1. Prinzip und Klassifizierung des Laserschneidens

● Prinzip des Laserschneidens

Der Laserschneiden verwendet zum Arbeiten einen fokussierten Strahl mit hoher Leistungsdichte, sodass das bestrahlte Material schnell geschmolzen, verdampft, abgetragen oder entzündet wird und das geschmolzene Material durch einen Hochgeschwindigkeitsluftstrom koaxial zum Strahl weggeblasen wird, wodurch das Werkstück geschnitten wird.

Wenn der Laserstrahl mit dem Material interagiert, laufen verschiedene Prozesse ab. Die vom Laserstrahl erzeugte intensive Hitze erhöht die Temperatur des Materials rapide, wodurch es schmilzt, verdampft oder eine chemische Reaktion eingeht. Die spezifische Interaktion hängt von den Materialeigenschaften wie Absorptionskoeffizient und Schmelzpunkt sowie den Laserparametern wie Leistungsdichte und Pulsdauer ab.

Bei Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. Kunststoffen, kann der Laserstrahl das Material beim Schneiden schmelzen. Das geschmolzene Material wird dann von einem Gasstrahl weggeblasen, wodurch eine Schnittfuge (die Schnittbreite) entsteht. Bei Materialien mit höherem Schmelzpunkt, wie z. B. Metallen, verdampft der Laserstrahl das Material direkt und erzeugt so einen schmalen und präzisen Schnitt.

Gasunterstützung wird beim Laserschneiden häufig eingesetzt, um den Schneidprozess zu verbessern. Ein Gas, beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff, wird durch die Düse des Schneidkopfes auf die Materialoberfläche geblasen. Das Gas hilft, geschmolzenes oder verdampftes Material aus der Schnittzone zu entfernen, kühlt das Material ab und verhindert die Bildung von Graten oder Schlacke. Die Wahl des Gases hängt vom zu schneidenden Material und der gewünschten Schnittqualität ab.

Die Schnittbreite wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, darunter Laserleistung, Brennfleckgröße, Materialdicke und Schnittgeschwindigkeit. Durch Anpassung dieser Parameter lässt sich die Schnittbreite steuern, um die gewünschte Schnittpräzision zu erreichen. Beim Laserschneiden kann es zudem zu einer Verjüngung kommen, bei der der Schnitt eine leicht konische Form aufweist. Der Verjüngungswinkel hängt von den Materialeigenschaften und Laserparametern ab und kann durch Optimierung der Schnittbedingungen minimiert werden.

●Lasergrundlagen:

Ein Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ist ein Gerät, das einen konzentrierten Strahl kohärenten Lichts erzeugt. Er besteht aus drei Hauptkomponenten: einem aktiven Medium, einer Energiequelle und einem optischen Resonator. Das aktive Medium, das fest, flüssig oder gasförmig sein kann, emittiert Photonen, wenn es durch die Energiequelle angeregt wird. Der optische Resonator reflektiert die Photonen durch das aktive Medium hin und her und verstärkt und richtet die Lichtwellen aus. Dieser Prozess führt zur Bildung eines starken und kohärenten Laserstrahls.

● Laserschneiden Einstufung

In Laserschneidmaschinen kommen verschiedene Lasertypen zum Einsatz, darunter CO2-Laser, Nd:YAG-Laser und Faserlaser. CO2-Laser sind der am weitesten verbreitete Typ und verwenden eine Mischung aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium als aktives Medium. Nd:YAG-Laser nutzen einen Festkörperkristall, beispielsweise Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat, als aktives Medium. Faserlaser hingegen verwenden eine mit Seltenerdelementen dotierte Glasfaser als aktives Medium. Jeder Lasertyp hat seine einzigartigen Eigenschaften und eignet sich für bestimmte Schneidanwendungen.

1) CO2-Laser

Wird häufig zum Schneiden nichtmetallischer Materialien wie Holz, Kunststoff, Glas und Textilien verwendet. Mit der richtigen Einrichtung können auch Metalle wie Weichstahl, Edelstahl und Aluminium geschnitten werden.

2) Laserverdampfungsschneiden

Das Werkstück wird durch einen Laserstrahl mit hoher Energiedichte erhitzt. Die Temperatur steigt schnell an, der Siedepunkt des Materials wird innerhalb kürzester Zeit erreicht und das Material beginnt zu verdampfen. Diese Dämpfe werden mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen, und während des Dampfausstoßes bildet sich ein Schlitz im Material. Die Verdampfungswärme des Materials ist im Allgemeinen hoch, sodass für das Laservergasungsschneiden eine hohe Leistung und Leistungsdichte erforderlich ist.

Das Laserverdampfungsschneiden wird häufig zum Schneiden sehr dünner metallischer und nichtmetallischer Materialien verwendet.

