläche, erhitzt, schmilzt, verbrennt oder verdampft er das Material.
Laserquelle
In der Laserquelle werden die Atome eines Lasermediums durch elektrische Entladung, Dioden oder Blitzlampen angeregt. Als Lasermedien werden Gase, Kristalle oder Glasfasern genutzt. Infolge Anregung gelangen die Außenelektronen auf ein höheres Energieniveau. Sie wechseln in eine höherenergetische Umlaufbahn um den Atomkern. Dort verbleiben sie nicht dauerhaft und kehren auf ihre vorherige Umlaufbahn zurück. Bei der Rückkehr emittieren sie Lichtteilchen, die Photonen. Dieser Vorgang erfolgt in der Laserquelle nicht spontan, sondern wird gesteuert herbeigeführt.
Man spricht von stimulierter oder induzierter Emission. Das emittierte Licht wird durch Spiegel oder Fasern in der Laserquelle zu einem monochromen, kohärenten Strahl geformt. Dieser tritt durch einen halbdurchlässigen Spiegel, den Auskoppelspiegel, aus der Laserquelle aus. Abhängig vom verwendeten Lasermedium werden CO2-Laser und Argon-Ionen-Laser (Gaslaser), Neodym-YAG-Laser, Rubinlaser, Titan-Saphir-Laser und Faserlaser (Festkörperlaser) unterschieden.
Strahlführung und Fokussierung
Ein System aus Spiegeln bzw. Lichtleiter und Linsen leitet den am Auskoppelspiegel austretenden, energiereichen Laserstrahl in Richtung Werkstückoberfläche. Durch eine Fokuslinse wird die Energie des Stahls punktförmig gebündelt.
Bearbeitungskopf und CNC-Steuerung
Die Fokuslinse ist im Bearbeitungskopf positioniert. An diesem trifft der Laserstrahl auf das Werkstück. Mittels CNC-Steuerung wird der Bearbeitungskopf mit hoher Präzision in definiert konstantem Abstand zur Werkstückoberfläche, entlang der vorgegebenen Kontur geführt.
Prozessgas
Als Prozessgase kommen Sauerstoff, Stickstoff oder Druckluft zum Einsatz. Sie werden durch eine Düse im Bearbeitungskopf dort auf die Oberfläche des Werkstückes geblasen, an der der fokussierte Laserstrahl einkoppelt. Mithilfe des Prozessgases wird das verbrannte oder aufgeschmolzene Material aus der Schnittfuge entfernt. Darüber hinaus kann es zur Kühlung der Schnittstelle genutzt werden, um Überhitzung zu verhindern. Wird Sauerstoff als Prozessgas eingesetzt, unterstützt dieser den Schneidprozess, indem er chemisch mit dem zu trennenden Material reagiert und damit den Wärmeeintrag erhöht.
Gaslaser und Faserlaser im Vergleich
Technologie
Der CO2-Laser gehört zur Gruppe der Gaslaser. Er arbeitet mit einem Gemisch aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff. Dieses Gasgemisch dient als aktives Lasermedium. In einer mehrfach gefalteten Glasröhre zirkuliert das Gas, angetrieben von einer Hochleistungsturbine, mit hoher Geschwindigkeit. Hochfrequenter Strom über Anode und Kathode wird zur Anregung genutzt. Neben dem Faserlaser ist der CO2-Laser eine der wichtigsten industriell genutzten Lasermaschinen. CO2-Laser arbeiten im Infrarotspektrum mit Wellenlängen um 10600 Nanometer.
Der Faserlaser ist ein Festkörperlaser. Als aktives Medium wird der dotierte Kern einer Glasfaser genutzt. Diese Glasfaser besteht aus mehreren Schichten und ist in der Lage, Lichtwellen zu leiten. Die Elektronen der Atome des aktiven Mediums werden durch die Strahlung eines Diodenlasers angeregt. Sowohl Intensität als auch Qualität der austretenden Laserstrahlung sind sehr hoch. Faserlaser haben eine Wellenlänge von ca. 1090 Nanometern.
Strahlqualität und Effizienz
Aufgrund seiner Wellenlänge erzielt der CO2-Laser eine sehr gute Schnittflankenqualität geringer Rauheit und erreicht damit ein sehr gutes Schnittbild. Die Energieeffizienz liegt unter der des Faserlasers. Der Wirkungsgrad wird mit etwa 15 bis 20 Prozent angegeben.
Faserlaser zeichnen sich durch eine exzellente Strahlqualität aus. Der Wirkungsgrad beträgt etwa 35 bis 50 Prozent. Damit arbeitet der Faserlaser sehr energieeffizient.
