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Das Laserschneiden – Ein Überblick

Seine herausragende Leistungsfähigkeit, Präzision und vielseitige Anpassbarkeit bei zumeist geringen Kosten machen den Laser zu einem praktikablen Werkzeug für die industrielle Materialbearbeitung. Insbesondere das Laserschweißen als äußerst flexibles und für verschiedenste Materialien geeignetes Trennverfahren hat sich dort seit vielen Jahren bewährt und ist inzwischen beispielsweise aus der Automobilindustrie nicht mehr wegzudenken.

Wie jedes Trennverfahren dient das Laserschneiden dabei vereinfacht gesagt der Aufgabe, aus einem Werkstück eines oder mehrere kleinere Teile für die weitere Bearbeitung herauszuschneiden. Dazu erhitzt der Laser das Werkstück entlang einer Kontur so stark, dass es dort lokal schmilzt, verdampft oder sich zersetzt. Infolgedessen hat das Werkstück entlang der so entstandenen Fuge keinen Zusammenhalt mehr. Die so entstandenen Einzelteile lassen sich getrennt entnehmen und weiterverwenden.

Da das Laserschneiden das Werkstück auf nichtmechanische Weise trennt, kategorisiert man es üblicherweise als eine Art des sogenannten Abtragens. Im Gegensatz dazu stehen mechanische Methoden wie etwa das Zerteilen mittels Messer oder Scheren sowie das Zerspanen, bei welchem beispielsweise Sägen oder Hobel das Werkstück trennen.

Das Abtragen selbst kann erneut auf verschiedene Weisen geschehen, sodass man hier die Art der Energiezufuhr zur tieferen Einteilung heranzieht. Letzten Endes handelt es sich beim Laserschneiden also um thermisches Abtragen, welches gemeinhin auch als thermisches Trennen bezeichnet wird. Somit steht das Laserschneiden in Konkurrenz zu anderen bedeutenden thermischen Trennverfahren wie dem Plasmaschneiden sowie dem Brennschneiden.

Vor- und Nachteile des Laserschneidens

Typisch für das Laserschneiden ist die herausragende Schnittqualität. So sind die Schnittkanten zumeist äußerst glatt und frei von Ablagerungen oder erhärteter Metallschmelze. Die im Allgemeinen recht hohe Schnittgeschwindigkeit ist ein weiterer Vorteil des laserbasierten Trennens. Des Weiteren können mit einer Laseranlage dank ihrer flexiblen Programmierbarkeit auch Serien mit geringen Stückzahlen ohne nennenswerte einmalige Kosten zurechtgeschnitten werden, was einen großen Vorteil gegenüber den schnelleren, jedoch unsauberer arbeitenden Blechstanzen darstellt. Die thermische Belastung für das Material um die Schnittfuge herum ist geringer als bei anderen thermischen Verfahren, außerdem wirkt beim Laserschneiden keine mechanische Belastung auf das Werkstück, was sich bei der Bearbeitung weicher Materialien auszahlt.

Seine Grenzen findet das Laserschneiden bei dicken Materialien, welche sich mit Plasma- oder Brennschneiden wesentlich besser bearbeiten lassen. Für das Zuschneiden flacher Bleche in großen Stückzahlen ist das Stanzen aufgrund seiner höheren Geschwindigkeit bei niedrigen Kosten besser geeignet.

Die passende Wahl eines geeigneten Lasers und seiner Leistung vorausgesetzt, eignen sich überraschend viele Materialien zur Bearbeitung durch Laserschneiden. Metalle mit einer Dicke von einigen Zentimetern lassen sich auf diese Weise schnell und kostengünstig schneiden. Auch Kunststoffe und Glas können so bearbeitet werden. Leder und Holz trennt ein entsprechend eingestellter Laserstrahl schnell und präzise, selbst hitzebeständige Keramiken lassen sich unter Verwendung des richtigen Lasers sehr gut trennen.

