Was ist Laserschneiden? – Arbeitsweise, Typen &Anwendung

Laserschneiden ist eine nicht traditionelle Verarbeitungsmethode, bei der ein stark fokussierter kohärenter Lichtstrahl, der als Laser bezeichnet wird, zum Schneiden von Material verwendet wird. Es handelt sich um ein subtraktives Verfahren, bei dem das Material während des Schneidvorgangs kontinuierlich abgetragen wird. Dies wird durch Verdampfung, Schmelzen, chemische Ablation oder kontrollierte Rissausbreitung erreicht.

Die Laseroptik wird digital von CNC (Computer Numerical Control) gesteuert, wodurch das Verfahren zum Bohren von Löchern mit einer Größe von nur 5 Mikron geeignet ist. Darüber hinaus erzeugt der Prozess keine Restspannungen im Material, was das Schneiden von empfindlichen und zerbrechlichen Materialien ermöglicht.

Wie funktioniert Laserschneiden?

Eine Laserschneidmaschine funktioniert ähnlich wie eine CNC-Maschine, verwendet jedoch einen Hochleistungslaser. Der Laser führt das Material oder den Strahl durch die CNC- und optische Ausrüstung. Die Maschine verwendet die CNC oder den bereitgestellten G-Code, um das Material zu schneiden und die Bewegung zu steuern.

Nachdem der Laserstrahl fokussiert ist, schmilzt, verdampft und brennt das Material. Wenn Sie das Material mit einem Gasstrahl blasen, können Sie außerdem eine hochwertige fertige Kantenoberfläche erzielen. Die Laserstrahlerzeugung findet in einem geschlossenen Behälter statt, wo eine Lampe oder elektrische Entladung das lumineszierende Material anregt.

Die Verstärkung des Leuchtstoffs erfolgt nach interner Reflexion durch einen Teilspiegel. Dieses Phänomen setzt sich fort, bis sich in einem kohärenten monochromatischen Lichtstrom genügend Energie angesammelt hat, um ihn entweichen zu lassen. Die Intensität des Lichts nimmt zu, nachdem es mit einer Faser oder einem Spiegel auf den Arbeitsbereich fokussiert wurde.

Der Laserstrahldurchmesser liegt an seiner dünnsten Kante unter 0,32 mm. Umgekehrt kann die Breite des Einschnitts potenziell so klein wie 0,10 mm sein. Dies hängt jedoch von der Dicke des Materials ab. Wenn das Material mit einem Laserschneider geschnitten wird, ohne von der Materialkante auszugehen, wird ein Perforationsverfahren verwendet.

Arten des Laserschneidens

Zum Schneiden gibt es drei Haupttypen von Lasern. Sie sind CO2-, Nd-YAG- (Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat) und Faserlaser. Sie unterscheiden sich in dem Grundmaterial, das zur Erzeugung des Laserstrahls verwendet wird.

Kohlendioxidlaser

Dieser Lasertyp hat ein Gasentladungsmedium, das mit 10–20 % Kohlendioxid, 10–20 % Stickstoff, Spuren von Wasserstoff und Xenon sowie Helium gefüllt ist. Das Laserpumpen erfolgt nicht durch Licht, sondern durch Entladungsstrom.

Beim Durchgang der Entladung durch das Beleuchtungsmedium werden die Stickstoffmoleküle auf ein höheres Energieniveau angeregt. Anders als zuvor beschrieben, verlieren diese angeregten Stickstoffmoleküle keine Energie aufgrund von Photonenemission.

Stattdessen überträgt es die Energie seiner Schwingungsmoden auf die CO2-Moleküle. Dieser Prozess setzt sich fort, bis sich die meisten CO2-Moleküle in einem übertragbaren Zustand befinden. Die Kohlendioxidmoleküle senden dann Infrarotlicht bei 10,6 µm oder 9,6 µm aus und bringen sie auf ein niedrigeres Energieniveau.

Resonanzspiegel sind so ausgelegt, dass sie die emittierten Photonen bei diesen Wellenlängen reflektieren. Ein Spiegel ist ein Teilreflektor, der die Freisetzung des Infrarotstrahls ermöglicht, der zum Schneiden des Materials verwendet wird.

Nach Abgabe des Infrarotlichts kehrt das CO2-Molekül in den Grundzustand zurück, indem es seine verbleibende Energie auf die dotierten Heliumatome überträgt. Die kalten Heliumatome werden dann sehr heiß und werden durch das Kühlsystem des Lasers gekühlt. CO2-Laser haben eine Effizienz von etwa 30 %, höher als andere Laser.

