Laserschneiden und andere Arten des thermischen Schneidens

Was ist Laserschneiden?

Durch die Verwendung eines Laserstrahls mit hoher Leistungsdichte wird das zu schneidende Material bestrahlt, so dass das Material schnell auf die Verdampfungstemperatur erhitzt wird und durch Verdampfen Löcher entstehen. Durch die Bewegung des Strahls auf dem Material werden kontinuierlich Löcher in schmalen Schlitzen (z. B. 0,1 mm oder so) gebildet, um das Schneiden des Materials abzuschließen.

Laserschneidverfahren

Brennschneiden

Das Brennschneiden ist ein Standardverfahren zum Schneiden von Baustahl, bei dem Sauerstoff als Schneidgas verwendet wird. Dabei wird Sauerstoff mit einem Druck von bis zu 6 bar in den Schnitt eingeblasen. Dort reagiert das erhitzte Metall mit dem Sauerstoff: Verbrennung und Oxidation beginnen. Bei der chemischen Reaktion wird eine große Energiemenge freigesetzt (bis zum Fünffachen der Energie des Lasers), um den Laserstrahl beim Schneiden zu unterstützen.

Vergasungsschneiden

Beim Vergasungsschneiden wird das Material verdampft, wodurch die Auswirkungen thermischer Effekte auf das umgebende Material minimiert werden. Dies kann erreicht werden, indem ein kontinuierlicher CO2-Laser verwendet wird, um Materialien mit geringer-Hitze und hoher-Absorption wie dünne Kunststofffolien und nicht-schmelzende Materialien wie Holz, Papier und Schaumstoff zu verdampfen.
Ultrakurzpulslaser ermöglichen die Anwendung dieser Technologie auf andere Materialien. Die freien Elektronen im Metall absorbieren den Laser und erhitzen sich stark. Der Laserpuls reagiert nicht mit den geschmolzenen Partikeln und dem Plasma, das Material sublimiert direkt und es bleibt keine Zeit, die Energie in Form von Wärme auf das umgebende Material zu übertragen. Pikosekundenimpulse tragen das Material ohne sichtbaren thermischen Effekt, ohne Schmelzen und ohne Gratbildung ab.

Schmelzschneiden

Das Schmelzschneiden ist ein weiteres Standardverfahren beim Schneiden von Metallen. Es kann auch zum Schneiden anderer schmelzbarer Materialien wie Keramik verwendet werden. Als Schneidgas wird Stickstoff oder Argon verwendet und ein Gasdruck von 2-20 bar durch die Schnittfuge geblasen. Argon und Stickstoff sind inerte Gase, das heißt, sie reagieren nicht mit der Metallschmelze in der Schnittfuge, sondern blasen diese einfach nach unten weg. Gleichzeitig schützen die Inertgase die Schnittkante vor Luftoxidation.

Druckluftschneiden
Auch das Schneiden dünner Bleche kann mit Druckluft erfolgen. Ein Luftdruck von 5–6 bar reicht aus, um das geschmolzene Metall im Schnitt wegzublasen. Da fast 80 % der Luft aus Stickstoff besteht, handelt es sich beim Druckluftschneiden im Wesentlichen um einen Schmelzschnitt.

Plasma-unterstütztes Schneiden

Wenn die Parameter richtig ausgewählt sind, erscheint eine Plasmawolke in der plasmaunterstützten Schmelzschneidfuge. Die Plasmawolke besteht aus ionisiertem Metalldampf und ionisiertem Schneidgas. Die Plasmawolke absorbiert die Energie des CO2-Lasers und wandelt sie in das Werkstück um, sodass mehr Energie in das Werkstück eingekoppelt wird und das Material schneller schmilzt, was zu einer höheren Schnittgeschwindigkeit führt. Aus diesem Grund wird dieses Schneidverfahren auch als Hochgeschwindigkeitsplasmaschneiden bezeichnet.
Tatsächlich ist die Plasmawolke im Vergleich zu Festkörperlasern transparent, sodass plasmaunterstütztes Schmelzschneiden nur mit CO2-Lasern durchgeführt werden kann.

Eigenschaften des Laserschneidens

Das Laserschneiden zeichnet sich im Vergleich zu anderen thermischen Schneidverfahren im Allgemeinen durch eine hohe Schnittgeschwindigkeit und hohe Qualität aus. Konkret zusammengefasst in den folgenden Aspekten.

(1) gute Schnittqualität: Aufgrund des kleinen Laserflecks, der hohen Energiedichte und der Schnittgeschwindigkeit kann beim Laserschneiden eine bessere Schnittqualität erzielt werden. ① Die Schnittfuge beim Laserschneiden ist fein und schmal, die beiden Seiten des Schlitzes sind parallel und senkrecht zur Oberfläche, die Maßgenauigkeit der geschnittenen Teile kann ± 0,05 mm erreichen. ② Die Schnittfläche ist sauber und schön, die Oberflächenrauheit beträgt nur wenige zehn Mikrometer und als letzter Prozess kann sogar Laserschneiden verwendet werden, ohne mechanische Bearbeitung können Teile direkt verwendet werden. (③ Material nach dem Laserschneiden, die Breite der Wärmeeinflusszone ist sehr klein, die Leistung des Materials in der Nähe des Schlitzes bleibt ebenfalls nahezu unbeeinflusst und die Verformung des Werkstücks ist gering, hohe Schnittgenauigkeit, die Geometrie des Schlitzes ist gut, die Form des Schlitzquerschnitts weist eine regelmäßigere rechteckige Form auf.

(2) Hohe Schneideffizienz: Aufgrund der Übertragungseigenschaften des Lasers ist die Laserschneidmaschine im Allgemeinen mit einer Reihe von CNC-Arbeitsstationen ausgestattet, sodass der gesamte Schneidprozess vollständig CNC realisiert werden kann. Der Vorgang erfordert lediglich eine Änderung des CNC-Programms und kann auf das Schneiden unterschiedlicher Teileformen angewendet werden, sowohl auf zwei-dimensionales Schneiden als auch auf dreidimensionales Schneiden.

(3) Schnittgeschwindigkeit: Mit einer Leistung von 1200 W schneidet der Laser 2 mm dicke Weichstahlplatten mit einer Schnittgeschwindigkeit von bis zu 600 cm/min. Schneiden von 5 mm dicken Polypropylenharzplatten, Schnittgeschwindigkeit bis zu 1200 cm/min. Materialien beim Laserschneiden müssen nicht eingespannt und fixiert werden, um einerseits die Werkzeugklemmen zu schonen, andererseits aber auch die Nebenzeit des Ober- und Untermaterials zu sparen.

(4) Nicht-Kontaktschneiden: Laserschneidbrenner und Werkstück ohne Kontakt, es gibt keinen Werkzeugverschleiß. Bei der Bearbeitung unterschiedlich geformter Teile muss das „Werkzeug“ nicht gewechselt werden, es müssen lediglich die Ausgabeparameter des Lasers geändert werden. Der Laserschneidprozess ist geräuscharm, vibrationsarm und umweltfreundlich.

(5) Schneiden einer Vielzahl von Materialien: Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Leder, Holz und Fasern. Aber für unterschiedliche Materialien, aufgrund ihrer eigenen thermophysikalischen Eigenschaften und unterschiedlichen Absorptionsraten des Lasers, Leistung