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Laser Cutting

Die Laser-Schneide-Technologie entwickelt sich kontinuierlich fort, in Richtung Anwendungen mit hohen Qualitätsanforderungen, in einem stetig wachsenden Dickenspektrum und mit Kosteneinsparungen, die auch bei der Verarbeitung von Chargen mit einer größeren Stückanzahl angestrebt werden.

Dank der gestiegenen Fähigkeit zur Fokussierung von Laserstrahlen ist es möglich, scharfe, parallele Schnittkanten, einen wesentlich kleineren thermisch veränderten Bereich sowie eine geringere Hitzeverformung zu erreichen, mit der Möglichkeit, Bearbeitungen auf komplexen Profilen und mit winzigen Strahlenkurven (auch scharfen Kanten) auszuführen.

In der Praxis werden durch das Laserschneiden fertige Stücke produziert, für die keine weiteren Arbeitsschritte (z. B. Bohren) oder Endverarbeitungen (z. B. Schmirgeln und Polieren etc.) mehr erforderlich sind.

Der Ausdruck „Laser“ ist ein Akronym für „Light Amplification Stimulation Emission of Radiation“ (Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung). Ein Medium wird erregt, um dieses in die Lage zu versetzen, eine kohärente und monochromatische Lichtquelle zu emittieren (einzelne Wellenlänge). 

Der Laserstrahl kann fokussiert werden, damit eine hohe Leistungsdichte auf einen einzelnen Punkt konzentriert wird, sodass dieser in einer kurzen Zeitspanne extrem hohe Temperaturen erreicht; diese Temperaturen sind oftmals höher als die Verdampfungstemperatur der diversen beteiligten Materialien.

Folgende Schneidlasertypen werden am häufigsten verwendet: 
1)CO2-Laser: Bei diesem wird ein Gas-Laser-Medium verwendet. Es steht mit Ausgangsleistungen bis zu 40 kW zur Verfügung.
2)Nd:YAG-Laser: Bei diesem wird ein Kristall-Laser-Medium verwendet. Es steht mit Ausgangsleistungen bis zu 5 kW zur Verfügung.
3)Faserlaser: Bei diesem Verfahren wird der „Kern“ einer Glasfaser verstärkt mit Ytterbium (Yb) als aktives Verstärkungsmedium, das in der Folge durch Leuchtdioden gepumpt wird, verwendet. Faserlaser erreichen heute eine Ausgangsleistung von bis zu 50 kW.

Bei der Laser-Schneide-Technologie handelt es sich um ein Verfahren, das in den letzten Jahren große Marktanteile gewonnen hat und heute zum Schneiden von unterschiedlichen metallischen und nicht-metallischen Materialien in einem großen Dickenspektrum (Kohlenstoffstahle bis zu 30 mm, Edelstahl bis zu 20 mm, Leichtmetalllegierungen bis zu 20 mm, aber auch Plexiglas bis zu 30 mm, Holz etc.) sowie in einem breiten Anwendungsspektrum verwendet wird:

Gasen kommt bei dieser Technologie eine wesentliche Bedeutung zu, wobei diese drei unterschiedliche Funktionen erfüllen:

1. Schutzgase für den optischen Strahlengang: Ihre Funktion besteht darin, den Strahlengang frei von Staub, Schadstoffen und Verschmutzungen zu halten. Atmosphärische Luft ist nicht immer die beste Wahl für diese Anwendung. Kohlenwasserstoffreste – auch in gut gefilterter Luft – und Feuchtigkeit können sich auf den Spiegeln entlang des optischen Strahlengangs ablagern und dabei Energie aufnehmen, was in der Folge zu manchmal irreparablen Schäden und Veränderungen in der Arbeitsumgebung führt. SIAD empfiehlt für diese Anwendungen Stickstofflaser aus seiner Laserstar-Produktpalette.

2. Lasergase: Bei CO2-Laserquellen (dem am meisten verwendeten Lasertyp in dieser Anwendung) unterstützen Lasergase die Prozessausführung. Um über einen längeren Zeitraum eine stabile Leistung zu erhalten, die für die mechanische Arbeit erforderlich ist, müssen die richtigen Gasgemische verwendet werden, die im Wesentlichen folgende Bestandteile enthalten:

  • Kohlendioxid: Das wichtigste Gas im Lasergasgemisch, da es den Lasereffekt bewirkt;
  • Stickstoff schafft die Umgebung, in der mit der erzeugten Laserstrahlung hohe Leistungsdichten erreicht werden können;
  • Helium ermöglicht eine effiziente Abführung der von der eingehenden elektrischen Energie im Gemisch erzeugten Wärme.

3. Hilfsgase (Arbeitsgase): Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Ausführung des Prozesses und für die Qualität der Endverarbeitung. Die Metallzerspanung wird mithilfe von zwei unterschiedlichen Techniken und Verfahren ausgeführt: Oxyfuel-Verbrennung und Schmelzschneiden, wobei bei jedem Verfahren ein spezielles Hilfsgas eingesetzt wird.

Die Technik der Oxyfuel-Verbrennung wird zur Verarbeitung von Kohlenstoffstahl und Baustahllegierungen verwendet. Bei dieser Technologie wird Sauerstoff eingesetzt, was die exothermische Reaktion mit dem Metall begünstigt, wodurch schnellere Arbeitsgeschwindigkeiten erreicht werden können und die Linse vor den erzeugten Spritzern und Dämpfern geschützt wird. Der Reinheit des Sauerstoffs kommt in diesem Fall eine zentrale Bedeutung für das Schneiden von Baustahl (Schmiedestahl) oder Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt zu. Es wurde nachgewiesen, dass beim Übergang von einer Reinheitsstufe von 99,5 % zu einer Stufe von 99,98 % die Schneidegeschwindigkeit um bis zu 20 % erhöht werden kann.

Dank einer engen Zusammenarbeit mit den Herstellern der Laser-Anlagen konnte SIAD HOCHGESCHWINDIGKEITS-SAUERSTOFF entwickeln, ein Gas mit einem Reinheitsgrad von 99,999 % und mit einem besonders niedrigen Argongehalt, wodurch sehr hohe Qualitätsstufen und hohe Geschwindigkeiten erreicht werden können.

Die Technik des Hochdruck-Schmelzschneidens wird bei der Verarbeitung von Edelstahl und hochlegierten Stählen und für andere Nichteisenmetalle eingesetzt. Bei dieser Technologie werden Inertgase (vor allem Stickstoff) eingesetzt, die nicht zur Fusion des durch den Laser geschmolzenen Materials beitragen. Der Stickstoff bewirkt darüber hinaus keine Oxidation der Kanten, schützt die Linse vor Spritzern und kühlt die Seiten der erzeugten Rillen, wodurch die Ausbreitung des erzeugten thermisch veränderten Bereichs beschränkt wird.