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Laserschneiden
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Laserschneiden ist ein thermisches Trennverfahren für plattenförmiges Material (meist Metallbleche, aber auch Holzplatten und organische Materialien) und 3-dimensionale Körper (z. B. Rohre oder Profile) mittels eines Lasers.
Das Verfahren wird dort eingesetzt, wo komplexe Umrisse (zwei- oder auch dreidimensional), eine präzise, schnelle Verarbeitung (typisch 10 m/min, aber auch bis zu 30 m/min) und nahezu kraftfreie Bearbeitung gefordert sind. Gegenüber alternativen Verfahren wie etwa dem Stanzen ist das Laserschneiden bereits bei sehr niedrigen Losgrößen wirtschaftlich einsetzbar.
Um die Vorteile des Laserschneidens mit denen des Nibbelns zu kombinieren, bieten die Hersteller auch kombinierte Maschinen an, die sowohl Operationen mit dem Stanzkopf als auch das Auslasern beliebiger Konturen ermöglichen.
Zum Einsatz kommen fokussierte Hochleistungslaser, meist der CO2-Laser (ein Gaslaser) oder auch zunehmend Nd:YAG-Laser (Festkörperlaser).
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Verfahren
Das Laserschneiden setzt sich aus zwei gleichzeitig ablaufenden Teilvorgängen zusammen. Zum einen beruht es darauf, dass der fokussierte Laserstrahl an der Schneidenfront absorbiert wird und so die zum Schneiden benötigte Energie einbringt. Zum anderen stellt die konzentrisch zum Laser angeordnete Schneiddüse das Prozessgas bereit, dass die Fokussieroptik vor Dämpfen und Spritzern schützt und weiterhin den abgetragenen Werkstoff aus der Schnittfuge treibt. Je nach der im Wirkbereich erreichten Temperatur und zugeführten Prozessgasart stellen sich unterschiedliche Aggregatzustände des Fugenwerkstoffs ein. Es wird je nach dem, ob der Werkstoff als Flüssigkeit, Oxidationsprodukt oder Dampf aus der Schnittfuge entfernt wird, in drei folgende Varianten unterschieden.
Laserstrahlschmelzschneiden
Die Ausbildung der Schnittfuge geschieht beim Schmelzschneiden durch kontinuierliche Aufschmelzen und Ausblasen des Fugenwerkstoffs mit einem reaktionsträgen oder inerten Gas. Der Gasstrahl verhindert zusätzlich ein Oxidieren der Oberfläche. Aus Kostengründen wird vorwiegend Stickstoff, seltener Argon oder Helium verwendet. Die Gasdrücke erreichen hierbei bis zu 20 bar (Hochdruck-Inertgas-Schneiden). Die im Vergleich zu den anderen Verfahren relativ langsame Schnittgeschwindigkeit liegt im geringen Absorptionsgrad des Werkstoffs begründet[1]. Dieses Verfahren kommt meist zum Einsatz, wenn oxidfreie Schnittfugen bei Edelstählen gefordert werden. Aluminiumlegierungen und hochschmelzende Nichteisenlegierungen stellen eine weitere Anwendung dar.
Laserstrahlbrennschneiden
Die häufigste Variante zum Schneiden von Eisenhaltigen Metallen ist das Brennschneiden. Ähnlich wie beim autogenen Brennschneiden wird der Werkstoff auf Entzündungstemperatur erwärmt und durch Zugabe von Sauerstoff verbrannt. Die beim Verbrennen frei gewordene Energie unterstützt den Schneidvorgang erheblich, womit gegenüber dem Schmelzschneiden ungefähr 5-10-fach[1] höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich sind. Das dabei entstehende Eisenoxid (Schlacke) wird vom Sauerstoffstrahl ausgeblasen. Bei einigen Nichteisenmetallen reicht die durch exotherme Reaktion eingebrachte Wärme nicht aus, um den Schneidvorgang wesentlich zu unterstützen. Dementsprechend können nur Werkstoffe bearbeitet werden, deren Zündtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur liegt. Beim Laserstrahlbrennschneiden an den Schnittkanten verbleibende Oxidschichten können die Weiterverarbeitung (beispielsweise Schweißen) beeinträchtigen. Haupteinsatzgebiet ist die Verarbeitung unlegierten und niedrieglegierten Stählen sowie in Einzelfällen Edelstähle. Als Strahlquelle finden sich hier meist CO2-Laser.
