Grundlagenwissen Bleche laserschneiden - wie es funktioniert

Das Laserschneiden, auch als Laserstrahlschneiden oder CNC Laserschneiden bezeichnet, ist ein thermisches Trennverfahren, das häufig in der Blechbearbeitung eingesetzt wird.

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Mithilfe des Laserschneidens können verschiedene Materialien wie Stahl oder Aluminium in Plattenform oder dreidimensionalen Körpern, wie Profile und Rohren, geschnitten werden.

Eingeführt wurde das Laserschneiden als industrielle Technologie vor mehr als zwei Jahrzehnten. Im Zuge des Schneideprozesses wirkt ein hochenergetischer und stark fokussierter Laserstrahl auf ein Werkstück ein. Dabei entstehen Metalldampf und Schmelze, die mithilfe eines Hochdruckgasstroms ausgeblasen werden. Durch den Einsatz des Laserstrahles entsteht im Werkstück eine Schnittfüge beziehungsweise Schneidespalt, dessen Schnittkante kann je nach Laserstrahl variieren. Dabei können mithilfe des Laserstrahls viele verschiedene Schneideaufgaben durchgeführt werden. Die Bandbreite reicht von Schnitten in Metallen von einer Dicke bis zu 30 mm bis hin zu Schnittfugen in äußerst dünnen Materialien, die millimetergenau sind. Beim CNC Laserschneiden handelt es sich um einen Prozess, in dessen Rahmen unterschiedliche Laserarten zum Einsatz, wobei im industriellen Bereich vorrangig Faserlaser und CO₂-Laser verwendet werden.

Im Vergleich zu alternativen Verfahren kann das CNC Laserschneiden schon bei sehr geringen Losgrößen eingesetzt werden und bleibt dennoch wirtschaftlich.

Laserschneiden: Das Verfahren

Grundsätzlich setzt sich das Laserschneiden aus zwei, allerdings zeitgleich ablaufenden Teilprozessen zusammen. Einerseits kommt es zur Absorbierung des an der Schneidefront fokussierten Laserstrahles, so dass die zum Laserschneiden notwendige Energie aufgebracht wird. Und andererseits wird durch die Schneiddrüse, welche konzentrisch zum Laser angeordnet ist, das für das Laserschneiden notwendige Blas- bzw. Prozessgas bereitgestellt. Dieses ist dafür zuständig, den Bearbeitungskopf vor Spritzern und Dämpfen zu schützen und aus den Schnittfugen den abgetragenen Werkstoff zu treiben. Dabei hängt der Aggregatzustand des jeweiligen Fugenwerkstoffes beim CNC Laserschneiden von der Art des zugeführten Prozessgases ebenso ab wie von der Temperatur, welche im Wirkbereich erreicht wird.

Auch in der diffizilen Schmuckbranche kann der Laser eingesetzt werden.

Rofin

... Markieren, Schweißen, Schneiden in der Schmuckbranche

In Abhängigkeit davon, ob der Werkstoff als Oxidaktionsprodukt, Damp oder Flüssigkeit aus der Schnittfuge tritt und um welchen Werkstoff es sich handelt, wird zwischen drei Verfahren des Laserschneidens differenziert, nämlich dem Laserstrahlschmelzschneiden, dem Laserstrahlbrennschneiden und dem Laserstrahlsublimierschneiden.

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Laserschneiden: Aufbau und Komponenten von Laserschneidemaschinen

Eine Maschine zum CNC Laserschneiden besteht aus mehreren Komponenten. Dabei handelt es sich um die folgenden:

• Laserstrahlquelle

• Laserstrahlführung

• (in der Regel bewegte) Bearbeitungskopf beziehungsweise Fokussieroptik (Sammellinse oder Hohlspiegel)

Bei einem innovativen Verfahren von Amada kann die Maschine den Laserstrahl in der Schnittfuge nach vorgegebenen Mustern pendeln lassen.

Amada auf der Euroblech 2018

Edelstahl und Aluminium kompromisslos mit dem Faserlaser schneiden

Die Führung des die Laserstrahlquelle verlassenden Laserstrahls hin zum Bearbeitungskopf, der sich an der Bearbeitungsstelle befindet, erfolgt beim CO₂-Laser über Umlenkspiegel und bei einem herkömmlichen Laserstrahl über Nahinfratot. Dort wird durch den Bearbeitungskopf der Laserstrahl in einem Brennpunkt gebündelt, so dass die Leistungsdichten, welche zum Laserschneiden notwendig sind, erzeugt werden. Diese betragen zwischen 1006 und 109 Watt pro Quadratzentimeter.

Welcher Laser eignet sich für meine Blechbearbeitung?

