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Laserschneiden in der Industrie: so werden Platten und dreidimensionale Körper in Form gebracht

Das Schneiden mit dem Laser, das auch als CNC-Laserschnitt oder Laserstrahlschneiden bezeichnet wird, ist ein thermisches Verfahren zur Trennung von Werkstoffen, welches meist in der Blechbearbeitung zum Einsatz kommt. Wie das Verfahren genau funktioniert und worauf es dabei ankommt, ist im nachfolgenden Beitrag zu lesen.

Was zeichnet das Verfahren aus?

© Opt Lasers from Poland, pexels.comMit dem Laserschnitt lassen sich verschiedene Materialien schneiden. Damit lassen sich zum Beispiel Stahl oder Aluminium in Plattenform bringen. Aber auch dreidimensionale Körper wie Rohre und Profile sind mit dem Laserschnitt möglich.

Wie funktioniert der Laserschnitt?

Im Zuge dieses Prozesses wirkt ein Laserstrahl auf bestimmte Werkstücke ein. Dabei handelt es sich um einen stark fokussierten und hochenergetischen Laserstrahl. Beim Laserschneiden kommt es zur Schmelze, wobei sich auch Metalldampf entwickelt. Um beides auszublasen, wird ein Gasstrom mit Hochdruck eingesetzt. Im Werkstück zeichnet sich beim Schneiden eine Schnittfuge ab, welche auch als Schneidspalt bezeichnet wird. Je nach verwendetem Laser variiert die Schnittkante.

Warum überhaupt ein Laserschnitt?

Durch den Einsatz eines Lasers können verschiedene Schneideaufgaben erledigt werden. Beim Schneiden von Metall ist eine zu bearbeitende Dicke von bis zu 3 Zentimetern möglich. Der Laser schneidet aber auch sehr dünne Materialien äußerst präzise. Im industriellen Bereich werden unterschiedliche Laser eingesetzt. Am häufigsten ist dort der Faserlaser anzutreffen. Aber auch der CO?-Laser kommt in der Industrie häufig zum Einsatz. Im Gegensatz zu alternativen Verfahren bietet sich der CNC-Laserschnitt bereits an, wenn es sich um sehr geringe Losgrößen handelt, ohne dass die Wirtschaftlichkeit dadurch beeinträchtigt wird.

Das Verfahren im Detail

Der Laserschnitt setzt sich aus zwei verschiedenen Teilprozessen ab, die gleichzeitig ablaufen. Zum einen kommt es zur Absorbierung des Laserstrahls, wobei die für den Laserschnitt erforderliche Energie aufgebracht wird. Und zum anderen stellt die Schneiddüse das Prozessgas bereit. Die Drüse ist konzentrisch zum Laser positioniert. Das Prozess- beziehungsweise Blasgas schützt den Bearbeitungskopf vor Dämpfen und Spritzern. Außerdem sorgt es dafür, dass der abgetragene Werkstoff aus den Schnittfugen getrieben wird. Der Aggregatzustand des Fugenwerkstoffes hängt beim CNC-Laserschnitt von zwei Faktoren ab:
  • vom zugeführten Prozessgas
  • von der im Wirkbereich erreichten Temperatur
Je nachdem, ob es sich um Flüssigkeit, Dampf oder ein Oxidationsprodukt handelt, das aus der Schnittfuge tritt und in Abhängigkeit davon, um welchen Werkstoff es sich handelt, differenziert man zwischen drei Verfahren:
  • Laserstrahlschmelzschneiden
  • Laserstrahlbrennschneiden
  • Laserstrahlsublimierschneiden

Laserfähige Materialien und Schnittstärken

Die für Stahl maximal bearbeitbare Plattenstärke beträgt aktuell rund 4 Zentimeter. Für Aluminium beträgt die maximal bearbeitbare Plattenstärke nur 2 Zentimeter. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass der Laserschnitt bei Aluminium und Kupfer aufwendiger ist. Damit in diese Werkstoffe eingestochen werden kann, ist eine deutlich höhere Leistungsdichtung erforderlich, da ein Großteil der bereitgestellten Strahlung des Lasers anfänglich reflektiert. Zudem ist die Schneidleistung aufgrund der Absorption des Leistungsanteils im Schnittkanal deutlich niedriger, als bei Eisenwerkstoffen. Und dieser Aspekt lässt sich wiederum auf die Eigenschaften von Aluminium und Kupfer zurückführen: Zum einen findet keine unterstützende Oxidation statt und zum anderen kommt es zur deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit. Für den Laserschnitt von Aluminium, Kupfer und anderen Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, kann der CO2-Laser gar nicht oder nur bedingt eingesetzt werden, da ein großer Teil der vom Laser eingebrachten Leistung reflektiert wird.

Das Einstechen gestaltet sich sowohl beim Laserbrenn- als auch beim Laserschmelzschneiden als schwierig, da es mit einem hohen Zeitaufwand verknüpft ist. Der Grund dafür ist, dass der gepulste Laserschnitt mit verringerter mittlerer Leistung des Lasers durchgeführt werden muss, um Metallspritzer zu vermeiden, welche nicht nur eine Rückreflexion verhindern, sondern auch die Fokussieroptik gefährden würden. Moderne Lasermaschinen sind jedoch mit Sensoren ausgestattet, mit denen sich der erfolgte Durchstich detektieren lässt. Auf diese Weise kann man sicherstellen, dass der Werkstoff nicht vollständig durchstochen wird. Außerdem resultieren daraus nennenswerte Zeitvorteile.

Fazit

Der Laserschnitt hat sich bereits vor mehr als zwei Jahrzehnten in der Industrie etablieren können. Damit lassen sich metallische Werkstoffe präzise schneiden. Moderne Techniken sorgen dafür, dass sich der Prozess ständig weiterentwickelt und das Schneiden mit dem Laser optimiert werden kann.

Wirtschaft | Lieferkette & Produktion, 22.08.2023

     
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