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Wofür sich Laserschneiden am besten eignet

Verglichen mit alternativen Trennverfahren kann das Laserschneiden schon bei sehr geringen Losgrößen für die unterschiedlichsten Materialien sehr effektiv eingesetzt werden. Um einen optimalen Erfolg zu garantieren, spielen Gase eine wichtige Rolle.

Albert Einstein beschrieb im Jahre 1916 mit den stimulierten Emissionen die theoretischen Grundlagen der Lasertechnik. In jener Zeit ahnte niemand, welche weitreichenden Folgen diese Gedanken später für Wissenschaft und Technik haben würden.

Der erste Halbleiterlaser wurde allerdings erst im Jahr 1962 und der erste CO2-Laser im Jahr 1964 gebaut. Das Laserschneiden kam ab 1978 auf. Wobei sich das Kunstwort „Laser“ aus den Anfangsbuchstaben der englischen Wörter „Light Amplification by Simulated Emission of Radiaton“ zusammensetzt. Im Deutschen bedeutet es „Lichtverstärkung durch Anregung von Strahlen“.

Hierbei wirkt ein hochenergetischer und stark fokussierter Lichtstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück ein. Es entstehen Metalldampf und Schmelze, die mit einem Hochdruckgasstrom ausgeblasen werden. Im Werkstück bildet sich so eine Schnittfüge bzw. ein Schneidespalt aus, dessen Schnittkante je nach Laserstrahl sich unterschiedlich ausprägen kann.

Die Bandbreite des Laserschneidens reicht von Schnitten in Metallen von einer Dicke bis zu 30 mm bis hin zu Schnittfugen in äußerst dünnen Materialien, die millimetergenau sind.

Die Effektivität des Laserschneidens stammt im Wesentlichen aus der hohen Lokalität des Laserenergieeintrages. Das Verfahren profitiert von den geringen Fokusdurchmessern und den daraus resultierenden Schnittspaltenbreiten, den hohen Vorschubgeschwindigkeiten und dem minimalen Wärmeeintrag.

Der Einsatz von Gasen beim Laserschneiden

Das für Laserschneiden notwendige Blas- bzw. Prozessgas wird durch die Schneiddrüse, welche konzentrisch zum Laser angeordnet ist, bereitgestellt. Das je nach Werkstoff und Verfahren ausgewählte Gas schützt den Bearbeitungskopf vor Spritzern oder Dämpfen und bläst aus den Schnittfugen den abgetragenen Werkstoff aus. Das zugeführte Prozessgas ist jedoch auch abhängig von dem der Aggregatzustand des jeweiligen Fugenwerkstoffes sowie von der Temperatur, die im Schneidebereich erzielt wird.

Vergleich mit anderen Trennverfahren

Welche Technologie ist besser: das Laser-, Wasser- oder doch das Plasmaschneiden? Die einzige richtige Antwort: Je nachdem. Denn es kommt auf die Anforderungen und den Werkstoff an.

Letztlich stehen diese einzelnen Verfahren in keiner direkten Konkurrenz zueinander, sondern bilden vielmehr bei einigen Fertigungsprozessen eine sinnvolle Allianz. Gegenüber dem Stanzen, einem weiteren alternativen Verfahren, liefert das Laserschneiden mit seiner Performanz bereits bei sehr niedrigen Losgrößen wirtschaftliche Vorteile.

Laserschneiden

Ein Laser ist insbesondere im Dünnblech-Bereich der klare Favorit. Zudem besticht er mit einer sehr hohen Schnittgeschwindigkeit, geringen thermischen Belastung, schier unbegrenzte Materialvielfalt sowie einer hohen Wirtschaftlichkeit. Die verschiedensten Werkstoffgruppen lassen sich so ohne mechanische Nachbearbeitung extrem präzise bearbeiten. Zu den Nachteilen zählen beim Laserschneiden die verminderte Prozessstabilität bei spiegelnden Oberflächen, ein begrenzter Blechdickenbereich, hohe Investitionskosten und die umfangreichen Arbeitsschutzmaßnahmen.

Wasserstrahlschneiden

Die Vorteile des Wasserstrahlverfahrens kommen vor allem bei sehr dicken Materialstärken zum Tragen. Insbesondere bei hitzeempfindlichen Werkstoffen führt an diesem kalten Verfahren kein Weg vorbei, da eine thermische Beeinflussung wegfällt. Bei einem Hochdruckwasserstrahl von bis zu 6.200 bar werden Schaumstoffe oder auch die härtesten Werkstoffe wie ein Saphir weich wie Butter.

Zu den Vorteilen gehören auch das Schneiden dicker Materialstärken, geringe Schnittfugenbreiten, eine hohe Präzision bis in den Mikrobereich, geringe Nachbearbeitungen und eine hohe Wirtschaftlichkeit. Nachteilig sind die hohen Betriebskosten, große Korrosionsgefahren, langsame Schnittgeschwindigkeiten sowie die Aufbereitung des Schneidwassers und die Entsorgung der Abrasiven.

Plasmaschneiden

Dieses Verfahren konnte wegen den Weiterentwicklungen im Bereich der Mehrgasbrenner deutliche Fortschritte machen. Darüber hinaus zählt es insbesondere bei dicken CrNi-Blechen sowie im mittleren Stahlbereich zu den effektivsten Trennverfahren. Vorteile bietet das Plasmaschneiden bei der Herstellung von Bauteilen, die in der weiteren Bearbeitung noch geschweißt, gedreht, gefräst oder weiter mechanisch bearbeitet werden müssen.

Weitere Vorzüge sind die hohen Schnittgeschwindigkeiten, das Schneiden von leitfähigen Werkstoffen, die Alternativlosigkeit im mittleren Stahlbereich bei Schneiddicken bis zu 200 mm, die hohe Qualität in mittleren Stärken sowie beim Schneiden hochlegierter Stähle. Die Nachteile: hohe Betriebskosten, relativ breite Schnittspalten, große Lärmpegel sowie Aufhärtung der Randzonen.

Eignung von Werkstoffen für Laser

Mit einem Laser lassen sich im Grunde alle schmelzbaren Werkstoffe mit Qualitätsschnitten bis zu einer Stärke von 50 mm präzise bearbeiten. Trotzdem ist der Aufwand beim Laserschneiden der einzelnen Werkstoffgruppen unterschiedlich groß. Daher ist die Leistungsdichte bei Stahl wesentlich geringer als bei Messing oder Aluminium. Dies ist der hohen Wärmeleitfähigkeit und der stark spiegelnden Oberflächen geschuldet.

Aus diesen Gründen werden abhängig vom Werkstoff unterschiedliche Lasersysteme verwendet. Daher können auch Metalle, Kunststoffe, Papier, Holz, Leder und viele weitere Materialien gratfrei und ohne mechanische Bearbeitung mit einem Laser geschnitten werden.

Mit einem Laser lassen sich auch Materialien wie zum Beispiel Keramik, Graphit, Nichteisenmetalle wie Titan, Leder, Schleifpapier und viele andere bearbeiten. Jedoch können zahlreiche Kunststoffe, Holz und Papier nur mit dem CO2-Laser geschnitten werden, da sie für Festkörperlaser zu transparent sind. Metalle lassen sich sowohl mit CO2-Lasern als auch mit Festkörperlasern bearbeiten.

 

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