Kristalllaser (Rubin, Nd und Nd-YAG)

Im Gegensatz zu CO2-Lasern ist dieser Lasertyp ein Festkörperlaser, der synthetische Kristalle als lichtemittierendes Medium verwendet. Am gebräuchlichsten ist ein YAG (Y3Al5O12)-Kristall, der mit 1 % ionisiertem Neodym (Nd3+) dotiert ist.

Die Nd-Ionen in diesem Kristall ersetzen die Y-Ionen in der Kristallstruktur. Die Stäbchen sind etwa 10 cm lang und haben einen Durchmesser von 6 bis 9 cm. Die Enden der YAG-Stäbe sind poliert und mit einem hochreflektierenden Material beschichtet, das als Resonatorsystem dient.

Ein Kryptonblitz oder eine Laserdiode erreicht das Laserpumpen. Dieses Laserpumpen regt Neodym-Ionen auf höhere Energieniveaus an. Nach einiger Zeit gehen die angeregten Neodym-Ionen in einen niedrigeren, stabileren Zustand über, ohne Photonen zu emittieren. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis das Medium mit angeregten Nd-Ionen gefüllt ist. Aus seinem abgebauten Zustand emittiert das Nd-Ion Infrarotlicht bei einer Wellenlänge von 1064 nm.

Faserlaser

Faserlaser sind eine neuere Form von Lasern, die Licht unter Verwendung optischer Fasern anstelle von Gasen (CO2-Lasern) oder Kristallen (Nd-YAG-Lasern) emittieren. Aufgrund der Verwendung von Lichtwellenleitern sind Faserlaser Festkörperlaser, die ähnlich wie Kristalllaser funktionieren.

Die optische Faser ist mit Elementen wie Erbium und Ytterbium dotiert. Erbium erzeugt Licht im Bereich von 1528 bis 1620 nm. Andererseits erzeugt Ytterbium Licht bei 1030 nm, 1064 nm und 1080 nm.

Es ist bekannt, dass Licht, wenn es durch eine optische Faser geht, mit minimalem Energieverlust darin bleibt. Dadurch sind Glasfasern stabiler als andere Typen, die eine genaue Ausrichtung erfordern.

Vorteile der Laserschneidmaschine

Hohe Präzision und Genauigkeit

Laser verwenden einen fokussierten Lichtstrahl, um Objekte mit extremer Präzision zu schneiden. Der Laser ist leistungsstark und winzig, aber er schmilzt und verdampft Material mit unübertroffener Präzision. Meistens liegen die Lasertoleranzen zwischen 0,003 mm und 0,006 mm.

Plasmaschneider haben eine Toleranz von etwa 0,02 mm, was höher ist als beim Laserschneiden. In ähnlicher Weise haben andere Schneidwerkzeuge Toleranzniveaus zwischen 1 und 3 mm oder sogar höher. Angenommen, im Herstellungsprozess ist eine Maschine mit hoher Präzision und Genauigkeit erforderlich.

In diesem Fall ist das bevorzugte Werkzeug normalerweise ein Laserschneider. Daher verwendet die Luft- und Raumfahrtindustrie das Laserschneiden, das enge Toleranzen erfordert.

Kostengünstiger und erschwinglicher

Das Laserschneiden hat einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber anderen CNC-Maschinen des gleichen Kalibers, was einer der Vorteile der Lasertechnologie ist. Dank der Laserschneidtechnologie sind keine Sonderwerkzeuge mehr erforderlich. Sie müssen auch die Ausrüstung für kein Projekt modifizieren, da keine zusätzlichen Schneidwerkzeuge benötigt werden.

Außerdem gibt es keinen physischen Kontakt, sodass es zu keiner Abnutzung der Oberfläche kommt. Da Laserschneidmaschinen nur wenige mechanische Teile haben, sind sie weniger wartungsintensiv als andere Verarbeitungstechnologien. Die Betriebskosten der Maschine sind im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungswerkzeugen ebenfalls geringer.

Für Jobs von extremer Komplexität

Viele Aufgaben, die für andere Schneidtechnologien zu komplex sind, werden für Laserschneidmaschinen einfach; Lasertechnologie kann an den dünnsten Kanten des Materials arbeiten. Obwohl der Schnittbereich leicht verzerrt oder verdreht sein kann, können Sie mit einem Lasercutter schnell komplexe Geometrien herstellen. Das Laserschneiden hat ein breites Toleranzniveau und kann verschiedene Materialien verarbeiten.

Hohe Blattausnutzung und weniger Abfall

Wenn Sie Material mit einem Laserschneider schneiden, wird nur sehr wenig Material verschwendet. Damit hebt sich das Laserschneiden von anderen Maschinen mit erheblichem Materialanteil ab. Mit einem Laserschneider können Hersteller den Materialeinsatz maximieren. Da Ressourcen effizienter genutzt werden, wird weniger Material verschwendet und die Produktionskosten werden gesenkt.

