Der metallische Laserschnitt folgt typischerweise einem vierstufigen Prozess, der ziemlich faszinierend wird, sobald wir ihn auseinandernehmen. Alles beginnt mit einem Laserresonator, der einen starken Lichtstrahl erzeugt, welcher anschließend entweder durch CO2-Gemische oder spezielle Glasfaserkabel verstärkt wird. Danach folgt etwas wirklich Erstaunliches. Hochpräzise Linsen bündeln diesen Strahl auf eine Dicke kleiner als ein Haar, etwa 0,1 mm im Durchmesser. Bei solchen Intensitäten erreicht die Leistungsdichte über zehn Millionen Watt pro Quadratzentimeter, was ausreicht, um gemäß aktueller Forschung aus dem Journal of Manufacturing Processes innerhalb von einer halben Millisekunde Kohlenstoffstahl zu schmelzen. Um die Arbeit abzuschließen, blasen Hilfsgase wie Sauerstoff oder Stickstoff das geschmolzene Metall weg und ermöglichen äußerst schmale Schnitte. Wir sprechen hier von Schnittbreiten von lediglich 0,15 mm selbst in 3 mm dicken Edelstahlplatten.
Fünf Kernsysteme arbeiten zusammen, um Präzision und Effizienz zu gewährleisten:
Diese Integration ermöglicht Schneidgeschwindigkeiten von bis zu 60 m/Minute bei 1 mm dickem Baustahl, bei gleichzeitiger Einhaltung von ±0,05 mm-Toleranzen – unerlässlich für hochpräzise Automobil- und Luftfahrtkomponenten.
Die Metallbearbeitungsindustrie arbeitet heute hauptsächlich mit drei wesentlichen Lasertechnologien: CO2-, Faser- und auf Kristallen basierende Systeme. CO2-Laser eignen sich ziemlich gut für die Bearbeitung dickerer, nicht eisenhaltiger Metalle, da sie Gas zur Anregung verwenden. Faserlaser haben mittlerweile einen großen Teil des Marktes für die Bearbeitung von dünnem bis mitteldickem Blech übernommen, da sie das Diodenlicht mithilfe von optischen Fasern verstärken. Laut den neuesten Zahlen aus dem Industrial Laser Report 2024 können Faserlaser 3 mm starken Edelstahl mit einer Geschwindigkeit durchtrennen, die etwa das zwei- bis dreifache der herkömmlichen CO2-Systeme beträgt. Kristalllaser, einschließlich Nd:YAG-Modelle, finden sich vor allem in sehr spezifischen Nischen, beispielsweise beim Schneiden von Titan. Diese Systeme verzeichnen jedoch kaum noch Wachstum, hauptsächlich weil sie einen hohen Wartungs- und Pflegeaufwand erfordern.
Faserlaser bieten klare Vorteile:
| Leistungsmaßstab | Faserlaser | CO2-Laser |
|---|---|---|
| Schneidgeschwindigkeit (1 mm Stahl) | 25 m/Min | 8 m/min |
| Energiekosten/Monat* | $1,200 | 3.500 $ |
| Unterstützung Gasverbrauch | 15 % geringer | Standard |
*Basierend auf einem 500-kW-System mit 24/5-Betrieb
Für Hersteller, die Metalle unter 20 mm verarbeiten, bieten Faserlaser eine Amortisationszeit von 18–24 Monaten durch reduzierte Verbrauchsmaterialien und 94 % Verfügbarkeit (Metallbearbeitungsstudie 2024). CO2-Systeme sind zwar für Betriebe mit verschiedenen Materialien, die mit Acryl oder Holz arbeiten, weiterhin geeignet, verbrauchen pro Metallschnitt jedoch 50–70 % mehr Energie.
Laserschneiden funktioniert am besten mit Metallen, die Wärme gleichmäßig leiten und Laserenergie in vorhersehbarem Maße absorbieren. Zu diesen Materialien gehören unter anderem Edelstahl, Aluminium, Baustahl, Messing und Kupfer. Edelstahl zeichnet sich dadurch aus, dass er nicht so leicht korrodiert, weshalb er besonders in medizinischen Geräten und in der Lebensmittelverarbeitungstechnik weit verbreitet ist, wo Sauberkeit eine große Rolle spielt. Aufgrund seines geringen Gewichts ist Aluminium zum bevorzugten Material für Flugzeuge und Autos geworden, da jedes verlorene Unze echte Leistungsvorteile bringt. Messing und Kupfer werden zwar nicht so häufig mit Lasern geschnitten, spielen aber trotz der damit verbundenen Schwierigkeiten eine wichtige Rolle in elektrischen Systemen. Diese Metalle neigen dazu, den Laserstrahl zu reflektieren, weshalb die Bediener spezielle Geräte und Techniken benötigen, um saubere Schnitte zu erzielen, ohne die umliegenden Bereiche zu beschädigen.
