Laserschneiden

Das Laserstrahlsschneiden ist ein Verfahren, mit dem auch komplexe und maßgenaue Bauteile mit schmaler Schnittfuge, geringer Wärmebeeinflussung und hoher Schnittqualität hergestellt werden können.

Viele Werkstoffe sind mit dem Laserstrahl schneidbar, zum Beispiel:

  • Un- und niedriglegierte, verzinkte, lackierte oder beschichtete Baustähle–Werkzeugstahl
  • Hochlegierte Stähle, z.B. Chrom-Nickel-Stahl
  • Nichteisenmetalle
  • Al und Al-Legierungen
  • Ti und Ti-Legierungen
  • Kunststoffe, z.B. Acrylglas
  • Gummi, Papier, Wolle, Baumwolle, Schichtholz und Quarzglas

In diesem Artikel findest Du Informationen zu folgenden Themen:

So funktioniert das Laserschneidverfahren

Laserstrahl-Brennschneiden und -Schmelzschneiden sind Verfahren, die hauptsächlich beim Schneiden von Metall zum Einsatz kommen. Beim Brennschneiden wird un- und niedriglegierter Stahl bis auf Entzündungstemperatur erhitzt und im Sauerstoffstrahl verbrannt.
Dabei treibt die kinetische Energie (auch Bewegungsenergie genannt) des Sauerstoffstrahls Schmelze und Schlacke aus der Schnittfuge aus.
Bei der Verbrennung wird zusätzlich Energie freigesetzt, die hohe Schneidgeschwindigkeiten ermöglicht. Die entstandenen Schnittflächen sind mit einer Oxidschicht bedeckt.

Hochlegierte Stähle und Nichteisenmetalle werden beim Laserstrahl-Schmelzschneiden bis auf Schmelztemperatur erhitzt.
Die Schmelze wird mit der Bewegungsenergie eines reaktionsträgen oder inerten Gases wie Stickstoff oder Argon aus der Schnittfuge ausgetrieben.
Sie ist grundsätzlich zäher als beim Brennschneiden. Es wird keine zusätzliche Verbrennungsenergie erzeugt, sodass die Schneidgeschwindigkeit niedriger ist als beim Einsatz von Sauerstoff. Die Schnittfläche ist metallisch blank.

Darstellung des Laserstrahl-Brennschneidens
Darstellung des Laserstrahl-Brennschneidens

Welche Verfahren gibt es beim Laserschneiden?

1. Laserstrahlbrennschneiden:
Als Schneidgas wird hier Sauerstoff verwendet. Das Material wird beim Aufschmelzen bzw. Schneiden durch den Sauerstoff verbrannt. Es entstehen Oxide an den Schnittkanten, ähnlich wie beim klassischen Brennschneiden mit Sauerstoff und Acetylen. Beim Schneiden von unlegierten Stählen wird dem Schneidprozeß durch den exothermen Verbrennungsprozeß noch zusätzliche Energie zugeführt. Dies führt zu höheren Schneidleistungen. Sehr wichtig ist hier die Reinheit des Schneidsauerstoffes.

2. Schmelzschneiden/ Stickstoff- Hochdruckschneiden:
Beim Laserstrahlschmelzschneiden werden reaktionsträge (Sticktoff) oder inerte Gase (Argon) als Schneidgase eingesetzt. Das zu schneidende Material wird z. T. unter hohem Druck (>20 bar) mit dem inerten Schneidgasstrahl aus der Schnittfuge ausgetrieben. Die Schnittkanten bleiben bei optimaler Parametereinstellung oxid- und gratfrei.

3. Sublimierschneiden:
Das Material wird auf Grund der hohen Energiedichte (z.B. Laser im Impulsbereich) direkt verdampft. Mit diesem Verfahren werden insbesondere nichtmetallische Werkstoffe geschnitten. Es kann sich also z.B. um Laserstrahlschneiden von Kunststoffe, Papier, Textilien, Holz, Quarzglas, keramische Werkstoffe etc. handeln. Das Schneidgas (z.B. Stickstoff) wird u.a. eingesetzt um ein Einflammen der Materialien (Holz, Papier etc.) bzw. eine starke Rauchentwicklung zu vermeiden.