Anforderungen an die Lasersysteme

Um also die Wahl des richtigen Lasers für die jeweilige Anwendung nachvollziehen zu können, ist es nützlich, sich zunächst einen Überblick über die Anforderungen an das jeweilige System zu verschaffen. Eine der wichtigsten Größen dabei ist ganz klar die Laserleistung. Einerseits wird insbesondere in der Metallbearbeitung verhältnismäßig viel Energie benötigt, um den Werkstoff überhaupt zum Schmelzen oder Verdampfen zu bringen, sodass hohe Leistungen hier unerlässlich sind. Andererseits steigt mit der Laserleistung in den meisten Fällen auch die Geschwindigkeit, mit welcher das Material geschnitten wird. Ein entsprechend leistungsstarker Laser bedeutet hier also eine beachtliche Zeit- und Geldersparnis.

Ebenso wichtig wie die pure Leistungsfähigkeit des Lasers ist der sogenannte Absorptionsgrad des Materials, das es zu bearbeiten gilt. Dieser gibt Auskunft darüber, wie viel von der auftreffenden Strahlung auch tatsächlich vom Werkstoff absorbiert und infolgedessen zum Erhitzen des Materials verwendet wird. Die nicht absorbierte Strahlung wird dabei entweder reflektiert oder geht ungehindert durch das Werkstück hindurch. In beiden Fällen wird sie dabei nicht zur gewünschten Erhitzung des Werkstoffes genutzt, weswegen ein höherer Absorptionsgrad die Energieausbeute und damit letztlich die Schneidgeschwindigkeit erhöhen würde. Da der Absorptionsgrad von der Wellenlänge, sprich der Farbe des Laserlichts, abhängt, lässt sich dieser am besten durch die Wahl eines geeigneten Lasers beeinflussen.

Um die Energie des Laserstrahls auf einen möglichst kleinen Bereich zu konzentrieren und somit gleichzeitig möglichst präzise und schnelle Schnitte zu ermöglichen, wird das Laserlicht typischerweise gebündelt. Das funktioniert nicht mit jedem Lasersystem gleichermaßen gut, sodass auch die sogenannte Fokussierbarkeit des jeweiligen Lasers als Kriterium für dessen Eignung herangezogen wird. Obendrein sollte sich der Laserstrahl nicht zu stark aufweiten. Diese beiden Eigenschaften werden im Folgenden unter dem Begriff der Strahlqualität zusammengefasst.

Abhängig vom konkreten Einsatz kann es auch erforderlich sein, den Laserstrahl komplizierte, dreidimensionale Bahnen verfolgen zu lassen. Über ein System aus Spiegeln lässt sich das nur schlecht realisieren, besser geeignet sind hier sogenannte Lichtwellenleiter, mit welchen sich Austrittsort und -richtung des Laserstrahls beliebig verändern lässt. Dazu wird das Laserlicht in eine Art Kabel eingestrahlt, welches biegbar ist und das Licht mitführt. Durch Bewegen des Kabelendes, beispielsweise durch einen programmierbaren Industrieroboter, wird schließlich der weitere Verlauf des Laserstrahls bestimmt. Diese überaus nützliche Technologie funktioniert allerdings nur mit einigen Lasern. Der viel genutzte CO2-Laser beispielsweise lässt sich auf diese Weise nicht steuern. Je nach Anwendung ist die Kompatibilität zu Lichtwellenleitern also ein weiteres Kriterium für die Wahl des geeigneten Lasers.

Verwendete Systeme und ihre Anwendungsbereiche

CO2-Laser dominieren vor allem aufgrund ihrer hohen Leistungen und sehr guten Strahlqualität seit Jahren das Laserschneiden. Insbesondere werden sie eingesetzt, um flaches Material zuzuschneiden. Edelstahl bis zu 30 mm Dicke, üblicher jedoch bis zu 15 mm, schneidet der CO2-Laser aufgrund seiner praktikablen Eigenschaften schnell und sauber.