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CNC Laserschneiden: Laserstrahlschmelzschneiden

Beim Laserstrahlschmelzschneiden handelt es sich um ein berührungsloses Schneideverfahren, welche vorrangig zum Laserschneiden von Aluminiumlegierungen und Edelstahl zum Einsatz kommt. Dabei wird das jeweilige Werkstück lokal mithilfe eines Laserstrahls aufgeschmolzen.

Im Rahmen des Laserstrahlschmelzschneidverfahrens wird der Schneidspalt des Werkstoffes kontinuierlich mithilfe eines reaktionsarmen Prozessgases aufgeschmolzen, wobei die Oxidation der Schneidefläche durch Entfernen des geschmolzenen Werkstoffes verhindert wird. Neben Stickstoff wird als Prozessgas beim Laserschneiden auch Aron verwendet. Beide Gase verhindern, dass der Werkstoff chemisch reagiert. Aufgrund der Tatsache, dass die Schneideflächen beim Laserstrahlschmelzschneiden nicht oxidieren und es am Schnittspalt nicht zu einer Gratbildung kommt, müssen die Schnittkanten nicht nachbearbeitet werden. Damit eine gute Schnittqualität bei Laserstrahlschmelzschneiden gewährleistet wird, sollte der Schneideprozess bei diesem Verfahren mithilfe eines leistungsstarken Festkörperlasers stattfinden.

Zudem ist eine Beeinflussung der Schnittqualität durch die folgenden Faktoren möglich:

• Schneidgasdruck

• Vorschubgeschwindigkeit

• Stärke der Laserquelle

• Fokuslage

In Bezug auf das CNC Laserschneiden kann Folgendes festgehalten werden: Grundsätzlich kann das Verfahren des Schmelzlaserschneides bei allen Werkstoffen eingesetzt werden, die schmelzbar sind.

Der VdLB Verband deutscher Laseranwender – Blechbearbeitung e.V. ist eine Interessenvertretung von Inhabern, Geschäftsführern und betrieblichen Führungskräften aus dem umfangreichen Markt der Materialbearbeitung – in diesem Falle Blech. Ziel ist es, ein positives Zusammenwirken zum Nutzen aller Beteiligten zu erreichen. Kooperation, Erfahrungsaustausch durch intensiven Dialog, technische Informationen und Weiterbildung stehen dabei im Vordergrund.

CNC Laserschneiden: Laserstrahlbrennschneiden

Im Zuge des Laserstrahlbrennschneideerfahrens erfolgt durch einen Laserstrahl eine starke örtliche Erwärmung des Werkstückes, so dass nach dem Aufschmelzen eine spontane Verbrennung generiert wird. Dabei wird der Werkstoff durch das Einströmen eines Sauerstoffstrahles auf eine spezifische Stelle zu einem großen Teil verbrannt. Dabei kommt es beim Laserschneiden zu einer Vermischung der entstehenden Eisen-Oxide mit Metallschmelze, wobei die Austreibung derselben mithilfe eines Sauerstoffstrahles erfolgt und eine Schnittfuge entsteht.

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Automatische Blechfertigung mit 10-kW-Laser-Herzstück

Der Sauerstoff fungiert im Rahmen der Oxidation, das heißt der exothermen Reaktion mit dem Werkstoff, als zusätzlicher Energielieferant. Anders als beim Laserstrahlschmelzschneiden ist beim Laserstrahlbrennschneiden eine mechanische Nachbearbeitung nötig. Da beim CNC Laserschneiden die Schneideflächen oxidieren, kommt es an den Schnittkanten zur Gratbildung. Werden die Verfahrensparameter jedoch optimal eingestellt, kann die Gratbildung vermieden werden.

Dallan auf der Euroblech 2018

Hängendes Laserschneiden bietet zahlreiche Vorteile

Grundsätzlich eignet sich dieses Verfahren für metallische, eisenhaltige Materialien. Vor allem in der Blechbearbeitung von Stahl findet das Laserschneiden Anwendung. Charakteristisch für das Laserstrahlbrennschneiden ist die hohe Schnittgeschwindigkeit und die Tatsache, dass auch relativ dicke Werkstücke von bis zu einer Stärke von 30 mm geschnitten werden können.