Anwendungsgebiete
Der CO2-Laser liegt mit einer Wellenlänge von 10600 Nanometern im langwelligen Bereich der Infrarotstrahlung. Die nicht sichtbare IR-C-Strahlung ist gut für das Schneiden und Gravieren transparenter Werkstoffe, wie Acryl, Makrolon und Glas, geeignet. Nicht transparente Kunststoffe, Leder, Textilien sowie Holz können in sehr guter Qualität bearbeitet werden. Das Schneiden von Metallen ist wegen deren reflektierender Oberfläche auf geringere und mittlere Materialstärken begrenzt. Bei Stählen und Edelstählen liegt diese bei 20 bis 25 Millimetern; bei Aluminium bei etwa 12 Millimetern. Kupfer und Messing sind wegen ihrer stark reflektierenden Oberfläche für die Bearbeitung mit dem CO2-Laser eher ungeeignet.
Der Faserlaser liegt mit einer Wellenlänge von etwa 1090 Nanometern im kurzwelligen Infrarotbereich. Die IR-A-Strahlung koppelt in transparentes Material nicht ein, sondern durchdringt es. Die Bearbeitung dieser Werkstoffe ist damit nicht möglich. Reflektierende Werkstückoberflächen hingegen absorbieren die kurzwellige Strahlung. Der Faserlaser ist prädestiniert für das Schneiden von Metallen. Materialstärken im Stahl-, Edelstahl- und Aluminiumbereich von etwa 50 Millimetern, sowie von etwa 20 Millimeter bei Messing und Kupfer sind sehr gut zu trennen. Die Bearbeitung von nichtmetallischen Werkstoffen ist möglich. Der Einsatz eines Faserlasers erfordert umfangreichere Sicherheitsmaßnahmen, zu denen häufig die komplette Einhausung der Laseranlage gehört.
Kosten, Wartung und Lebensdauer
Für die Anregung und Kühlung des CO2-Lasers ist nahezu drei- bis viermal mehr elektrische Energie erforderlich, als dies beim Faserlaser der Fall ist. CO2-Laser benötigen regelmäßige Wartung, beispielsweise für den Austausch der Spiegel und das Nachfüllen von Gas. Verglichen mit dem Faserlaser sind die Wartungs- und Betriebskosten des CO2-Lasers signifikant höher und sein Wirkungsgrad schlechter. Die Lebensdauer der Einzelkomponenten variiert je nach Nutzung. In der Anschaffung sind CO2-Laser, insbesondere bei niedriger und mittlerer Leistung, hingegen oftmals günstiger als Faserlaser.
Die Anschaffungskosten von Faserlasern sind teils erheblich. Faserlaser sind jedoch in der Regel wartungsarm und haben eine lange Lebensdauer von über 50.000 Betriebsstunden.
Historie
1964 erfand Kumar Patel den ersten CO2-Laser, der mit einer hinreichend hohen Strahlleistung für den industriellen Einsatz anwendbar war. Im Jahre 1979 kombinierte die Firma Trumpf einen CO2-Laser mit einer NC-Stanzmaschine. Im Ergebnis entstand die TruMatic 180 Laserpress mit 500 und 700 Watt Laserleistung. In den Jahren 1987 folgten der erste Flachbettlaser mit fliegender Optik, die TruMatic L3000 sowie 1989 der erste gefaltete CO2-Laser. Die stetige Optimierung von Laserleistung, Strahlqualität und Prozesssicherheit führte zu den heute bekannten prozesssicheren Anlagen mit einer stabilen Laserleistung von 6 bis 8 Kilowatt.
Bereits im Jahre 1961 befasste sich Elias Snitzer mit der Strahlausbreitung in Glasfasern. Er erkannte die Vorteile dieses Prinzips und die Möglichkeiten der Nutzung in Form von Glaslasern. Im Jahre 1988 beschrieb er erstmals einen mantelgepumpten Faserverstärker und gilt als Begründer dieser Technologie. Die Firma Trumpf führte ihren ersten Faserlaser im Jahr 2010 ein. Die Modellreihen TruLaser 5030 fiber und TruLaser 5040 fiber verfügen über Leistungen von 3 Kilowatt beziehungsweise 4 Kilowatt. Heute bietet Trumpf mit dem TruDisk einen Hochleistungsfestkörperlaser auf Basis des Faserlaser-Prinzips mit einer Leistung von bis zu 24 Kilowatt an.
ESTA E. Stahl Metallwarenfabrik GmbH
Die ESTA E. Stahl Metallwarenfabrik GmbH verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Blechbearbeitung, so auch in der Laserbearbeitung von Metallen.
Mit unserem Flachbettlaser bearbeiten wir Bleche der Größe 2000 Millimeter mal 4000 Millimeter. Beim Schneiden von Stahl realisieren wir Materialdicken bis zu 20 Millimetern, bei Edelstahl bis zu 12 Millimetern und bei Aluminium bis zu 6 Millimetern. Rohrbearbeitung bieten wir für Durchmesser zwischen 35 und 280 Millimeter an. Die Bearbeitung von Holz, Multiplex und Kunststoffen ist ebenfalls realisierbar.
Überzeugen Sie sich von unserer Leistungsfähigkeit. Wir stehen Ihnen gern sowohl in Beratung als auch in Ausführung zur Verfügung. Nehmen Sie noch heute den Kontakt zu uns auf – wir freuen uns auf Sie!