Auch Keramiken, Holz, Leder und Textilien schneidet der CO2-Laser sehr effizient, da diese dessen Licht besonders gut absorbieren. Außerdem leiten diese Materialien Wärme wesentlich schlechter als z.B. Stahl, sodass hier obendrein die thermische Belastung nahe der Schnittfuge besonders gering ist.

Da der Strahl eines CO2-Lasers nicht mittels Lichtwellenleiter gelenkt werden kann, sind seine Einsatzmöglichkeiten bei dreidimensionalen Schnittkonturen auf einfache Verläufe begrenzt.

Hier liegt ein klarer Vorteil des Nd:YAG-Lasers. Dieser Festkörperlaser lässt sich durch Lichtwellenleiter führen und bietet sich somit ideal für komplexe dreidimensionale Konturen an, welche präzise Schnitte erfordern. Obendrein liefert auch der Nd:YAG-Laser hohe Leistungen. Sein Licht wird von Metallen außerdem wesentlich besser absorbiert als das des CO2-Lasers.

Auf der Gegenseite bietet der Nd:YAG-Laser jedoch eine schlechtere Fokussierbarkeit des Laserstrahls. Außerdem ist er nicht so wirtschaftlich wie der CO2-Laser. Daher konnte er diesen trotz fortschreitender technischer Entwicklungen bisher nicht verdrängen. Insbesondere im 2D-Zuschnitt ist der CO2-Laser nach wie vor das führende System.

Laserschneidetechniken im Überblick

Wie bereits erwähnt, wird beim Laserschneiden das Werkstück lokal so stark erhitzt, dass es am Ort der Einstrahlung durch Schmelzen, Verdampfen oder Zersetzen in flüchtige Bestandteile seinen Zusammenhalt verliert.

Um chemische Reaktionen des heißen und somit reaktionsfreudigen Materials mit der Umgebungsluft zu verhindern, wird stets ein Gasstrahl mitgeführt, welcher auf die erhitzte Stelle zielt. Typische dafür verwendete Gase sind Stickstoff (N2) und Argon, die beide äußerst reaktionsträge sind und das Werkstück somit bestens vor ungewollten Reaktionen schützen. Wird anstatt dieser Gase Sauerstoff auf die Schnittstelle gestrahlt, so kann es dort zu einer Oxidation kommen, welche schließlich weitere Energie liefert und den Schneidvorgang somit teilweise enorm beschleunigt.

Dabei hat das zugeführte Gas immer auch die Aufgabe, die anfallende Schmelze aus der Fuge zu blasen bzw. den entstandenen Dampf von der empfindlichen Laseroptik fernzuhalten.

Dementsprechend unterscheidet man die Laserschneidetechniken hinsichtlich der anfallenden Abfallprodukte.

Laserstrahlschmelzschneiden

Beim Laserstrahlschmelzschneiden bringt der Laserstrahl das Werkstück entlang der zu schneidenden Kontur zum Schmelzen. Die anfallende Schmelze wird dabei ständig vom mitgeführten Gasstrahl, meistens Stickstoff oder Edelgase, aus der Fuge geblasen. Da hohe Gasdrücke nötig sind, um die zähflüssige Schmelze zu entfernen, wird dieses Verfahren gelegentlich auch als „Hochdruckschneiden“ bezeichnet.

Da das Schmelzschneiden jegliche chemischen Reaktionen verhindert und die Energie in Form des Laserstrahls höchst konzentriert zugeführt wird, sind die Schnittkanten bei diesem Verfahren rechtwinklig, besonders präzise und obendrein frei von ungewollten Oxiden. Der zentrale Vorteil hierbei besteht also eindeutig in der besonders hohen Schnittqualität und darin, dass eine Nachbearbeitung hier in der Regel nicht nötig ist.

Diese wird jedoch erkauft mit einem vergleichsweise hohen Gasverbrauch und dem, verglichen mit dem Laserstrahlbrennschneiden, höheren Bedarf an Laserleistung. Außerdem sind die Bleche, die sich auf diese Weise bearbeiten lassen, recht dünn. Zuletzt sei noch die vergleichsweise geringe Schnittgeschwindigkeit als Nachteil dieser, vorrangig auf Qualität ausgelegten Schnitttechnik, aufgeführt.