Laserstrahlsublimierschneiden
Kennzeichnend für das Sublimierschneiden ist das Verdampfen des erwärmten Werkstoffs und sofortige Ausblasen der Dämpfe. Der Übergang des Werkstoff vom festen in den gasförmigen Zustand geschieht fast direkt (Sublimation), also ohne dazwischen flüssig zu sein. Hierbei entsteht eine Dampfkapillare, die ein tiefes Eindringen des Laserstrahls in den Werkstoff ermöglicht. Das Prozessgas bläst nicht nur den Dampf aus der Schnittfuge, sondern verhindert auch ein kondensieren des selben in der Schnittfuge. Werkstoffe ohne ausgeprägten schmelzflüssigen Zustand sind der wesentliche Wirkungsbereich des Sublimierschneidens, wobei sowohl anorganische wie auch organische Stoffe bearbeitet werden können. Zu nennen wären hier beispielsweise Holz, Leder, Textilien, homogene und faserverstärkte Kunststoffe.
Derzeit liegen die maximal verarbeitbaren Plattenstärken für Stahl bei etwa 25 mm, Aluminium wird bis etwa 18 mm mit Laser geschnitten.
Die Schnittfugen sind meist gratbehaftet,selten gratfrei und müssen deshalb meist nachgearbeitet werden.
Kupfer und andere gut wärmeleitende Metalle sind schwer oder nicht mit dem CO2-Laser schneidbar. Bei dünnen Blechen können jedoch gepulste ND:YAG-Laser eingesetzt werden - mit diesen können alle Materialien geschnitten werden.
Der kritischste Vorgang beim Laserschneiden ist das Einstechen. Es ist zeitintensiv, da oft gepulst mit verringerter mittlerer Laserleistung gearbeitet werden muss, um Rückreflexion und die Fokussieroptik gefährdende Metallspritzer zu vermeiden.
Moderne Lasermaschinen haben Sensoren, mit denen der erfolgte Durchstich detektiert werden kann, um auf diese Weise Zeit zu sparen bzw. sicherzustellen, dass der Schnittbeginn nicht vor dem kompletten Durchstechen des Materiales erfolgt.
Beim Laserschneiden von Stahl findet an den Schnittkanten aufgrund der hohen zeitlichen Temperaturgradienten eine Aufhärtung statt. Diese kann bei nachfolgender Bearbeitung zu Problemen führen.
Schadstoffe und Arbeitsschutz
Beim Laserschneiden wird unsichtbare Laserstrahlung eingesetzt. Die Leistung ist derart hoch, dass auch gestreute und reflektierte Strahlanteile zu Haut- und Augenschäden führen können.
Lasermaschinen haben daher meist eine geschlossene Kabine, die nur geöffnet werden kann, wenn der Laserstrahl abgeschaltet ist. Die Gefahr von (meist unerkannten) Augenschäden besteht insbesondere bei Nd:YAG-Lasern.
Das Material der Schnittfuge fällt bei Metallen als Aerosol an.
Das Schneiden von Baustahl wird meist als weniger problematisch angesehen, dagegen treten bei hochlegierten Stählen die Legierungsbestandteile (Cobalt, Nickel, Chrom usw.) in Erscheinung.
Extrem gefährlich ist auch das Schneiden von Berylliumkupfer.
Organische Materialien werden beim Laserschneiden durch Pyrolyse in gesundheitlich oft bedenkliche chemische Stoffe zerlegt. Besonders problematisch ist das Schneiden halogenhaltiger organischer Materialien wie PVC oder PTFE, oder auch von mit Flammschutzmitteln versehener Materialien, hierbei entstehen hoch giftige (Dioxine und Furane) und überdies stark korrosive Gase (Chlor-, Fluorwasserstoff).
Arbeitsvorbereitung
Für das Offline-Programmieren der zwei- oder dreidimensionalen (2D- oder 3D-) Schneidkonturen werden überwiegend CAD/CAM-Systeme eingesetzt.
Die Aufbereitung (Konturerfassung, Schnittreihenfolge, materialsparende Anordnung, Schnittspaltkorrektur, kurz post processing genannt) der mit einem CAD-System erstellten geometrischen Daten erfolgt auch oft direkt an der Maschinensteuerung.
Komplexe dreidimensionale Schnittkonturen werden oft durch Teach-In (kurz: Teachen) an der Maschine erstellt, korrigiert oder komplettiert.
Die zur Arbeitsvorbereitung eingesetzte Software gestattet manchmal auch die Ermittlung der Schnittlänge, der Bearbeitungszeit sowie der erforderlichen Material- und Medienmengen.
Siehe auch
Fußnoten
- . a b Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 3, Abtragen und Generieren. Springer-Verlag: Berlin, Heidelberg 1997, ISBN 3-540-63201-8, S. 168-169
Weblinks
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