KAAST: Allgemeines zum Laserstrahlschneiden
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Laserschneiden

Das Laserschneiden wird dort eingesetzt, wo komplexe Umrisse eine präzise, schnelle Verarbeitung und nahezu kraftfreie Bearbeitung unterschiedlichster Materialien gefragt sind. Mit Hilfe des Lasers können schmale Schnittfugen erzielt und somit Teile präzise geschnitten werden. 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.

Geschnitten werden nahezu alle metallischen Werkstoffe, wobei Baustahl, Edelstahl und Aluminium den wesentlichen Anteil ausmachen. Andere Werkstoffe, die mittels Lasertechnik geschnitten werden, sind u.a. Holz, Kunststoffe, Glas und Keramik. Gegenüber alternativen Verfahren, wie etwa dem Stanzen, ist das Laserschneiden bereits bei sehr niedrigen Losgrößen wirtschaftlich einsetzbar. Das Laserschneiden schöpft sein anwendungstechnisches Potential im Wesentlichen aus der hohen Lokalität des Laserenergieeintrages, d.h. es profitiert von geringen Fokusdurchmessern, mit der Folge geringer Schnittspaltenbreite, hohen Vorschubgeschwindigkeiten und minimalem Wärmeeintrag.

 

Schneidverfahren


 

Das Trennen mit Laserstrahlung wird in drei verschiedene Prozesse eingeteilt:

  • Schmelzschneiden
  • Brennschneiden
  • Sublimationsschneiden

Grundsätzlich erfolgt das Schneiden von Metallen mittels Laser durch eine lokale Aufschmelzung des Materials über seine gesamte Tiefe. Der erzeugte Schmelzfilm wird entweder durch ein koaxial zum Laserstrahl geführtes Gas oder durch den induzierten Dampfdruck ausgetrieben, so dass eine Schnittfuge entsteht.

Die Entscheidung über die zu verwendende Strahlquelle wird z.B. durch die Schneidgeometrie, die Taktzeit, die Systemtechnik und vor allem das Material beeinflusst

 

1. Laserschmelzschneiden
Beim Schmelzschneiden geschieht die Ausbildung der Schnittfuge durch kontinuierliches Aufschmelzen und Ausblasen des Fugenwerkstoffs mit einem reaktionsträgen oder inerten Gas (Stickstoff, Argon). Das Verfahren wird insbesondere bei höher legierten Stählen und Aluminium eingesetzt, wobei der Gasstrahl ein Oxidieren der Oberfläche verhindert.
Der Prozess des Laserschmelzschneidens wird ausschließlich durch die Energie des Laserstahls unterhalten und wird heute regulär bis zu einer Materialstärke von 15 mm eingesetzt. Die somit benötigte Laserleistung ist höher als beim Laserbrennschneiden.
Sowohl CO2- als auch Festkörperlaser eignen sich grundsätzlich für diese Applikation, wobei sich CO2-Laser besser als Strahlquelle für das Schneiden dickerer Materialstärken eignen.

2. Laserbrennschneiden
Speziell bei niedrig legierten Stählen wird typischerweise Sauerstoff als Schneidgas verwendet. Dieser als Laserbrennschneiden bezeichnete Prozess wird durch die exotherme Reaktion des über die Zündtemperatur erhitzten Materials zusätzlich mit Energie versorgt. Die somit benötigte Laserleistung ist niedriger als beim Laserschmelzschneiden.
Laserbrennschneiden wird heute industriell bei einer Materialstärke von bis zu 25 mm eingesetzt.

Wie beim Laserschmelzschneiden werden sowohl CO2- als auch Festkörperlaser grundsätzlich für diese Applikation eingesetzt, wobei sich CO2-Laser besser als Strahlquelle für das Schneiden dickerer Materialstärken eignen.

3. Lasersublimationsschneiden
Bei dem als Sublimationsschneiden bezeichneten Verfahren wird der Werkstoff durch die absorbierte Laserenergie aufgeschmolzen und zum Teil verdampft. Durch den Druck des entstehenden Dampfes geht der Materialabtrag dann über Schmelzeverdrängung aus der Schnittfuge entgegen der Strahleinfallsrichtung vor sich. Dies erfordert deutlich höhere Leistungsdichte der Bearbeitung und ist gleichzeitig mit wesentlich geringeren Vorschubgeschwindigkeiten verbunden als die beiden oben genannten Laserschneidverfahren.

Da die Schnitttiefen in einem Durchgang (Singlepass) häufig nur im Bereich einiger 10 Mikrometer liegen, werden größere Materialstärken im sogenannten Multipass-Verfahren getrennt. Typische wirtschaftlich sinnvoll trennbare Querschnitte liegen werkstoffabhängig bei max. 1 mm. Die hier angewandten Laser sind zumeist gütegeschaltete Festkörperlaser für Metalle, Keramiken oder Diamant sowie CO2-Laser für Keramiken und Kunststoffe.  Reine Sublimationsschneideprozesse, d. h. der direkte Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand, stellen das Schneiden von Plexiglas und Holz dar.

Materialien

Neben den genannten Materialien und Applikationen sind mit dem Laser auch Keramik, Graphit, Nichteisenmetalle wie Titan und Messing, Leder, Schleifpapier und viele andere geschnitten worden. Viele Kunststoffe, Holz und Papier lassen sich nur mit dem CO2-Laser schneiden, weil sie für die Festkörperlaser transparent sind. Metalle lassen sich sowohl mit CO2-Lasern als auch mit Festkörperlasern schneiden. Eine Auflistung aller von ROFIN installierten Schneidanwendungen würde diesen Rahmen sprengen. Gerne informieren Sie unsere Mitarbeiter zu den Details Ihrer Anwendung

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