| Metalltyp | Typischer Dickenbereich | Kernanwendungsbereiche |
|---|---|---|
| Edelstahl | 0,5–25 mm | Medizinische Geräte, Lebensmittelverarbeitungsmaschinen |
| Aluminium | 0,5–20 mm | Automobilbleche, Wärmeabnehmer |
| Kupfer | 0,5–8 mm | Leiterplatten, Wärmetauscher |
Beim Arbeiten mit Kupfer- und Messingmaterialien gibt es ein großes Problem, da diese mehr als 90 Prozent der Infrarot-Laserenergie reflektieren. Diese Reflexion kann den Laser selbst beschädigen, wenn nicht richtig damit umgegangen wird. Hier kommen Faserlaser zum Einsatz. Diese sind besser geeignet, da sie mit einer kürzeren Wellenlänge von etwa 1.060 Nanometern arbeiten und über etwas verfügen, das adaptive Leistungsmodulation genannt wird, und das hilft, den Prozess zu steuern. Als Beispiel sei das Schneiden von 2 mm dicken Kupferplatten genannt. Der Prozess erfordert Pulsraten von mehr als 500 Hz sowie die Unterstützung durch Stickstoffgas, um während des Schneidens eine Oxidation zu verhindern. Obwohl diese zusätzlichen Schritte etwa 15 bis 20 Prozent mehr Energie verbrauchen als beim Schneiden von Stahl, halten es die meisten Hersteller dennoch für lohnenswert, um die Genauigkeit beizubehalten und ihre wertvollen Anlagen zu schützen.
Die Dicke des zu bearbeitenden Materials hat einen großen Einfluss darauf, wie schnell wir es schneiden können und wie viel Leistung im Prozess verbraucht wird. Bei 5 mm starkem Baustahl liegen beispielsweise Schnittgeschwindigkeiten von etwa 8 Metern pro Minute im optimalen Bereich. Werden hingegen dickere Materialien wie 20 mm Stahl bearbeitet, müssen die Bediener die Geschwindigkeit erheblich reduzieren, auf etwa 1,2 m/min, allein um lästige Verformungen an den Kanten zu vermeiden. Was viele jedoch unterschätzen, ist die Vorbereitung der Oberfläche. Roststellen oder ungleichmäßige Beschichtungen können den Laserstrahl bis zu einem halben Millimeter ablenken, was später zu erheblichen Maßabweichungen führt. Eine gründliche Reinigung der beschichteten Oberflächen vor Arbeitsbeginn macht hier einen enormen Unterschied. Branchendaten zeigen, dass dieser einfache Schritt die Schneidkonsistenz um rund 30 Prozent verbessert und gleichzeitig die störende Schlackenbildung reduziert, die die Nachbearbeitung erschwert.
Faserlaser können Materialien mit Geschwindigkeiten schneiden, die etwa dreimal so hoch sind wie die von herkömmlichen CO2-Systemen, und halten dabei Toleranzen von etwa 0,1 mm bei schweren Materialien wie Edelstahl- und Aluminiumplatten ein. Die Festkörpertechnologie dieser Laser sorgt dafür, dass sie etwa 30 Prozent energieeffizienter arbeiten. Diese Effizienz führt zu saubereren Schnitten, bei denen das Material praktisch schmilzt, anstatt verbrannt zu werden, und zudem wird die Wärmeentwicklung in den umliegenden Bereichen stark reduziert. Bei Betrachtung realer Zahlen aus Produktionshallen im ganzen Land berichten Unternehmen von Kosteneinsparungen zwischen 18 und 22 Cent pro Bauteil aus Metallen mit einer Dicke von weniger als 25 mm. Kein Wunder also, dass immer mehr Blechbearbeitungsbetriebe heutzutage zur Faserlasertechnologie für ihre Serienproduktion wechseln.
Ein großer Name in der Automobilzulieferindustrie reduzierte die Produktionszeit von Fahrwerkskomponenten um nahezu die Hälfte, nachdem man auf 6-kW-Faserlaser umgestellt hatte, um mit 2 bis 8 mm starken Kohlenstoffstahlblechen zu arbeiten. Beeindruckend ist vor allem, wie diese neuen Systeme praktisch die Notwendigkeit für zusätzliche Entgratarbeiten eliminierten, da sie saubere Schnitte ohne Schlackenansatz liefern. Das Oberflächenfinish liegt bei etwa Ra 3,2 Mikron, was wirklich glatte Ergebnisse liefert. Für Hersteller, die versuchen, mit engen Terminplänen Schritt zu halten, macht diese Präzision den entscheidenden Unterschied, insbesondere da Automobilhersteller zunehmend strenge Vorgaben für Elektrofahrzeuge fordern, bei denen jedes Gramm zählt und die Toleranzen äußerst eng sind.
