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Laserschneiden: Werkstoffe und Laser im Vergleich

Ein Laser kommt oftmals zum Einsatz, wenn es um komplexe Umrisse, präzises Schneiden, schnelle Verarbeitung, schmale Schnittfugen und kraftfreie Bearbeitung vieler Materialien geht. Mit einem geeigneten Laser sowie dem richtigen Schneidgas sind höhere Prozessgeschwindigkeiten und sauberere Schnittkanten möglich.

In der Produktion ist das Laserschneiden längst zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden. Aufgrund der stetig zunehmenden Anwendungen wird es in Zukunft noch an Bedeutung gewinnen. Insbesondere das Laserschneiden ist wegen seiner Präzision kaum zu toppen. Hinzu kommt, dass die Entwicklung den Laser vor allem in der Metallbearbeitung zum effektivsten Trennverfahren macht.

Werkstoffe und Bearbeitung

Wobei einerseits plattenförmige Werkstoffe als auch Rohre oder Profile präzise und gratfrei geschnitten werden können. Zeitraubende Nachbearbeitungen fallen in der Regel weg. Hauptsächlich werden Metalle wie beispielsweise Baustahl, Edelstahl und Aluminium geschnitten. Derzeit liegt die maximal schneidbare Plattenstärke für Stahl bei etwa 40 mm und für Aluminium dagegen bei 20 mm.

Dies rührt daher, dass das Laserschneiden von Aluminium als auch Kupfer sich deutlich aufwendiger gestaltet. Denn ein großer Teil der vom Laser ausgesendeten Strahlung wird von diesen Werkstoffen reflektiert. Daher muss eine deutlich höhere Leistung und Leistungsdichte zum Einsatz kommen, um in das Material einzustechen.

Zusätzlich fällt die Tatsache ins Gewicht, dass die Schneidleistung hier auch bei der Absorption des Leistungsanteils im Schnittkanal geringer ist als bei Eisenmaterialien. Dies hängt mit der wesentlich höheren Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und Aluminium und der Absenz einer unterstützenden Oxidation zusammen.

Arbeitsgase beim Laserschneiden

Bei der Bearbeitung von Werkstoffen mit Lasern sind Arbeitsgase erforderlich. Die Auswahl der Schneidgase hängt vom Werkstoff und den vorhandenen Qualitätsansprüchen an die entstehenden Schnittflächen ab.

„Eine höhere Reinheit bei den Gasen ermöglicht auch eine höhere Schneidgeschwindigkeit“, erklärt Dipl.-Ing. Michael Wolters, Technologie Management Schweißen und Schneiden bei der Messer Group GmbH. „Schon ein Wert von 3.5 (Reinheit von 99,95 Prozent) führt vergleichsweise mit herkömmlichem technischem Sauerstoff zu einer deutlichen Leistungsoptimierung.“

Höhere Reinheiten verbessern nicht nur die Qualität der Schnittkanten, sondern steigern auch gleichzeitig die maximal mögliche Blechdicke. Darüber hinaus werden die anfallenden Kosten für reineren Sauerstoff durch die Reduktion der Bearbeitungszeit mehr als kompensiert.

Laserschneiden und Lasertypen

Beim Laserschneiden werden Werkstoffe mit einem leistungsstarken Laser durchtrennt. Das geschieht, indem ein gebündelter Lichtstrahl auf einen kleinen Bereich des Materials hochpräzise gerichtet wird. Die sehr hohe Leistungsdichte führt zu einem schnellen Erhitzen, Schmelzen und auch zu einem kompletten Verdampfen des Werkstoffs.

Weil die von der Bearbeitung betroffene Fläche meist sehr schmal ist - häufig nur rund 0,5 mm - deformieren sich die geschnittenen Materialteile nur minimal. Normalerweise wird der Laser auf seinem Weg über dem Material von einem Rechner gesteuert.

Die jeweiligen Laser lassen sich im Wesentlichen durch die Laserquelle unterscheiden. Im Grunde existieren drei Typen von Laserfamilien, die für eine großformatige Bearbeitung von Werkstoffen infrage kommen: CO2-Laser, Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd-YAG) Laser und Faserlaser.

Das im CO2-Laser enthaltene Kohlendioxid wird durch eine elektrische Stromquelle erhitzt und herausgepumpt. Dadurch entsteht ein Photonenstrahl. CO2-Laser kommen in der Regel beim Schneiden, Bohren, Schweißen und Gravieren zum Einsatz.

Der YAG verwendet als Festkörperlaser als aktives Medium einen Neodym-dotierten YAG-Kristall und emittiert in der Regel eine infrarote Strahlung. Er wird häufig zum Schneiden und Schweißen, aber auch für Inschriften in Metallen und Keramik verwendet. Ein Faserlaser ist eine spezielle Form des Festkörperlasers und benutzt Halbleiterdioden als Pumpmechanismus und eine optische Faser mit einem Seltenerdelement als Lasermittel.

Den wesentlichen Unterschied zwischen CO2-Lasern und Nd-YAG/Faserlasern macht die Wellenlänge des Laserstrahls aus. CO2-Laser emittieren meist weitreichendes Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometern. Dies qualifiziert den Laser für die Bearbeitung einer Vielzahl von Materialien wie zum Beispiel Holz, Papier, Kunststoffe, Glas, Textilien, Gummi und Metalle.

Faser- und Nd-YAG-Laser verfügen dagegen über eine Wellenlänge von 1,06 Mikrometern. Sie eignen sich gut für die Metallbearbeitung. Für Kunststoffe und organische Materialien kommen diese Laser nicht infrage.

 

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