Strahlführungssystem

Das Licht eines Festkörperlasers – wie z.B. eines Stab-, Scheiben- oder Faserlasers- wird mittels Glasfasern zum Bearbeitungskopf übertragen.
Das Licht eines Kohlenstoffdioxidlasers hingegen kann aufgrund seiner Wellenlänge nicht über Fasern übertragen werden und wird in der Regel mit Spiegeln zum Bearbeitungskopf geleitet. Die Spiegel sind Teil des sogenannten geschlossenen Stahlführungssystems, das die Umgebung vor Streustrahlung und den Laserstrahl vor Stäuben und gasförmigen Verunreinigungen schützt.

Problematische Luftbestandteile sind insbesondere:

  • Kohlenwasserstoffe, z.B. Butan als Treibgas in Sprühflaschen, oder auch durch Lüftungs- oder Druckluftsysteme angesaugte Kohlenwasserstoffe (Abgase, Lösungsmittel etc.)
  • Feuchtigkeit, z.B. Luftfeuchtigkeit oder Reinigungsflüssigkeit wie auch deren Dämpfe
  • Kohlendioxid, z.B. aus der Verbrennung

Das Strahlführungssystem sollte mit reinem Gas, LASERLINE Stickstoff zum Laserschneiden gespült werden, um eine Beschädigung der Spiegel bzw. eine Änderung der Laserleistung oder der Strahlqualität zu vermeiden.

Achtung : Druckluft aus Ringleitungen, wie sie z.B. für den Betrieb von Druckluftwerkzeugen verwendet wird, hat nicht die nötige Reinheit.
Hier fehlen in der Regel Filtereinheiten für Kohlenwasserstoffe und gasförmige Nebenbestandteile. Eine Nachrüstung vorhandener Systeme mit entsprechender Technik ist im Allgemeinen unwirtschaftlich und zusätzlich regelmäßig zu warten.

Ist Leistungsverlust am Bearbeitungskopf feststellbar, so kann dies an verschmutzten oder falsch ausgerichteten Spiegeln liegen. In diesem Fall muss durch ausgebildetes Personal eine Leistungsmessung je Spiegel bzw. eine Spiegeljustage und/oder – reinigung durchgeführt werden.

Schneidprozess

Wichtige Prozessgrößen und Fehlerquellen sind:

  • Brennweite der Schneidlinse
  • Fokusposition
  • Düsengröße
  • Düsenmittel
  • Arbeitsabstand
  • Schneidgasart, Schneidgasdruck
  • Leistung, Geschwindigkeit

Brennweite der Schneidlinse

Zur Bündelung des Laserstrahls werden Fokussierlinsen eingesetzt, die bis zu 5 kW/cm² Laserstrahlleistung standhalten. Linsenbrennweiten von 5“, 7,5“ und 10“ sind gebräuchlich. Eine Schneidlinse kann durch Spannung beschädigt sein, die nur unter polarisiertem Licht zu sehen sind.

Folgende Leitfragen sind zur Orientierung bei Schneidproblemen sinnvoll:

  1. Hat die Linse die passende Brennweite und ist sie richtig eingebaut?
  2. Ist die Linse verkratzt oder verschmutzt?
  3. Arbeitet die Linsenkühlung ordnungsgemäß?
  4. Sind Laserstrahl und Linse richtig aufeinander ausgerichtet?
    Eventuell muss dann die Strahlführung neu justiert werden.

Fokusposition

Beim Laserstrahlschneiden mit Sauerstoff wird der Fokus – das ist die Stelle im Stahl, welche die höchste Energiedichte besitzt- auf der Blechoberseite positioniert, um dort schnellstmöglich die Zündtemperatur zu erreichen. Geringfügige Abweichungen, z.B. wenige Millimeter über dem Blech, erzeugen einen breiteren Schnittspalt, sodass dickere Werkstücke leichter zu entnehmen sind.

Beim Laserstrahlschneiden mit Stickstoff wird der Fokus nahe der Blechunterseite positioniert, um ein effektives Aufschmelzen des Werkstoffs und Ausblasen der Schmelze zu ermöglichen.

Darstellung der Fokusposition
Darstellung der Fokusposition

Düsengröße

Der Bohrungsdurchmesser kennzeichnet die Düsengröße. Beim Laserstrahlbrennschneiden von z.B. 10 mm Baustahl 1,2 – 1,5 mm.
Beim Schmelzschneiden von 10 mm Edelstahl beträgt die Größe dagegen 2,5 – 4,0 mm.
Die Düsenbohrung läuft zylindrisch aus und formt damit den Schneidgasstrahl und bestimmt die Schnittqualität.
Der zylindrische Teil darf nicht verschmutzt oder beschädigt sein.

