Laserstrahlbearbeitung: Prinzip, Prozess, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- & Nachteile

Heute lernen wir Laserstrahlbearbeitung (LBM) kennen: Prinzip, Funktionsweise, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- und Nachteile mit Diagramm. LBM ist ein thermisches Zerspanungsverfahren, das Laserstrahl zur Wärmeerzeugung nutzt. Materialabtrag durch Schmelzen und Verdampfen von Metallpartikeln an der Werkstückoberfläche. Unkonventionelles Verfahren ohne Werkzeug. Für metallische und nichtmetallische Materialien. Hauptsächlich für Schneid- und Bohroperationen.

Laserstrahlbearbeitung:

Prinzip:

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Absorbiert ein Atom-Elektron Energie aus externer Quelle, springt es von seinem Grundzustand auf ein höheres Energieniveau. Instabiler Zustand → Elektron emittiert absorbierte Energie als Photonen und kehrt zum Grundzustand zurück. Befindet sich Atom bereits auf höherem Niveau und absorbiert Energie, emittiert es doppelte Energie zur Rückkehr. Emittierte Energie hat gleiche Frequenz und Wellenlänge wie anregende Energie – Grundlagen des Lasers. Wird Lasermaterial in Gegenwart einer Energiequelle platziert, absorbiert es Energie bis zur Sättigungsgrenze und emittiert sie dann kontinuierlich. Dieser hochverstärkte Lichtstrahl ist der Laser.

Prinzip des Laserstrahlschweißens

Das Verfahren nutzt die grundlegende Lasereigenschaft: schmaler, monochromatischer, hochintensiver Lichtstrahl, der jedes Metall und Nichtmetall schneiden/bearbeiten kann – unabhängig von Werkzeughärte. Selbst Diamant (härtestes bekanntes Material) lässt sich schneiden.

Ausrüstung:

Laserstrahlbearbeitung

Stromversorgung (Power Supply):

Liefert Energie zur Anregung der Elektronen von niedrigem auf hohes Energieniveau. Speist Xenon-Blitzlampen, die Lichtenergie erzeugen. Lasermaterial wird Lichtenergie ausgesetzt, um Energie zu speichern.

Laserentladungsröhre (Laser Discharge Tube):

Enthält Lasermaterial. Anregung und Rückführung der Elektronen erfolgt hier. Eine Seite teiltransparent für Laserausgang, andere 100 % reflektierend. Zwischen Blitzlampen positioniert.

Lasermaterial (Laser Material):

Verschiedene Typen verfügbar; in der Bearbeitung meist CO₂ (gepulst/kontinuierlich) und Nd:YAG. CO₂ emittiert im Infrarotbereich, bis 25 kW im Dauerstrich. Nd:YAG (Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) ist Festkörperlaser, Lichtleitfaser-Übertragung möglich. ~50 kW gepulst, ~1 kW kontinuierlich.

Fokussierlinse (Focusing Lens):

Konvexe Linse, Fokus auf Werkstück.

Funktionsweise:

Laserenergie entfernt Material vom Werkstück. Prozesszusammenfassung:

• Lasermaterial (CO₂ oder andere Gase) in Laserentladungsröhre füllen
• Stromversorgung einschalten → Blitzlampen erzeugen Lichtenergie → Anregung der Atom-Elektronen
• Atome absorbieren Energie → Elektronen springen von niedrigem auf hohes Energieniveau (instabil)
• Energie zunächst im Lasermaterial gespeichert. Bei Erreichen der Sättigung: kontinuierliche Emission → hochverstärktes, kohärentes Licht gleicher Frequenz/Wellenlänge
• Laserlicht durch Fokussierlinse gesammelt und auf Werkstück gerichtet
• Laser trifft Werkstück → Bearbeitung durch Schmelzen/Verdampfen an Kontaktfläche

Anwendungen:

• Bohren kleinster Löcher (~0,005 mm) in feuerfeste und keramische Materialien
• Bohren und Schneiden von Metallen und Nichtmetallen
• Umfassend in Elektronik- und Automobilindustrie
• Hauptsächlich in Luftfahrtindustrie
• Komplexe Profile, wo Werkzeugbearbeitung unmöglich

Vor- und Nachteile:

Vorteile:

• Schneidet alle Materialien
• Keine Werkzeugkosten (kein physisches Werkzeug)
• Fertigteilqualität / hohe Oberflächenqualität
• Kein Werkzeugverschleiß
• Mikrolöcher präzise bohrbar
• Komplexe Formen leicht bearbeitbar (Laser bewegt sich auf jedem Pfad)
• Sehr harte Materialien schneidbar
• Hohe Genauigkeit erreichbar
• Leicht automatisierbar und flexibel

Nachteile:

• Unwirtschaftlich bei hohen Stückzahlen gleicher Form vs. Stanzverfahren
• Hohe Investitions- und Wartungskosten
• Keine Sacklöcher (blind holes) möglich
• Laser kann Sicherheitsrisiken bergen

Das war der vollständige Überblick über Laserstrahlbearbeitung: Prinzip, Funktionsweise, Ausrüstung, Anwendungen, Vor- und Nachteile mit Diagramm. Bei Fragen kommentieren Sie gerne. Wenn Ihnen der Artikel gefällt, teilen Sie ihn. Abonnieren Sie unsere Website für weitere interessante Artikel. Vielen Dank fürs Lesen.