Wie funktioniert eine Laserschneidmaschine?

Ein Laser ist ein hochkonzentrierter Lichtstrahl mit einer einzigen Wellenlänge. Bei jeder Lichtwellenlänge absorbieren, reflektieren und übertragen verschiedene Materialien dieses Licht in unterschiedlicher Menge.

Der Laserstrahl ist eine Säule aus Licht sehr hoher Intensität, einer einzelnen Wellenlänge oder Farbe. Bei einem typischen CO2-Laser liegt diese Wellenlänge im Infrarotbereich des Lichtspektrums, ist also für das menschliche Auge unsichtbar. Der Strahl hat einen Durchmesser von nur etwa 3/4 Zoll, wenn er sich vom Laserresonator, der den Strahl erzeugt, durch den Strahlengang der Maschine bewegt. Es kann durch eine Reihe von Spiegeln oder „Beam Bendern“ in verschiedene Richtungen reflektiert werden, bevor es schließlich auf die Platte fokussiert wird. Der fokussierte Laserstrahl geht durch die Bohrung einer Düse, kurz bevor er auf die Platte trifft. Durch diese Düsenbohrung strömt auch ein komprimiertes Gas, wie beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff.

Die hohe Leistungsdichte führt zu einer schnellen Erwärmung, Aufschmelzung und teilweisen oder vollständigen Verdampfung des Materials. Beim Schneiden von Baustahl reicht die Hitze des Laserstrahls aus, um einen typischen „Autogen“-Brennprozess zu starten, und das Laserschneidgas ist reiner Sauerstoff, genau wie bei einem Autogen-Brenner. Beim Schneiden von Edelstahl oder Aluminium schmilzt der Laserstrahl einfach das Material, und Hochdruckstickstoff wird verwendet, um das geschmolzene Metall aus der Schnittfuge zu blasen.

Auf einer CNC-Laserschneidmaschine wird der Laserschneidkopf in Form des gewünschten Teils über die Metallplatte bewegt und so das Teil aus der Platte herausgeschnitten. Ein kapazitives Höhenkontrollsystem hält einen sehr genauen Abstand zwischen dem Ende der Düse und der zu schneidenden Platte. Dieser Abstand ist wichtig, da er bestimmt, wo sich der Brennpunkt relativ zur Oberfläche der Platte befindet. Die Schnittqualität kann durch Anheben oder Absenken des Brennpunkts von knapp über der Oberfläche der Platte, an der Oberfläche oder knapp unter der Oberfläche beeinflusst werden.

Eine Laserschneidmaschine arbeitet, indem sie einen Laserstrahl auf ein Materialstück fokussiert. Das Laserlicht ist so stark, dass es bei Fokussierung die Temperatur des zu schneidenden Materials hoch genug anhebt, um das Material zu schmelzen oder zu verdampfen, in dem kleinen Bereich, in dem der Strahl fokussiert wird. Häufig wird ein Hilfsgas verwendet, um das geschmolzene Material aus dem Schnittbereich zu drücken. Dies gilt insbesondere für das Schneiden von Metallen oder dicken Materialplatten wie Sperrholz.

Um Formen zu schneiden, wird der Laserkopf bewegt, wobei eine Art Gantry verwendet wird, um den Strahl über dem neuen Material zu positionieren, wodurch eine Linie anstelle eines kleinen Nadellochs geschnitten wird. Die Arten von Bewegungssystemen umfassen Zahnstangen und Ritzel, Kugelgewindetriebe und Linearmotoren. Linearmotoren sind am teuersten, aber am schnellsten und genauesten. Zahnstangen und Ritzel bieten nahezu die gleiche Geschwindigkeit und Genauigkeit, jedoch zu einem niedrigeren Preis. Einige kleine Hobbylaser verwenden möglicherweise auch Zahnriemen und Schrittmotoren, um ihren Laserkopf zu bewegen. In allen Fällen trägt ein System mit Servo- und Encoder-Feedback erheblich zur Schnittgenauigkeit der Maschine bei, ebenso wie ein starrer Rahmen, der von Vibrationen isoliert ist.

Für einen Laserschneidvorgang ist es wichtig, eine Wellenlänge zu wählen, die das Material, das Sie schneiden möchten, stark absorbiert.

Da die Laserenergie auf die Materialoberfläche gerichtet wird, absorbiert das Material so viel Energie, dass es sich schnell über seine Schmelztemperatur hinaus auf seine Degradationstemperatur erwärmt.

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

Die Schnittkante kann auf ein niedrigeres Niveau erhitzt werden und tatsächlich schmelzen und sich neu bilden. Dies kann tatsächlich als eine Art Dichtungsmechanismus verwendet werden, der beispielsweise für faserige Materialien nützlich ist, um ein Einfädeln zu verhindern.

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