CNC Laserschneiden: Laserstrahlsublimierschneiden

Charakteristisch für das Laserstrahlsublimierschneiden ist, dass der erwärmte Werkstoff verdampft. Mit anderen Worten: Dieses Laserschneiden sorgt dafür, dass ein Werkstoff ohne flüssig zu werden von einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand übergeht. Dieser Prozess wird als Sublimation bezeichnet. Aufgrund dieses Charakteristikums kommt dieses Laserschneiden vorrangig bei Werkstoffen zum Einsatz, welche keinen ausgeprägten schmelzflüssigen Zustand aufweisen. Im Zuge des Laserstrahlsublimierschneidens wird durch das verwendete Prozessgas - in der Regel Stickstoff, Luft, Helium oder Argon – dafür gesorgt, dass der Dampf des Werkstoffes, welcher im Rahmen der Sublimation entsteht, aus der Schnittfuge geblasen wird. Zugleich wird das Kondensieren des Dampfes an dieser Stelle verhindert. Durch den erzeugten Materialdampf entsteht in der Schnittfuge ein hoher Druck. Dieser ist wiederum dafür verantwortlich, dass die Schmelze nach unten und nach oben abgetragen wird. Dieses CNC Laserschneiden ist vor allem dafür geeignet, organische Materialien wie Holz, Textilien, Leder oder Pappe sowie faserverstärkte und homogene Kunststoffe zu trennen.

Das Laserschneiden bietet den Vorteil, dass die entstehenden Schnittkanten glatt und gratfrei sind. Deshalb kommt das Laserstrahlsublimierschneiden dann zum Einsatz, wenn besonders feine Schneideaufgaben erledigt werden müssen. Dies ist zum Beispiel in der Medizintechnik der Fall.

Anbieter wie zum Beispiel Dimeco bieten auch kombinierte Stanz-Laser-Bearbeitung direkt vom Coil.

Laserschneiden: Laserfähige Materialien und Schnittstärken

Aktuell beträgt die maximal bearbeitbare Plattenstärke für Stahl bei etwa 40 Millimetern. Für das Laserschneiden von Aluminium beträgt die maximale Plattenstärke dagegen 20 Millimeter. Dies ist dadurch bedingt, dass das Schneiden von Aluminium - und auch von Kupfer - technisch aufwendiger ist. Aufgrund der Tatsache, dass ein großer Teil der vom Laser bereitgestellten Strahlung zu Beginn reflektiert, ist eine deutlich höhere Leistung bzw. ein deutlich höhere Leistungsdichte erforderlich, um in den Werkstoff einzustechen. Hinzu kommt, dass die Schneidleistung auch dann deutlich niedriger ist als bei Eisenwerkstoffen, wenn es zur Absorption des Leistungsanteils im Schnittkanal kommt. Zurückzuführen ist dieser Aspekt wiederum auf die deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und Aluminium und die Tatsache, dass keine unterstützende Oxidation stattfindet.

Für das Laserschneiden von Kupfer, Aluminium und anderen Metallen, die über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen, kann ein CO2-Laser zudem nicht oder nur bedingt verwendet werden. Dies ist jedoch nicht allein auf die höhere Wärmeleitfähigkeit zurückzuführen, sondern auch auf die Reflektion einen Großteil der eingebrachten Strahlung.

Sowohl beim Laserschmelzschneiden als auch beim Laserbrennschneiden gestaltet sich das Einstechen als problematisch, denn es ist sehr zeitintensiv. Die Ursache hierfür ist, dass das Laserschneiden gepulst mit verringerter mittlerer Laserleistung gepulst stattfinden muss. Nur so können Metallspritzer, die die Fokussieroptik gefährden können und eine starke Rückreflexion vermieden werden.

Lasermaschinen der neuen Generation verfügen jedoch über Sensoren, mit deren Hilfe eine Detektierung des erfolgten Durchstiches möglich ist. Hieraus resultieren nicht nur Zeitvorteile, es kann auch sichergestellt werden, dass der Werkstoff bei Schnittbeginn nicht komplett durchstochen wird.

Das Laserschneiden von Stahl bringt an den Schnittkanten infolge der großen Temperaturunterschiede eine Aufhärtung mit sich. Soll der Werkstoff nachfolgend bearbeitet werden, können hieraus Probleme resultieren.

Beim Laserschneiden von flachem Material, wird dieses auf einer Auflage positioniert, welche spezifischen Voraussetzungen gerecht werden muss. Bei diesen handelt es sich um die folgenden:

• hohe Widerstandsfähigkeit, damit große Wartungsintervalle generiert werden können

• geringe Rückreflexion, damit die Werkstücke möglichst wenig geschädigt werden

• geringe Auflagefläche, damit kleine Teile und entstehende Abfälle hindurchfallen

CNC Laserschneiden: Die Vor- und Nachteile von Laserschneiden

Grundsätzlich handelt es sich beim Laser um ein äußerst flexibles Werkzeug, so dass das Laserschneiden von differenten Materialien in differenter Dicke möglich ist. Im Allgemeinen ist der Schneidspalt beim Laserschneiden sehr schmal. Vergleicht man die Qualität des Schneidens mit anderen Schneidverfahren, schneidet der Laser sehr gut ab. Je nachdem, was für eine Anlage zum Laserschneiden verwendet wird, sind nahezu alle Materialien bearbeitbar.

