Laserstrahlschneiden

Laserschneiden, auch Laserstrahlschneiden bezeichnet das

  • Durchtrennen von Werkstoffen mittels kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahlung wodurch die Oberfläche so stark erhitzt, dass ein Plasma entsteht, dass unter Druck ausgeblasen wird.
  • Nahezu jede Art von Werkstoff, beispielsweise Metalle, Dielektrika und organische Materialien können nach dem Stand der Technik mit Laserstrahlung geschnitten werden.
  • Dabei müssen die Parameter der Laserstrahlung, wie Wellenlänge, mittlere Leistung, Pulsenergie und Pulsdauer der Anwendung (sogenannte Schneid-Parameter) entsprechend angepasst werden.
  • Der mikroskopische Abtragsmechanismus und die thermischen Effekte werden dabei im Wesentlichen von der Pulsdauer und der Bestrahlungsstärke bestimmt.

Das Verfahren wird dort eingesetzt, wo komplexe Umrisse (zwei- oder auch dreidimensional), eine präzise, schnelle Verarbeitung (typisch 10 m/min, aber auch bis über 100 m/min, die Herstellung dreidimensionaler Durchbrüche oder/und eine berührungslose, nahezu kraftfreie Bearbeitung gefordert sind.

Gegenüber alternativen Verfahren wie etwa dem Stanzen ist das Laserschneiden bereits bei sehr niedrigen Losgrößen wirtschaftlich einsetzbar.

Um die Vorteile des Laserschneidens mit denen des Nibbelns und Stanzens zu kombinieren, bieten die Hersteller auch kombinierte Maschinen an, die sowohl Operationen mit dem Stanzkopf als auch das Auslasern beliebiger Konturen ermöglichen.

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Zum Einsatz kommen fokussierte Hochleistungslaser:

meist der traditionelle CO2-Laser (ein Gaslaser)
  • Ein Kohlenstoffdioxidlaser, CO2-Laser oder umgangssprachlich auch Kohlendioxidlaser bezeichnet eine Laserklasse unterschiedlicher Bauformen aus der Gruppe der Gas-, Molekül- und Infrarotlaser im mittleren Infrarot. Sein Lasermedium ist Kohlenstoffdioxid mit einem 4-Niveau-System. Er zählt neben den Festkörperlasern zu den leistungsstärksten und am häufigsten industriell eingesetzten Lasern. Es können Ausgangsleistungen von bis zu 80 kW und Pulsenergien bis 100 kJ erreicht werden. Ein CO2-Laser produziert einen Strahl von Infrarotlicht mit einer Wellenlänge in den Bändern von 9,4 und 10,6 µm.
  • CO2-Laser sind relativ effizient und kostengünstig, weswegen sie besonders in der industriellen Materialbearbeitung eingesetzt werden. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 15 bis 20 %.
  • Das Lasermedium besteht in der Regel aus einem CO2-N2-He-Gasgemisch. Die N2-Moleküle werden im Resonator durch eine DC- oder HF-Glimmentladung angeregt. Die N2-Moleküle lassen sich besonders leicht zum Schwingen anregen. Hierbei handelt es sich um eine tatsächliche kinetische Molekülschwingung (im vorliegenden Fall eine Valenzschwingung) und keine Anregung der Elektronen der Atome, wie bei anderen Festkörperlaser. Dies ist der große Vorteil des CO2-Lasers gegenüber dem Helium-Neon-Laser, bei dem die angeregten Moleküle mit der Wand kollidieren müssen, um in den Grundzustand zu gelangen.