Schadensverhütung

Ein weiterer Vorteil des Laserschneidens ist die Vermeidung von Beschädigungen selbst bei schmalsten Materialien. Viele Menschen neigen dazu, Fehlinformationen über die Maschine zu glauben, weil sie glauben, dass Verzerrungen oder Beschädigungen des Materials unvermeidlich sind.

Dieser weit verbreitete Glaube geht davon aus, dass beim Laserschneiden hohe Hitze verwendet wird. Beachten Sie, dass Hitze nur einen kleinen Materialbereich betrifft und Toleranzen nicht beeinflusst. Das Laserschneiden von Blechen ist erstaunlich schnell, sodass der Zeitaufwand für das Schneiden geringer ist. Dadurch können Hersteller Verwerfungen und Verzerrungen leicht vermeiden.

Geringer Stromverbrauch

Es würde helfen, wenn Sie viel Kraft hätten, um im wirklichen Leben einen Schnitt zu erzielen. Laserschneidmaschinen haben jedoch keine anderen beweglichen Teile, was den Energieverbrauch senkt. Dagegen verbrauchen Maschinen mit beweglichen Teilen tendenziell mehr Energie. Darüber hinaus schneiden Laserschneider das Material in sehr kurzer Zeit. Dies hilft, Zeit und Energie zu sparen. Wenn weniger Energie verbraucht wird, sinken auch die Betriebskosten.

Kompatibilität mit einer Vielzahl von Materialien

Es ist interessant festzustellen, dass diese Maschine verschiedene Materialien bearbeiten kann. Neben dem Schneiden von Materialien hilft das Laserschneiden auch bei anderen Prozessen wie Markieren, Bohren und Gravieren. Es ist erwähnenswert, dass Sie die Werkzeuge nicht wechseln oder wechseln müssen, um all diese verschiedenen Aufgaben zu erledigen.

Laserschneiden ist nicht auf das Schneiden von Metall beschränkt. Andere Laserschneidmaterialien sind Holz, Aluminium, Kunststoff, Kupfer und Messing. Laserschneiden ist ein vielseitiges Verfahren, da es fast alle Arten von Materialien problemlos schneiden kann.

Nachteile der Laserschneidmaschine

Während das Laserschneiden viele Vorteile hat, hat es auch einige Nachteile, die Sie beachten sollten. Wir werden einige davon weiter unten besprechen.

Das Laserschneiden von Kunststoffen erzeugt giftige Dämpfe und erfordert eine Belüftung, was eine kostspielige Aufgabe sein kann.

Effektives Laserschneiden hängt auch von der Dicke des Teils, dem zu schneidenden Material und der Art des verwendeten Lasers ab. Ohne die richtige Pflege kann das geschnittene Material verbrennen, und einige Metalle können sich verfärben, wenn nicht die richtige Laserintensität verwendet wird. Während Plasmaschneiden immer noch dickere Bleche schneiden kann als Laserschneiden, schließen Fortschritte in der Lasertechnologie diese Lücke, obwohl die Maschinenkosten immer noch hoch sind.

Obwohl es sich um einen automatisierten Prozess handelt, erfordern schließlich Inbetriebnahme und Wartung menschliches Eingreifen, und es besteht die Gefahr schwerer Verbrennungen, wenn der Bediener mit dem Laser in Kontakt kommt.

Anwendung des Laserschneidens

Wie bereits erwähnt, ist das Laserschneiden ein spannender Sektor, der sich ständig weiterentwickelt.

Hier sind einige der heutzutage am weitesten verbreiteten Anwendungen des Laserschneidens.

Automobilindustrie

Das Laserschneiden hat aufgrund seiner Fähigkeit, Teile mit relativer Geschwindigkeit und Genauigkeit zu reproduzieren, in der Automobilindustrie Einzug gehalten. Die genaue Reproduktion von Teilen in verschiedenen Formen und Größen ist im Automobilbereich von entscheidender Bedeutung. Laserschneiden wird verwendet, um Metalle und Kunststoffe zu schneiden, um Karosserieteile, elektronische Komponenten, Innenverkleidungen und Knöpfe für Autos zu formen.

Darüber hinaus können Laserschneidmaschinen Knöpfe in Fahrzeuginnenräume gravieren, damit Licht durchscheinen kann, und Serien- und Teilenummern auf hergestellten Teilen aufzeichnen. Formen, die zum Schneiden verschiedener Teile verwendet werden, können auch mit einem Laser geschnitten werden.