In Abhängigkeit des jeweiligen Werkstoffs bzw. Materials kann beim Laserschneiden meist eine saubere Schnittkante erzielt werden, welche nicht nachbearbeitet werden muss. Positiv ist darüber hinaus, dass das CNC Laserschneiden mit einer hohen Materialausnutzung einhergeht und aus diesem Grund sehr wirtschaftlich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass beim CNC Laserschneiden das Kennzeichnen bzw. Gravieren und das Schneiden der Werkstücke mit der gleichen Strahlquelle und im Rahmen eines Arbeitsgangs stattfinden kann. Allerdings bringt das Laserschneiden auch Nachteile mit sich. Diese bestehen unter anderem in hohen Anlagekosten, in Abhängigkeit der zum Einsatz kommenden Strahlquelle auch ein hoher Gas- und Energieverbrauch sowie strenge Regeln in Bezug auf den Arbeitsschutz.

Weitere Informationen zu den Vor- und Nachteilen des Laserschneidens im direkten Vergleich zu anderen Trennverfahren in der Blechbearbeitung finden Sie hier.

Vorteile des Laserschneidens

• Wirtschaftlichkeit, da hohe Materialausnutzung

• Kennzeichnen/Gravieren und Schneiden mit der gleichen Laserstrahlquelle in einem Arbeitsgang

• nahezu alle Materialien bearbeitbar

• hohe Flexibilität

• geringe Mindeststückzahlen

• schmale, saubere Schnittkanten, je nach Werkstoff ohne Nachbearbeitung

Nachteile des Laserschneidens

• strenger Arbeitsschutz

• hohe Anlagekosten

• hoher Gas- und Energieverbrauch

Seit diesem Jahr gibt es speziell für die Schneidtechnologien in der Blechbearbeitung eine neue Messe: die Cutting World in Essen. Geplant ist ein Zwei-Jahres-Rythmus.

Laserschneiden: Historischer Exkurs

Im Jahr 1917 stellte Albert Einstein die theoretischen Grundlagen für stimulierte Emissionen auf. Damals ahnte niemand, welche weitreichenden Auswirkungen diese Theorie auf Wissenschaft und Technik haben würde. Der erste funktionsfähige Laser, es handelte sich um einen Rubinlaser, wurde im Jahr 1960 entwickelt. Beim Begriff „Laser“ handelt es sich um ein Kunstwort, welches aus den Anfangsbuchstaben der englischen Bezeichnung, nämlich „Light Amplification by Simulated Emission of Radiaton“ abgeleitet wurde. Ins Deutsche übersetzt, bedeutet dies: „Lichtverstärkung durch Anregung von Strahlen“.

Das mehrteilige Video „Faszination Laser“ ist ein Film der Berthold Leibinger Stiftung über ein faszinierendes Werkzeug, wie es funktioniert, seine Geschichte und Anwendungen.

Berthold Leibinger gilt als einer der Wegbereiter des Lasers in der industriellen Anwendung. Er hat den Werkzeugmaschinenhersteller Trumpf zum Weltunternehmen gemacht: Berthold Leibinger ist im Oktober 2018 kurz vor seinem 88. Geburtstag verstorben.

"Faszination Laser" Teil 2

"Faszination Laser" Teil 3

Berthold Leibinger Innovationspreis

EHLA-Forscherteam gewinnt renommierten Berthold Leibinger Innovationspreis 2018

Aufgrund der Tatsache, dass die Lebensdauer eines Lasers zu Beginn sehr kurz und die finanziellen Mittel für seine Herstellung enorm waren, wurde dem Laser lediglich eine Bedeutung für den wissenschaftlichen Kontext – beispielsweise im Versuch durchzuführen – zugeschrieben. Dennoch fand der Laser Eingang in die Industrie, wobei er erstmals im Bauwesen im Rahmen von Vermessungsarbeiten zum Einsatz kam. Infolge entwickelte sich die Technologie rasant weiter: Im Jahr 1962 wurde der erste Halbleiterlaser und im Jahr 1964 der erste CO₂-Laser zum Laserschneiden entwickelt. Das Laserschneiden kam ab 1978 auf, denn damals wurde die erste industrielle Anlage zum CNC Laserschneiden in Betrieb genommen. Im Jahr 1984 wurde schließlich das Laserschneiden für 2D- Werkstoffe entwickelt.

Rund um den Laser als Werkzeug geht es bei den Messen Lasys in Stuttgart und der Laser World of Photonics in München.

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