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Laser als Werkzeug

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Generell gilt für das Schneiden mit Laser: Die Breite der Schnittfuge und die Dicke der Wärmeeinflusszone hängen von der thermischen Eindringtiefe ab, die Schnittbreite auch von der Strahlqualität und der optischen Abbildung. Der optimale Überdeckungsgrad des Laserstrahls (optimale Schnittgeschwindigkeit) liegt bei rund 30 %, das erreichbare Verhältnis von Schneidfugenbreite zu Materialdicke liegt für Metalle bei 1/20 (Stahl z.T. bis 1/100, Keramik 1/40). Die entstehende Rauigkeit macht häufig eine Nachbehandlung erforderlich, auch wegen der Biokompatibilität. Beim Schneiden von keramischen Werkstoffen ist auf mögliche Rissbildung durch

Laser zum Trennen und zum Verbinden

Beim Übereinanderschweißen von Blechen spielt der thermische Kontakt zwischen den Blechen eine wesentliche Rolle. Im Unterschied zum Schneiden ist hier das Ziel, ein ausreichend breites und tiefes „Schmelzbad“ zu bilden, das beim Erstarren die Teile fest miteinander verbindet. Bei Stahl spielen unter anderem Schwefel oder Sauerstoff eine wesentliche Rolle, weil sie die Oberflächenspannung und damit auch die Art der Badbewegung erheblich beeinflussen und die Heißrissbildung begünstigen. Eine Beeinflussung der Oberflächenspannung ist auch durch Schutzgas möglich. Besonders kritisch wird es beim Tiefschweißen, weil der Laserstrahl hier sowohl durch Wolken aus Metalldampf und -plasma als auch durch ein Schmelzbad und ein sehr enges „Schlüsselloch“ tief ins Material eindringen muss. Dies setzt eine exakte Einhaltung aller wesentlichen Prozessparameter voraus. Bei Stahl sind Nahttiefen von 25 mm beziehungsweise (bei beidseitiger Arbeitsweise) sogar von 50 mm und mehr erreichbar.

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Bei der Abtragung (Ablation) durch Laser wird das Material im Unterschied zu den üblichen Schneidprozessen nicht aufgeschmolzen, sondern vor allem durch Pulse mit hoher Leistungsdichte verdampft. Zum Einsatz kommen daher gepulste Laser mit Pulsdauern im Submikro- bis Femtosekundenbereich. Damit kann ein breites Werkstoffspektrum von Polymeren, Keramiken und Metallen über Gläser und Silicium bis zu optischen Materialien wie BK7 Gläsern (Borosilikat-Kronglas) bearbeitet werden. Bei letzteren hängt die Wirkung des Laserstrahls stark von der Wellenlänge ab. Hier nimmt man oft Excimerlaser, die im ultravioletten Bereich arbeiten. Kunststoffe verhalten sich gegenüber Laserlicht grundsätzlich anders als Metalle. Polymere lassen sich ausgesprochen gut durch Laserablation bearbeiten, da die erforderliche Energiedichte mit < 100 mJ/cm2 relativ gering ist und hohe Kantenschärfen sowie geringe Oberflächenrauheiten erzielt werden können. So absorbiert beispielsweise der für sichtbares Licht und Nahinfrarot transparente Kunststoff PMMA (Acrylglas) gerade im fernen Infrarotbereich (CO2-Laser) sehr gut und kann mit solchen Lasern gut bearbeitet beziehungsweise geschnitten werden. Wichtig ist die Pulsdauer: Bei sehr kurzen Pulsen hat die im Objekt umgesetzte Laserenergie keine Zeit, in das Material einzudringen. Es kommt zur bereits erwähnten „kalten Ablation“, die es ermöglicht, selbst extrem thermisch empfindliche Materialien wie organisches Gewebe zu bearbeiten.

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