Immer mehr Luftfahrtunternehmen greifen bei der Bearbeitung von Aluminium-Strukturteilen, wie sie beispielsweise bei Flügelrippen oder Faserverbundteilen aus 7075-T6-Legierung verwendet werden, auf Faserlaser zurück. Der Grund dafür ist, dass diese Laser bei einer Wellenlänge von etwa 1.070 nm arbeiten, wodurch Probleme mit der Materialreflexion reduziert werden. Somit können sie 10 mm dicke Platten kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von etwa 15 Metern pro Minute schneiden und dabei Dickenabweichungen von weniger als 0,5 % aufrechterhalten. Betrachtet man aktuelle Entwicklungen, enthalten nahezu 9 von 10 neuen Flugzeugdesigns heutzutage irgendwelche laser-geschnittenen Aluminiumbauteile. Folglich ist der Zugang zu leistungsfähigen Faserlasersystemen für Hersteller nahezu unverzichtbar geworden, um die strengen Qualitätsanforderungen gemäß AS9100 erfüllen zu können, die in der Luftfahrtbranche Standard sind.
Stickstoff dient als inaktives Hilfsgas bei Drücken zwischen 12 und 20 bar, um den Korrosionswiderstand des Materials aufrechtzuerhalten. Dadurch wird Oxidation verhindert und es entstehen saubere Kanten, wodurch diese Teile ideal für Anwendungen wie medizinische Geräte oder Komponenten in der Lebensmittelverarbeitungsindustrie sind. Nehmen wir beispielsweise 304er Edelstahl mit einer Dicke von 6 mm. Mit einem 2 kW Faserlaser, der mit etwa 10 bis 12 Metern pro Minute arbeitet, beobachten wir typischerweise eine Wärmeeinflusszone von nicht mehr als 0,1 mm. Laut einer kürzlich im 2024 Metal Fabrication Report veröffentlichten Studie können durch den Wechsel von Sauerstoff-basierten Verfahren auf Stickstoffunterstützung die zusätzlichen Nachbearbeitungskosten um etwa ein Drittel reduziert werden. Einige wichtige Parameter, die erwähnenswert sind:
Aufgrund der hohen Reflektivität von Aluminium (85–92 % bei einer Wellenlänge von 1 µm) sind gepulste Lasermodi erforderlich, um eine Ablenkung des Laserstrahls zu verhindern. Ein 4-kW-Faserlaser schneidet 8-mm-6061-T6-Aluminium bei 15 m/min mit Druckluft bei 6–8 bar. Um die Wärmeleitfähigkeit zu beherrschen:
Dieser Ansatz gewährleistet eine Genauigkeit von ±0,05 mm – ideal für präzise Komponenten wie Batterieträger im Automobilbau.
Beim Schneiden von Kohlenstoffstahl mit einer Dicke von mehr als 3 mm ist die Sauerstoffunterstützung üblich, da die exotherme Reaktion die Schneidgeschwindigkeit um bis zu 40 % erhöht. Bei 10-mm-S355JR-Stahl und 3 kW Leistung werden Geschwindigkeiten von 8–10 m/min erreicht. Allerdings kann eine übermäßige Oxidation Schlacke auf der Unterseite verursachen. Effektive Gegenmaßnahmen umfassen:
Für strukturelle Komponenten wie I-Träger helfen hybride Verfahren, die Sauerstoffschneiden mit Stickstoff-Finishing-Pässen kombinieren, um die ISO 9013-Standards für Maßgenauigkeit und Kantenqualität zu erfüllen.
Laser schneiden ist ein Präzisionsverfahren, bei dem ein leistungsstarker Laserstrahl verwendet wird, um Materialien zum Schneiden zu schmelzen, zu verbrennen oder zu verdampfen.
Faserlaser bieten höhere Präzision, bessere Energieeffizienz und geringere Wartungskosten im Vergleich zu CO2-Lasern.
Metalle wie Edelstahl, Aluminium, Baustahl, Messing und Kupfer sind aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihres Vermögens, Laserenergie zu absorbieren, für das Laserschneiden geeignet.
Die Materialstärke beeinflusst die Schneidgeschwindigkeit und den Energieverbrauch. Dickere Materialien erfordern oft langsamere Schneidgeschwindigkeiten, um Verformungen an den Kanten zu vermeiden.
EN
Hot News