Das Laserschneiden eignet sich zum Schneiden von hydrogeformten Teilen. Dies sind in der Regel stabile Rohre, die den Fahrzeugaufbau unterstützen. Typischerweise werden diese Teile verwendet, um Motorrahmen oder Instrumententafeln herzustellen.

Formen- und Werkzeugbau

Wie bereits erwähnt, kann Laserschneiden verwendet werden, um Formen für Duplikatteile herzustellen. Mit der Fähigkeit des Lasers, unterschiedliche Tiefen in Metall zu schneiden, können extrem genaue Formen für Stanzteile erstellt werden, die durch einen sich wiederholenden Stanzprozess konsistent verwendet werden können.

Das Duplizieren von Formen mit Laserschneiden ist ebenfalls ein schneller und präziser Prozess.

Spritzgussformen können mit der gleichen Präzision hergestellt werden wie Formen durch Laserschneiden.

Dies vereinfacht den Formherstellungsprozess und macht eine genaue Formreproduktion zu einem viel schnelleren und teureren Verfahren.

In der Werkzeugherstellung können Lasercutter zum Markieren und Gravieren in der Automobilindustrie und zur Herstellung einfacher Handwerkzeuge verwendet werden. Die Geschwindigkeit von Laserschneidern macht sie möglicherweise sogar besser als das Stanzen auf starken Metallen. Aufgrund der Vielseitigkeit der Materialverwendung können Sie sogar Firmenlogos und Werkzeuginformationen auf die Gummigriffe der meisten Werkzeuge lasergravieren.

Schmuckindustrie

Die Präzision des Laserschneidens erleichtert die Verwendung in der Schmuckherstellung. Stellen Sie sich zum Beispiel eine Uhr mit vielen kleinen Zahnrädern vor. Laser werden mit Präzision geschnitten, um Zahnräder mit weniger Abfall und Produktionszeit herzustellen. Darüber hinaus ermöglichen die Gravurfunktionen des Lasers die Markierung von Teilen während des Herstellungsprozesses.

Da Laser präzise Formen und Dicken schneiden können, kann das Laserschneiden auch zur Herstellung von Schmuck verwendet werden. Mit einem Laser lässt sich ganz einfach ein Ring oder Armband mit präziser Breite, Tiefe und Durchmesser herstellen. Laser können auch Designs und Beschriftungen auf Innen- oder Außenflächen gravieren.

Herstellung medizinischer Geräte

Die größten Vorteile des Laserschneidens in der medizinischen Industrie sind die Laserchirurgie und die Herstellung medizinischer Produkte.

Laserchirurgie ermöglicht Chirurgen präzise Schnitte und Patienten heilen schneller. Lasergeschnittene Teile werden zur Herstellung von Medizinprodukten verwendet, die die Lebensqualität von Patienten verbessern. Beispielsweise werden Stents, Klappenrahmen, Gefäßclips, Knochenscharniere, flexible Wellen und Bohrer alle aus lasergeschnittenen Teilen hergestellt.

Keramikherstellung

Keramiken haben verschiedene Eigenschaften, die es Ingenieuren ermöglichen, sie in verschiedenen Anwendungen einzusetzen. Ihre geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit machen sie zu hervorragenden Isolatoren. Sie reagieren nicht mit anderen Chemikalien, haben einen hohen Schmelzpunkt und sind extrem haltbar.

Laser werden häufig zum Schneiden von Keramik verwendet, da sie die Bearbeitungszeit verkürzen, ohne die Kantenqualität zu beeinträchtigen. Düsentriebwerke, Elektromotoren, Lautsprecher, Kopfhörer, Kraftwerksgeneratoren, Reiskocher und sogar Glühlampen haben Keramikteile.

Siliziumherstellung

Ein weiteres Material, das vom Laserschneiden profitieren kann, ist Silizium, das viele Anwendungen hat. Präzisionsschneiden ermöglicht es Ingenieuren, kleinere Siliziumteile herzustellen als solche, die mit anderen Schneidmethoden hergestellt werden.

Silizium ist hochtemperatur- und alterungsbeständig und lässt sich leicht verarbeiten. Typische Anwendungen für Silizium finden sich in Computern, Elektronik, Textilien, Haushaltsprodukten, Automobilen und im Bauwesen.

Schlussfolgerung

Die Einführung des Laserschneidens hat der Fertigungsindustrie wertvolle Vorteile gebracht. Die Maschine hilft, viele Materialien in einem Durchgang zu schneiden, wodurch Zeit gespart und die Betriebskosten gesenkt werden. Das Verständnis der Vor- und Nachteile des Laserschneidens hilft Ihnen, die beste Wahl für Ihr Projekt zu treffen.