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Nd:YAG-Laser (Festkörperlaser)
  • Ein Vorteil gegenüber dem ebenfalls häufig eingesetzten CO2-Laser besteht darin, dass sich der Laserstrahl aufgrund seiner geringeren Wellenlänge durch ein Glasfaserkabel leiten lässt.
  • Es ist mit diesem Laser möglich, hohe Leistungen (bis zu 10 kW in Serienlasern) zu erreichen.
  • Es ist sowohl kontinuierlicher, als auch ein gepulster Betrieb möglich. Pulsbetrieb wird entweder durch gepulstes Pumpen (Blitzlampen), Güteschaltung oder Modenkopplung erzielt. Mit Güteschaltung werden Spitzenleistungen von einigen hundert Megawatt erreicht. Die Anregung der Neodym-Ionen erfolgt entweder mit Gasentladungslampen (Blitz- bzw. Bogenlampen mit Xenon- oder Krypton-Füllung) oder mit Laserdioden bei einer Wellenlänge von 808 nm. Die mittlere Lebensdauer der angeregten Elektronen der Neodym-Ionen beträgt um 230 µs. Aufgrund dieser relativ langen Zeit ist es möglich, Energie im Kristall zu speichern, die dann in einem kurzen Puls (10 bis 100 ns) abgerufen werden kann (Güteschaltung).
  • Bei lampengepumpten Systemen liegt der Wirkungsgrad bei ca. 3 bis 5 Prozent, da nur ein kleiner Teil des Strahlungsspektrums innerhalb der Pumpniveaus liegt. Beispielsweise erfordert ein Laser mit 3 kW optischer Leistung ca. 60 kW Eingangsleistung, davon müssen 57 kW als Wärme abgeführt werden. Durch Anregung mit Diodenlasern (Wellenlänge 808 nm) lassen sich Pumpeffizienz und Strahlqualität wesentlich steigern und die Gesamteffizienz steigt auf ca. 25 bis 50 %, wobei in diesem Fall die physikalisch mögliche optische Effizienz bei maximal 76 % liegt. Damit liegt die maximal mögliche Effizienz z. B. unter der von Yb:YAG-Lasern mit einer Maximaleffizienz von etwa 89 %.

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Faserlaser (Festkörperlaser), effizient und gut fokussierbar.
  • Ein Faserlaser ist eine spezielle Form des Festkörperlasers. Der dotierte Kern einer Glasfaser bildet bei einem Faserlaser das aktive Medium. Es handelt sich also um einen Glaslaser mit Lichtwellenleiter-Eigenschaften.
  • Die Laserstrahlung, welche durch die laseraktive Faser geleitet wird, erfährt aufgrund der großen Länge eine sehr hohe Verstärkung. Doppelmantelfaser-Aufbau Faserlaser werden im Allgemeinen optisch gepumpt, indem parallel zum Faserkern in dessen Mantel oder in diesen selbst Strahlung von Diodenlasern eingekoppelt wird. Doppelmantelfasern (engl. double clad fibers) erlauben höhere Leistungen; aus dem dicken Mantel gelangt die Pumpstrahlung verteilt in den aktiven Faserkern.
  • Aus Kostengründen enthält meist nur der Mittelteil der Glasfaser eine Dotierung. Faserlaser verfügen über einzigartige Eigenschaften, so z. B. elektrisch-optische Wirkungsgrade bis über 30 %, herausragende Strahlqualität , hohe Lebensdauer und einen kompakten, wartungsfreien und unempfindlichen Aufbau.
  • Aktuelle maximale Ausgangsleistungen bei Faserlasern liegen bei 100 kW (Multimode) und 10 kW (Singlemode). 50 kW Laserausgangsleistung bei hoher Strahlqualität wird zum Beispiel im Schiffbau (Verschweißen von dicken Metallplatten) und für militärische Zwecke verwendet. Die Strahlqualität der emittierten Strahlung ist bis zu viermal besser als die eines vergleichbaren Nd:YAG-Lasers, seine Leistung erschließt ihm damit zahlreiche Anwendungsfelder in der Materialbearbeitung, wie z. B. hochqualitatives Schneiden, Löten und Schweißen von Metallen. Bei entsprechender Strahlaufweitung durch Defokussieren ist auch das Härten von großen Metallflächen möglich.
  • Aufgrund der hohen Strahlqualität sind dabei vergleichsweise große Arbeitsabstände (z. B. Metallschweißen in circa 1 Meter Abstand) möglich, was völlig neue Möglichkeiten in der automatisierten Fertigung eröffnet. 

  • Der Pulsbetrieb reicht bis in den fs-Bereich und kann eine hohe Spitzenintensität erreichen.

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Normales Laserschneiden findet ca. in den Blechdicken 0.5mm bis 20mm statt in abhängigkeit der zu schneidenden Materialien.

Microlaserschneiden findet ca. in den Blechdicken 0.01mm bis 0.5mm statt in abhänigkeit der zuschneidenden Materialien mit Konturgenauigkeiten bis zu 0.005mm.

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Um die Vorteile des Laserschneidens mit denen des Nibbelns und Stanzens zu kombinieren, bieten die Hersteller auch kombinierte Maschinen an, die sowohl Operationen mit dem Stanzkopf als auch das Auslasern beliebiger Konturen ermöglichen.