Einleitung – Historische Entwicklung des Laserschneidens

Das Schneiden ist die am weitesten verbreitete Lasertechnologie. Der industrielle Einsatz von Lasern geht auf das Jahr 1965 zurück, als die Firma Western Electric Company ein funktionsfähiges Lasersystem zum Bohren von Diamantstempeln baute. Im Jahr 1967 wurde dann in Großbritannien ein Lasersystem zum Schneiden von Stahlblechen unter Verwendung von Sauerstoff als Hilfsgas in Betrieb genommen. Bald darauf folgten Systeme zum Schneiden von nichtmetallischen Werkstoffen.

In den 1970er Jahren kam es dann zu einem massiven industriellen Einsatz des Laserschneidens mit CO₂-Lasern. Diese Systeme wurden in der Folgezeit nicht nur im Hinblick auf die Entwicklung der Laserquellen selbst weiterentwickelt. Bedeutende Verbesserungen betrafen auch Antriebe, Steuerungssysteme, Postprozessoren usw. Doch auch die Laserquellen machten erhebliche Fortschritte. Einer der Meilensteine in der Entwicklung von CO₂ -Lasern war die Einführung des sogenannten diffusionsgekühlten (DC – Diffusion Cooled ) Schwachlaser (siehe Abbildungen unten). Dieser Lasertyp benötigt keine externen Laser-Gasquellen, und das System enthält zudem keine beweglichen Teile. Aus diesem Grund weisen diese Laser im Vergleich zu Durchflusslasern deutlich geringere Betriebskosten und zudem eine höhere Qualität des Ausgangsstrahls auf. Derzeit werden Modelle mit einer Leistung von bis zu 8 kW hergestellt.

Gegen Ende des letzten Jahrhunderts erreichten die Leistungen von CO₂-Lasern solche Werte, dass sich bei der Konstruktion von Laserschneidmaschinen zunehmend Linearmotoren durchsetzten, vor allem aufgrund der Möglichkeit deutlich höherer Schnittgeschwindigkeiten . Zudem kamen Festkörperlaser zum Einsatz, vor allem beim Schneiden dünner Bleche.

Die folgende Abbildung zeigt Absorptionskurven häufig geschnittener Materialien. Aus diesen Kurven geht hervor, dass die Absorption im Wellenlängenbereich von Festkörperlasern (um 1 µm) deutlich höher ist als die Absorption im Wellenlängenbereich von CO ₂-Lasern (10,6 µm) deutlich höher ist.

Die letzten zehn Jahre standen dann im Zeichen eines verstärkten Einsatzes von Faserlasern. Auch renommierte Laserhersteller nehmen heute in zunehmendem Maße Faserlaser in ihr Programm auf. Die Vorteile von Faserlasern und ein allgemeiner Überblick über Industrielaser wurden im vorherigen Teil dieser Serie ausführlicher behandelt.

Arten des Laserschneidens

3D-Laserschneiden

Gerade durch den Einsatz von Faserlasern wird das räumliche Schneiden wesentlich einfacher. Der Laserschneidkopf ist an der Flanschbefestigung der letzten Achse des Roboters angebracht. Der Laserstrahl wird über eine optische Faser zur Schneidstelle geleitet, was die Integration des Lasers in den Roboter erheblich vereinfacht. Beim Ausschneiden präziser Öffnungen in 3D ist es möglich, den Schneidkopf in ein autonomes X-Y-Koordinatenpositioniersystem einzubauen, das dann, wenn der Roboter in der entsprechenden Position angehalten wird, das Ausschneiden präziser Öffnungen gewährleistet (Abbildung rechts).

Remote Cutting („Fernschneiden“)

In letzter Zeit findet dank der steigenden Laserleistungen und der Weiterentwicklung optischer Systeme (dynamischer Expander) auch das sogenannte „Remote Cutting“ in der Industrie zunehmend Anwendung. Und zwar vor allem bei nichtmetallischen Materialien wie Textilien, Papier und Kunststoffen. Bei dieser Technologie ist ein zweiachsiger Scankopf hoch über dem Werkstück in einem Abstand von 1 bis 2 m positioniert. Vor diesem Scankopf befindet sich ein dynamischer Expander, der für eine optimale Einstellung der Größe des Schnittpunkts sorgt. Die Abtastung der Schnittfläche erfolgt durch die Auslenkung des Strahls mittels zweier Galvoscanner im Scankopf, der während des Schneidvorgangs selbst an einer Stelle verbleibt.

Beim Laserschweißen wird dieses Verfahren wesentlich häufiger eingesetzt. Weitere Details zum Prinzip selbst finden Sie im folgenden Teil der Serie, der sich mit dem Laserschweißen befasst.

Das Prinzip des Laserschneidens

Beim eigentlichen Laserschneidprozess finden im Wesentlichen drei verschiedene Vorgänge statt:

In den meisten Fällen kommt es beim Laserschneiden zu einer Kombination aus einigen dieser drei Verfahren. Die folgende Abbildung veranschaulicht das Prinzip des Laserschneidens.

Sublimationsschneiden

Beim Sublimationsschneiden wird das Material an der Schnittstelle verdampft. Dazu ist eine hohe Intensität der Laserstrahlung erforderlich, die durch eine geeignete Einstellung der Laserparameter und der Fokussieroptik erreicht wird, sodass eine sofortige Verdampfung des Materials erfolgt. Die entstehenden Metalldämpfe werden durch ein Hilfsgas (Prozessgas) aus dem Schnittbereich abgeführt. Als Hilfsgas wird meist Stickstoff oder Argon verwendet, um eine Oxidation des Materials zu verhindern. Da das Material fast nicht schmilzt, ist der Schnitt hochwertig, glatt und gratfrei.

Schmelzschneiden

Das Schmelzschneiden erfordert geringere Leistungen als das Sublimationsschneiden, da lediglich das Material geschmolzen und aus der Schnittfuge durch einen Strom von inertem Prozessgas ausgeblasen wird.

Brennschneiden

Das Brennschneiden wird aufgrund der hohen Schnittgeschwindigkeit zum Schneiden von Normal- und Baustählen eingesetzt. Anstelle von Inertgas wird Sauerstoff als Hilfsgas verwendet. Das Material wird auf eine Temperatur über dem Zündpunkt erhitzt, wodurch eine eine exotherme Reaktion, die dem Schneidprozess Energie zuführt. Im Vergleich zum Sublimations- und Schmelzschneiden sind die Schnittgeschwindigkeiten etwa doppelt so hoch. Die Schnittqualität ist zwar nicht so gut, für die große Mehrheit der Anwendungen jedoch völlig ausreichend.

Aktuelle Trends – Faserlaser

Wie oben erwähnt, werden CO₂-Laser in den letzten Jahren in vielen Fällen durch Faserlaser ersetzt. Zum Vergleich ist in der Abbildung unten ein Vergleich der Schnittgeschwindigkeiten beim Schneiden von Edelstahl dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist die Schnittgeschwindigkeit von Faserlasern bei dünneren Materialien deutlich höher, und zwar selbst bei halber Laserleistung.

Abschließend ist festzuhalten, dass das Gebiet und die Problematik des Laserschneidens relativ umfangreich sind und bereits unzählige Texte darüber verfasst wurden. Wir hoffen, dass die hier auf so begrenztem Raum dargelegten Informationen zumindest teilweise interessante Einblicke liefern.