Düsenmitte

Zur Ermittlung der Lage des Laserstrahls zur Düsenmitte wird das Schneidgas abgestellt. Die Düsenunterseite wird z.B. mit Graphit geschwärzt und ein Klebeband über die Bohrung geklebt. Bei geringer Leistung wird ein „Schuss“ ausgeführt. Bei anschließender Betrachtung des Klebebandes kann die Lage des Strahls ermittelt werden. Das Loch des Schusses sollte sich mittig im Graphitring befinden, da dies die Schnittqualität und Spritzerauswurf beeinflusst.

Darstellung der Düsenmitte
Darstellung der Düsenmitte

Arbeitsabstand

Der Arbeitsabstand zwischen Düse und Werkstück beträgt üblicherweise 0,25 -2,0 mm und muss während des Schneidevorgangs konstant gehalten werden. Dazu ist beispielsweise der Einsatz von Abstandssensoren sinnvoll.
Durch Wahl einer größeren Düse wird die Abstandssensibilität verringert und das Schneidergebnis erzielt eine konstante Qualität.

Darstellung des Arbeitsabstands
Darstellung des Arbeitsabstands

Schneidgasarten

Beim Laserstrahl-Brennschneiden wird Sauerstoff als Schneidgas verwendet. Beim Schmelzschneiden kommen Stickstoff und teilweise auch Argon zum Einsatz. Falls Probleme beim Schneiden auftreten, können diese mit dem Schneidgas zusammenhängen. Zur Fehlersuche sollten Gasdruck und Durchfluss (die Menge des Gases) überprüft werden.
Beide Parameter sollten möglichst nah an der Düse ermittelt werden.

Übermäßiger Sauerstoffdruck führt z.B. zu verbrannten Ecken und zum Verlust feinster Konturen. Unzureichende Gasreinheit führt beim Sauerstoffschneiden zu einer reduzierten Schneidgeschwindigkeit und beim Stickstoffschneiden zu verminderter Schnittkantenqualität.

Schneidgasdruck

Das Schneidgas wird zwischen Linse und Düse zugeführt und der Schneidgasdruck im Schneidkopf gemessen. Beim Laserbrennschneiden muss der Druck des Schneidsauerstoffs mit zunehmender Blechdicke bis unter 1 bar reduziert werden.
Der Stickstoffdruck wird mit zunehmender Blechdicke beim Laserschmelzschneiden hingegen erhöht.

Speziell beim Einstechen muss ausreichend Schneidgasdruck vorhanden sein, bevor der Laserstrahl eingeschaltet wird. Wenn z.B. die Düse auf der Werkstückoberfläche aufsetzt, ist zwar der Schneidgasdruck vorhanden, aber der Schneidgasstrom unterbrochen. Es besteht in beiden Fällen die Gefahr, dass Spritzer vom Einstechen von unten auf die Linse spritzen können.

Leistung und Geschwindigkeit

Die einzustellende Laserleistung und Schnittgeschwindigkeit hängt von der eingesetzten Anlage ab und sind den Parametertabellen zu entnehmen. Zur Optimierung bzw. Fehlersuche kann beispielsweise die Schnittgeschwindigkeit bis zu 20% von den angegebenen Werten abweichen.

Spezifikation und Zustand des Werkstoffs

Mit der Qualität des Werkstoffs verändert sich auch das Schnittergebnis. Auch Oberflächenbeschichtungen wie Rost, Farbe und Walzzunder, aber auch tiefe Kratzer und andere Rauheiten, haben einen Einfluss auf die Schnittqualität.

Vorteile des Verfahrens

  • schmaler Schnittspalt (0,2mm)
  • geringe Oxidschicht bzw. metallisch blanke Schnittflächen
  • scharfe Kanten möglich
  • kleines Startloch
  • in allen Schneidrichtungen besteht die gleiche Schnittqualität
  • schmale Wärmeeinflusszone (0,1mm)
  • geringe Riefenbildung Ra=10mm
  • uneingeschränkte Konturen möglich
  • leicht zu automatisieren
  • senkrechte und parallele Schnittflächen
Darstellung Laserschneiden
Schematische Darstellung vom Brennschneiden

Benötigtes Equipment / Gase

 


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