Top 3 Lasertypen für präzises industrielles Schneiden

Laserschneiden gibt es seit den 60er-Jahren, doch heute ist es relevanter denn je aufgrund seiner wachsenden Verwendung in industriellen Prozessen. Dieser berührungslose Prozess nutzt einen konstanten Lichtstrahl, um Wärme und Druck zu erzeugen, der dann verschiedene Materialien präzise umformt/verzerrt, während der Schneidkopf über die Materialoberfläche bewegt wird. Die Lasertechnologie dient einer Vielzahl von Funktionen, darunter Schneiden, Bohren und Gravieren, abhängig von der Laserleistung, dem Hauptkomponentenmaterial zur Erzeugung des Laserstrahls und dem bearbeiteten Material. Laserschneiden ist einer der wichtigsten Prozesse zur Herstellung von Blechteilen.

Jeder Laser bietet eine kontinuierliche Wellenlänge und kann eine Reihe von Zwecken erfüllen. Es gibt 3 Arten von Lasern: CO2 (Gaslaser), Faslaser und Nd:YAG oder Nd:YVO (Vanadatkristalllaser). Jeder verwendet ein anderes Basismaterial, um den Laser entweder elektrisch mit einem Gasgemisch oder durch physische Dioden anzuregen.

Lasertypen zum Schneiden

CO2-Laser

Ein CO2-Laser leitet Strom durch ein mit Gasgemisch gefülltes Rohr und erzeugt Lichtstrahlen. Die Röhren enthalten an jedem Ende Spiegel. Einer der Spiegel ist vollständig reflektierend, der andere teilweise, sodass etwas Licht hindurchgelassen wird. Das Gasgemisch besteht meist aus Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserstoff und Helium. CO2-Laser erzeugen unsichtbares Licht im fernen Infrarotbereich des Lichtspektrums.

Die leistungsstärksten CO2-Laser reichen bis zu mehreren Kilowatt für Industriemaschinen, dies sind jedoch bei weitem Ausnahmen. Typische Bearbeitungs-CO2-Laser haben eine Leistung von 25 bis 100 Watt bei einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometern.

Diese Laserart ist am häufigsten für die Bearbeitung von Holz oder Papier (und deren Derivate), Polymethylmethacrylat und anderen Acrylkunststoffen. Sie eignet sich auch für Leder, Stoff, Tapeten und ähnliche Produkte. Sie wurde auch bei der Verarbeitung von Lebensmitteln wie Käse, Esskastanien und verschiedenen Pflanzen eingesetzt.

CO2-Laser eignen sich generell am besten für nicht-metallische Materialien, obwohl es bestimmte Metalle gibt, die sie verarbeiten können. Sie können generell dünne Aluminiumbleche und andere Nichteisenmetalle schneiden. Man kann die Leistung des CO2-Strahls durch Erhöhung des Sauerstoffgehalts steigern, dies kann jedoch in unerfahrenen Händen oder mit ungeeigneten Maschinen riskant sein.

Faslaser

Diese Geräteklasse gehört zur Gruppe der Festkörperlaser und nutzt den Seed-Laser. Sie verstärken den Strahl mithilfe speziell entwickelter Glasfasern, die Energie aus Pumpdioden beziehen. Ihre generelle Wellenlänge beträgt 1,064 Mikrometer und erzeugt einen extrem kleinen Fokaldurchmesser. Sie sind zudem typischerweise die teuersten der verschiedenen Laserschneidegeräte.

Faslaser sind generell wartungsfrei und weisen eine lange Lebensdauer von mindestens 25.000 Laserstunden auf. Damit haben Faslaser einen weit längeren Lebenszyklus als die anderen beiden Typen und können starke, stabile Strahlen erzeugen. Sie können Intensitäten 100-mal höher als CO2-Laser bei gleicher Durchschnittsleistung bewältigen. Faslaser können im Continuous-Wave-, Quasi- oder Pulsmodus betrieben werden, was ihnen unterschiedliche Funktionalitäten verleiht. Ein Subtyp des Faslasersystems ist der MOPA, bei dem die Pulsdauern einstellbar sind. Dies macht den MOPA-Laser zu einem der flexibelsten Laser, der für vielfältige Anwendungen eingesetzt werden kann.

Faslaser sind optimal für Metallmarkierung durch Anlassen, Metallgravur und Markieren von Thermoplasten geeignet. Sie arbeiten mit Metallen, Legierungen und Nichtmetallen gleichermassen, einschließlich Glas, Holz und Kunststoff. Faslaser können, je nach Leistung, recht vielseitig sein und eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien bearbeiten. Bei der Arbeit mit dünnen Materialien sind Faslaser die ideale Lösung. Dies gilt jedoch weniger für Materialien über 20 mm, obwohl ein teurerer Faslaser mit über 6 kW dies bewältigen könnte.

Nd:YAG/Nd:YVO-Laser

Kristalllaserschneideprozesse können in Nd:YAG (neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) erfolgen, aber häufiger wird Nd:YVO (neodym-dotiertes Yttrium-Orthovanadat, YVO4) verwendet. Diese Geräte ermöglichen eine extrem hohe Schneidleistung. Der Nachteil dieser Maschinen ist, dass sie teuer sein können – nicht nur wegen ihres Anschaffungspreises, sondern auch wegen ihrer Lebenserwartung von 8.000 bis 15.000 Stunden (wobei Nd:YVO4 typischerweise eine niedrigere hat) und die Pumpdioden können einen sehr hohen Preis haben.

Diese Laser bieten eine Wellenlänge von 1,064 Mikrometern und sind für eine riesige Bandbreite an Anwendungen nützlich, von Medizin und Zahnmedizin bis hin zu Militär und Fertigung. Beim Vergleich der beiden zeigt Nd:YVO höhere Pumpenabsorption und Verstärkung, breiteres Bandbreitenangebot, breiteren Wellenlängenbereich für das Pumpen, kürzere oberzustandslebensdauer, höheren Brechungsindex und geringere Wärmeleitfähigkeit. Beim Dauerbetrieb weist Nd:YVO eine insgesamt ähnliche Leistungsstufe wie Nd:YAG bei mittlerer oder hoher Leistung auf. Allerdings erlaubt Nd:YVO keine so hohen Pulsenergien wie Nd:YAG und die Laserlebensdauer hält kürzer.

Diese können sowohl mit Metallen (beschichtet und unbeschichtet) als auch Nichtmetallen, einschließlich Kunststoffen, verwendet werden. Unter bestimmten Umständen können sie sogar einige Keramiken verarbeiten. Der Nd:YVO4-Kristall wurde mit hohen NLO-Koeffizienten-Kristallen (LBO, BBO oder KTP) kombiniert, um die Ausgabe vom nahen Infrarot auf Grün, Blau oder sogar UV zu frequenzverschieben, was ihm eine Vielzahl variierender Funktionen verleiht.

Aufgrund der ähnlichen Grössen können Yttrium-, Gadolinium- oder Lutetium-Ionen durch laseraktive Seltene-Erden-Ionen ersetzt werden, ohne die für die Strahlerzeugung benötigte Gitterstruktur stark zu beeinflussen. Dies bewahrt die hohe Wärmeleitfähigkeit der dotierten Materialien.