3) Laserschmelzschneiden

Beim Schmelzen und Schneiden mit dem Laser wird das Metall durch Lasererhitzung geschmolzen. Anschließend wird das nichtoxidierende Gas durch eine koaxial zum Lichtstrahl angeordnete Düse gesprüht. Durch den starken Druck des Gases wird das flüssige Metall ausgestoßen und bildet einen Schlitz. Beim Laserschmelzen und -schneiden muss das Metall nicht vollständig verdampft werden, und die erforderliche Energie beträgt nur 1/10 der beim Verdampfen benötigten Energie.

Das Laserschmelzschneiden wird hauptsächlich zum Schneiden einiger nicht oxidierbarer Materialien oder aktiver Metalle verwendet.

4) Laser-Sauerstoffschneiden

Das Prinzip des Laser-Sauerstoffschneidens ähnelt dem Autogenschneiden. Es verwendet einen Laser als Vorwärmquelle und ein aktives Gas wie Sauerstoff als Schneidgas. Einerseits wirkt das eingespritzte Gas auf das Schneidmetall und löst eine Oxidationsreaktion aus, bei der eine große Menge Oxidationswärme freigesetzt wird. Andererseits werden das geschmolzene Oxid und die Schmelze aus der Reaktionszone herausgeblasen und bilden einen Schlitz im Metall.

Da die Oxidationsreaktion während des Schneidvorgangs eine große Menge Wärme erzeugt, beträgt die für das Laseroxidationsschneiden erforderliche Energie nur die Hälfte des Energiebedarfs beim Schmelzschneiden und die Schneidgeschwindigkeit ist viel höher als beim Laserverdampfungsschneiden und beim Schmelzschneiden.

Das Laser-Sauerstoffschneiden wird hauptsächlich für Kohlenstoffstahl, Titanstahl und wärmebehandelte Metallmaterialien wie Wärmebehandlungen verwendet.

5) Laserschneiden und Kontrollbruch

Beim Laserritzen wird die Oberfläche spröden Materials mit einem hochenergetischen Laser abgetastet, sodass das Material durch Hitze bis zu einer kleinen Rille verdampft wird. Anschließend wird ein bestimmter Druck ausgeübt, wodurch das spröde Material an der kleinen Rille reißt. Laser zum Laserritzen sind im Allgemeinen gütegeschaltete Laser und CO2-Laser.

Die Steuerung des Bruchs erfolgt über eine durch die Lasergravur erzeugte steile Temperaturverteilung, die im spröden Material lokale thermische Spannungen erzeugt und so zu einem Bruch des Materials führt.

●Laserschneidprozess

Der Laserschneidprozess umfasst mehrere Schritte. Zunächst wird der Laserstrahl von der Laserquelle erzeugt und durch eine Reihe von Spiegeln und Linsen zum Schneidkopf geleitet. Der Schneidkopf enthält eine Fokussieroptik, die den Laserstrahl auf einen kleinen Punkt konzentriert. Der fokussierte Laserstrahl wird dann auf das zu schneidende Material gerichtet.

2. Laserschneidfunktionen

● Vorteil

1) Gute Schnittqualität

Durch den kleinen Laserspot, die hohe Energiedichte und die schnelle Schnittgeschwindigkeit kann beim Laserschneiden eine bessere Schnittqualität erzielt werden.

2) Hohe Schneideffizienz

Aufgrund der Übertragungseigenschaften des Lasers ist die Laserschneidmaschine im Allgemeinen mit mehreren NC-gesteuerten Arbeitstischen ausgestattet, und der gesamte Schneidvorgang kann numerisch gesteuert werden. Während des Betriebs können Sie durch einfaches Ändern des NC-Programms Teile unterschiedlicher Form schneiden, zweidimensional schneiden und dreidimensionales Schneiden realisieren.

3) Schnelle Schnittgeschwindigkeit

Beim Laserschneiden sind keine Befestigungsmaterialien für Vorrichtungen erforderlich, wodurch Vorrichtungen und zusätzliche Zeit für das Be- und Entladen eingespart werden.

4) Berührungsloses Schneiden

Beim Laserschneiden kommt es zu keinem Kontakt zwischen Brenner und Werkstück und es entsteht kein Werkzeugverschleiß. Um Teile unterschiedlicher Form zu bearbeiten, ist kein Werkzeugwechsel erforderlich. Ändern Sie einfach die Ausgabeparameter des Lasers. Der Laserschneidprozess ist geräuscharm, vibrationsarm und umweltfreundlich.

● Nachteil

Laserschneiden Aufgrund der begrenzten Laserleistung und des Gerätevolumens können beim Laserschneiden nur Platten und Rohre mittlerer und geringer Dicke geschnitten werden, und die Schnittgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Dicke des Werkstücks erheblich ab.

Laserschneidgeräte sind teuer und erfordern eine einmalige Investition.