Laserschneidmaschinen verstehen: Wie sie funktionieren

Ein Laser ist ein hochkonzentrierter Lichtstrahl bei einer einzigen Wellenlänge. Bei jeder Wellenlänge absorbieren, reflektieren und transmittieren verschiedene Materialien das Licht in unterschiedlichem Maße.

Der Laserstrahl ist eine Säule von sehr hochintensivem Licht einer einzigen Wellenlänge (Farbe). Bei einem typischen CO₂-Laser liegt diese Wellenlänge im Infrarotbereich des Lichtspektrums, sodass er für das menschliche Auge unsichtbar ist. Der Strahl hat nur etwa 3/4 Zoll (ca. 19 mm) Durchmesser, während er vom Laserresonator, der den Strahl erzeugt, durch den Strahlengang der Maschine läuft. Er kann durch mehrere Spiegel („Strahlablenker“) in verschiedene Richtungen gelenkt werden, bevor er schließlich auf die Platte fokussiert wird. Der fokussierte Laserstrahl geht durch die Bohrung einer Düse, kurz bevor er die Platte trifft. Durch dieselbe Düsenbohrung strömt auch ein Druckgas wie Sauerstoff oder Stickstoff.

Die hohe Leistungsdichte führt zu schnellem Erhitzen, Schmelzen und teilweisem oder vollständigem Verdampfen des Materials. Beim Schneiden von Baustahl reicht die Wärme des Laserstrahls aus, um einen typischen „Oxy-Fuel“-Brennprozess zu starten, und das Schneidgas ist reiner Sauerstoff, genau wie bei einem Oxy-Fuel-Brenner. Beim Schneiden von Edelstahl oder Aluminium schmilzt der Laserstrahl lediglich das Material, und hochdruckiger Stickstoff bläst das geschmolzene Metall aus dem Schnittspalt (Kerf).

Bei einer CNC-Laserschneidmaschine wird der Laserschneidkopf in der Form des gewünschten Teils über die Metallplatte bewegt, wodurch das Teil aus der Platte ausgeschnitten wird. Ein kapazitives Höhenkontrollsystem hält einen sehr genauen Abstand zwischen Düsenende und der zu schneidenden Platte. Dieser Abstand ist wichtig, da er bestimmt, wo der Brennpunkt relativ zur Plattenoberfläche liegt. Die Schnittqualität kann durch Anheben oder Absenken des Brennpunkts von knapp über der Plattenoberfläche, auf der Oberfläche oder knapp darunter beeinflusst werden.

Eine Laserschneidmaschine funktioniert, indem sie einen Laserstrahl auf ein Materialstück fokussiert. Das Laserlicht ist so leistungsstark, dass es beim Fokussieren die Temperatur des zu schneidenden Materials hoch genug anhebt, um es im kleinen Fokusbereich zu schmelzen oder zu verdampfen. Oft wird ein Hilfsgas verwendet, um das geschmolzene Material aus dem Schnittbereich zu drücken. Dies gilt besonders für das Schneiden von Metallen oder dicken Platten wie Sperrholz.

Um Formen zu schneiden, wird der Laserkopf mittels eines Portalsystems positioniert, sodass der Strahl über neues Material geführt wird und eine Linie statt eines kleinen Nadellochs entsteht. Bewegungsarten umfassen Zahnstange und Ritzel, Kugelgewindetriebe und Linearmotoren. Linearmotoren sind am teuersten, aber am schnellsten und präzisesten. Zahnstange und Ritzel bieten nahezu gleiche Geschwindigkeit und Genauigkeit zu niedrigerem Preis. Kleine Hobby-Laser nutzen manchmal Zahnriemen und Schrittmotoren. In allen Fällen erhöhen Systeme mit Servos und Encoder-Rückführung die Schnittgenauigkeit erheblich, ebenso wie ein steifer, vibrationsisolierter Rahmen.

Für einen Laserschneidvorgang ist es wichtig, eine Wellenlänge zu wählen, die im zu schneidenden Material stark absorbierend ist.

Wenn die Laserenergie auf die Materialoberfläche gerichtet wird, absorbiert das Material so viel Energie, dass es schnell über seine Schmelztemperatur hinaus bis zu seiner Zersetzungstemperatur erhitzt wird.

Bei der Zersetzungstemperatur zerfällt und desintegriert das Material. Dabei werden oft Rauch oder Dämpfe freigesetzt.

Der Schnittkantenbereich kann auf ein niedrigeres Niveau erhitzt werden und tatsächlich schmelzen und sich neu formen. Dies kann als eine Art Versiegelungsmechanismus genutzt werden, der für faserige Materialien nützlich ist, z. B. um Ausfransen zu verhindern.

Beim Laserschneiden kann es sinnvoll sein, den Laser so zu winkeln, dass Rauch aus dem Schneidprozess nicht als Ruß auf der Laseroptik ablagert. Zudem ist es beim Schneiden (oder Schweißen) hochreflektierender Oberflächen wichtig, zu verhindern, dass der Laserstrahl von der Oberfläche zurück in die Laseroptik reflektiert wird, was diese beschädigen könnte.