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Laserschneiden: Das richtige Verfahren für jeden Zweck

In Abhängigkeit von Werkstoff und der jeweiligen Anforderungen kommen beim Laserschneiden unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Das bedeutet, ob beispielsweise der Werkstoff als Flüssigkeit, Oxidationsprodukt oder Dampf aus der Schnittfuge entfernt werden muss. Dabei wird zwischen den folgenden drei Verfahren unterschieden: Laserschmelzschneiden, Laserbrennschneiden und Lasersublimierschneiden.

Bei der Fertigung von zwei- oder dreidimensionalen Bauteilen bietet das Laserschneiden einzigartige Möglichkeiten. Einer der Vorteile ist, dass während der Bearbeitung eines Bauteils gleich mehrere Arbeitsgänge wie beispielsweise Lochen, Schlitzen, Beschneiden und das Einbringen von Konturen jeder Art in einer Aufspannung ausgeführt werden kann. Gleichzeitig garantiert das Laserschneiden eine stets präzise Maßgenauigkeit mit einer optimalen Schnittqualität. Auf diese Weise lassen sich Tiefziehteile, Gehäuse, Rohre, Profile und Hohlkörper bis zu komplexen Bauteilen und Baugruppen sehr wirtschaftlich fertigen.

Trennverfahren mit Laserstrahlen

Das Laserschneiden von Metallen erfolgt durch eine Aufschmelzung des Materials am Bearbeitungsort über die gesamte Tiefe. Der daraus entstandene Schmelzfilm wird entweder durch ein koaxial zum Laserstrahl geführtes Gas oder durch den induzierten Dampfdruck ausgeblasen. Das Resultat des Verfahrens ist dann eine präzise Schnittfuge.

Die dafür geeignete Strahlquelle wird beispielsweise durch die notwendige Schneidgeometrie, Taktzeit, Systemtechnik und vor allem durch den Werkstoff definiert. Das anzuwendende Verfahren wird unter anderem durch den Werkstoff und der Art und Weise wie er aus der Schnittfuge tritt, bestimmt. Entweder als Oxidaktionsprodukt, Dampf oder Flüssigkeit. Dazu stehen im Grunde drei Verfahren des Laserschneidens zur Verfügung: Laserbrennschneiden, Laserschmelzschneiden und Lasersublimierschneiden.

Das Laserbrennschneiden

Das Verfahren des Laserbrennschneidens wird im Wesentlichen bei der Bearbeitung von niedrig- und unlegierter Stählen sowie in Einzelfällen bei Edelstählen verwendet. Es wird typischerweise Sauerstoff als Schneidgas verwendet. Wie beim Laserschmelzschneiden kommen als Strahlquelle sowohl CO2- als auch Festkörperlaser zum Einsatz. Wobei sich der CO2-Laser für das Schneiden dickerer Materialstärken besser eignet. Das Laserbrennschneiden wird bei einer Materialstärke von bis zu 25 mm eingesetzt. Im Vergleich zu dem Verfahren des Laserschmelzschneidens wird eine niedrigere Laserleistung benötigt.

Bei diesem Verfahren wird das Werkstück lokal durch den Laserstrahl so stark erhitzt, dass nach Aufschmelzung eine spontane Verbrennung erfolgt. Mit einem Sauerstoffstrahl, welcher auf die zu bearbeitende Stelle strömt, wird das Material größtenteils verbrannt. Die entstehenden Eisenoxide vermischen sich mit der Metallschmelze und werden dann durch den Sauerstoffstrahl verblasen.

„Der Sauerstoff dient aufgrund der Oxidation mit dem Werkstoff als weiterer Energielieferant“, erklärt Dipl.-Ing. Michael Wolters, Technologie Management Schweißen und Schneiden bei der Messer Group GmbH. „Er kann die Laserenergie bis um das Fünffache verstärken.“ Die durch die Oxidation entstandene Gratenbildung an den Schnittkanten kann jedoch durch Einstellen der Verfahrensparameter vermieden werden.

Das Laserschmelzschneiden

Der Prozess des Laserschmelzschneidens wird vor allem bei höher legierten Stählen und Aluminium sowie bis zu einer Materialstärke von 15 mm zur Anwendung gebracht. Für diese Applikation qualifizieren sich sowohl CO2- als auch Festkörperlaser. CO2-Laser eignen sich vor allem beim Schneiden dickerer Materialstärken.

„Bei dem Verfahren des Schmelzschneidens entstehen Schnittfugen durch kontinuierliches Aufschmelzen und Ausblasen des Werkstoffs mit einem reaktionsträgen oder inerten Gas wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon“, so Wolters. Der Prozess des Laserschmelzschneidens wird jedoch ausschließlich durch die Energie des Laserstahls gespeist. Wobei der Gasstrahl die Oxidation der Oberfläche verhindert. Die Schnittqualität ist wiederum von Faktoren wie der Fokuslage, Schnittgeschwindigkeit, Intensitätsverteilung und dem Gasdruck abhängig.

Das Lasersublimierschneiden

Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zum Schneiden von organischen Materialien wie beispielsweise Holz, Pappe, Leder, Textilien oder homogene und faserverstärkte Kunststoffe. Die infrage kommenden Laser sind häufig Festkörperlaser für Metalle, Keramiken oder Diamant als auch CO2-Laser für Keramiken und Kunststoffe. Beim Laserstrahlsublimieren steht die Verdampfung des erhitzten Werkstoffs im Vordergrund. Das heißt, der Werkstoff geht direkt von einem festen Zustand in einen gasförmigen über (Sublimation), ohne flüssig zu werden.

Aus diesem Grunde kommt das Verfahren bei Materialien ohne ausgeprägten schmelzflüssigen Zustand zum Einsatz. „Hierzu bläst das Prozessgas (Luft, Stickstoff, Argon oder Helium) nicht nur den Dampf aus der Schnittfuge, sondern verhindert auch gleichzeitig das Kondensieren an dieser Stelle“, erklärt Wolters.

Die Schnittkante, die bei diesem Verfahren entsteht, ist gratfrei beziehungsweise glatt. Das Verfahren des Laserstrahlsublimieren eignet sich daher vor allem für Bearbeitungen, die besonders fein auszuführen sind, wie zum Beispiel für das Schneiden von Stents in der Medizintechnik.

 

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