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Laserstrahlbrennschneiden

Das Laserstrahlbrennschneiden funktioniert zunächst genau wie das Schmelzschneiden, jedoch wird anstatt eines reaktionsträgen Gases reiner Sauerstoff auf die Schnittstelle geblasen. Dieser reagiert mit dem Werkstück und liefert, genau wie bei der Verbrennung von Holz oder Kerzenwachs auch, Wärmeenergie. Die so gewonnene zusätzliche Energie beschleunigt den Trennvorgang erheblich, da der Werkstoff somit natürlich wesentlich schneller schmilzt. Die anfallende Schmelze beseitigt auch hier der Sauerstoffstrahl direkt nach ihrer Entstehung.

Die zusätzliche Energie in diesem Verfahren ermöglicht vor allem eine höhere Schnittgeschwindigkeit. So lässt sich auf diese Weise bei gleicher Laserleistung zwei- bis sechsmal so schnell arbeiten wie mit dem Laserstrahlschmelzschneiden. Außerdem ermöglicht der Energiebonus ein Durchtrennen dickerer Materialien von bis zu 20 mm. Auch darüber hinaus wäre dieses Verfahren noch anwendbar, jedoch sind von dort an herkömmliche Schnitttechniken mit Flammen günstiger und präziser.

Dieser Gewinn an Geschwindigkeit und Blechdicke muss jedoch gegen einen gewissen Qualitätsverlust abgewogen werden. So sind die Schnittkanten bei diesem Verfahren naturgemäß immer von einer kleinen Oxidschicht überzogen. Da diese andere chemische Eigenschaften hat als das eigentliche Werkstück, kann es zu Problemen beim anschließenden Verschweißen oder Lackieren der Schnittstelle kommen. Die Oxidschicht lässt sich durch Nachbearbeitung beseitigen, was allerdings immer mit zeitlichem und finanziellem Aufwand verbunden ist.

Laserstrahl-Sublimationsschneiden

Beim Laserstrahl-Sublimationsschneiden fällt im Gegensatz zu den beiden vorangegangen Verfahren keine Schmelze an. Stattdessen wird das Werkstück durch den Laserstrahl so stark erhitzt, dass es vom festen Zustand aus direkt verdampft. Dies wird gemeinhin als Sublimation bezeichnet. Werkstoffe wie Holz erhitzt der Laser so stark, dass sie sich zunächst in kleinere chemische Bestandteile zersetzen, bevor diese dann letztlich verdampfen. Obwohl es sich dabei um keine Sublimation im engeren Sinne handelt, zählen auch solche Prozesse in die Kategorie des Sublimationsschneidens mit hinein.
Da bei diesem Verfahren keine Schmelze anfällt, ist der Gasstrahl zur Reinhaltung der Schnittfuge nicht nötig. Da sich der entstehende Dampf jedoch sofort an den empfindlichen Linsen und Spiegeln des Lasers festsetzen würde, wird auch hier ein Gasstrahl mitgeführt, der dies verhindert. Obendrein schützt das Gas den noch heißen Werkstoff in der Fuge vor ungewollter Oxidation.
Die Vorteile dieses Verfahrens sind insbesondere die sehr glatten Schnittkanten, welche nicht durch eventuell erhärtete Schmelze verunreinigt werden. Da Oxid an den Kanten ebenfalls nicht vorkommt, entfällt bei diesem Verfahren eine Nachbearbeitung des Werkstückes zur Oxidentfernung.
Auch diese Vorzüge haben ihren Preis. So erfordert das Laserstrahl-Sublimationsschneiden einen äußerst leistungsstarken Laser, welcher obendrein eine sehr hohe Strahlqualität aufweisen muss. Nicht zuletzt erhöhen diese Anforderung natürlich auch die Kosten im Vergleich anderen Verfahren.

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