Obwohl Metallbearbeitungsprozesse traditionell mechanisch oder manuell durchgeführt werden, kann Laserschneiden eine praktikable, effektive und kosteneffiziente Option für die Metallfertigung sein. Laserschneidgeräte unterscheiden sich sowohl im Design als auch in der Anwendung von anderen Schneidemaschinen. Zum Beispiel kommen Laserschneider keinen direkten Kontakt mit dem Material, basieren auf Hochenergie-Stromquellen, haben engere Schnitttoleranzen und sind in der Regel automatisiert, um die Präzision zu maximieren.
Ein Lasergerät feuert einen konzentrierten Strahl von Photonen auf einen genauen Bereich des Werkstücks, um überschüssiges Material zu entfernen und das Werkstück in eine bestimmte Form zu bringen. Diese Maschinen sind äußerst effektiv beim Schneiden verschiedener Stahlqualitäten, wie Edelstahl und Baustahl. Allerdings sind Laser bei lichtreflektierenden oder wärmeleitenden Metallen, wie Aluminium oder Kupfer, weniger effizient und erfordern spezielle Modifikationen, um diese Materialien zu formen. Das zu schneidende Material bestimmt oft die Art des verwendeten Lasers in der Fertigung, weshalb es wichtig ist, die Gerätespezifikationen mit dem Formmaterial abzustimmen.
Arten von Lasern
Lasertechnologie weist mehrere einzigartige Eigenschaften auf, die die Qualität ihrer Schnitte beeinflussen. Der Grad, in dem Licht um Oberflächen herumkrümmt, ist als Beugung bekannt, und die meisten Laser haben niedrige Beugungsraten, um höhere Lichtintensitäten über längere Entfernungen zu ermöglichen. Zusätzlich bestimmen Merkmale wie Monochromasie die Wellenlänge des Laserstrahls, während Kohärenz den kontinuierlichen Zustand des elektromagnetischen Strahls misst. Diese Faktoren variieren je nach verwendetem Lasertyp. Die gängigsten Arten von industriellen Metall-Laserschneiddiensten umfassen:
Nd:YAG: Der neodym-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) Laser verwendet eine feste Kristallsubstanz, um Licht auf sein Ziel zu fokussieren. Er kann einen kontinuierlichen oder rhythmischen Infrarotstrahl abgeben, der durch Sekundärgeräte wie optische Pumplampen oder Dioden verstärkt werden kann. Der relativ divergente Strahl des Nd:YAG und seine hohe Positionsstabilität machen ihn sehr effizient bei Niedrigleistungsanwendungen, wie dem Schneiden von Blech oder dem Trimmen von dünnem Stahlblech.
CO2: Ein Kohlendioxid-Laser ist eine leistungsstärkere Alternative zum Nd:YAG-Modell und verwendet ein Gasmedium anstelle eines Kristalls zur Fokussierung des Lichts. Das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Pumpleistung ermöglicht es, einen hochleistungsfähigen Dauerstrahl zu erzeugen, der effizient dicke Materialien schneiden kann. Wie der Name schon sagt, besteht die Gasentladung des Lasers aus einem großen Anteil Kohlendioxid, gemischt mit kleineren Mengen an Stickstoff, Helium und Wasserstoff. Aufgrund seiner Schneidkraft ist der CO2-Laser in der Lage, sperrige Stahlplatten bis zu 25 Millimeter Dicke zu formen sowie dünnere Materialien bei niedrigerer Leistung zu schneiden oder zu gravieren.
Laserschneidfähigkeiten
Laserschneiden beinhaltet das Entfernen von Material, um ein Werkstück zu formen, in einem Prozess, der im Allgemeinen die Nachbearbeitung reduziert. Zum Beispiel kann beim Schneiden von thermisch behandeltem Material die Laserhitze eine Härtebildung an den äußeren Kanten des Schnitts verursachen. Härtebildung kann für viele Anwendungen nützlich sein, da sie die Produktlebensdauer erhöht, schränkt jedoch auch die Bearbeitungsmöglichkeiten ein, was Nachbearbeitungen wie Gewindeschneiden oder Entgraten erschwert.
Die meisten Laserschneidsysteme sind unter CNC-Parametern automatisiert. Diese Computersteuerungen ermöglichen hohe Präzision und erhöhte Schneidgeschwindigkeit. Einige CNC-Programme bieten “fliegende Optik”-Fähigkeiten, die es einem Laser erlauben, Material zu formen, während sich der Schneidkopf in Bewegung befindet. Der bewegliche Laser kann schnelle Schneidvorgänge durchführen, während er Genauigkeit beibehält, und ist besonders effektiv bei dünnem Blech. Die CNC-Programmierung kann auch die Leistungsabgabe regulieren, sodass der Laser die Einstellungen je nach Konturen und Materialstärke, das geschnitten wird, anpassen kann. Zudem sind einige CNC-Laser mit Sensorsystemen ausgestattet, die den Abstand zwischen Schneidkopf und Werkstück anpassen können, um Verformungen zu reduzieren.
Laserschneiden Stahl
Dicke Stahlmaterialien, wie Platten oder verstärkte Bleche, werden typischerweise mit CO2-Lasern geschnitten, da sie eine höhere Leistungsfähigkeit als andere Lasermodelle aufweisen. Im Allgemeinen gilt: Je dicker das Stahlblech, desto mehr Leistung ist zum Schneiden erforderlich, und die optimale Schnittgeschwindigkeit wird weitgehend durch das Verhältnis von Dicke zur Stärke des Laserstrahls bestimmt. Im Gegensatz zu vielen mechanischen Schneidverfahren kann das Laserschneiden Lochgrößen erzeugen, die deutlich kleiner sind als die Dicke des Stahls, manchmal bis zu einem Fünftel der Größe des Werkstücks.
Obwohl Nd:YAG-Laser normalerweise nicht in der Lage sind, Stahl bei einer Dicke von annähernd 20 Millimetern zu schneiden, kann eine Verstärkung durch optische Fasern mit einem Sauerstoff-Assist-Gas-Mechanismus diese kristallbasierten Systeme in die Lage versetzen, dickere Stahlteile zu schneiden. Diese Art der Modifikation nutzt den Laser, um den Stahl vorzuwärmen, während der Sauerstoff eine exotherme Reaktion katalysiert, die beim Schneiden unterstützt.
Laser-Schneiden Stahl/Laser-Schneiden Aluminium Probleme
Im Gegensatz zu Standard- oder Kohlenstoffstahl sind Aluminium und Edelstahl lichtreflektierende und wärmeleitende Metalle, weshalb es schwierig sein kann, sie mit einem Laserschneidverfahren zu bearbeiten. Eine mögliche Lösung für lasergecuttet Aluminium und lasergecutter Stahl besteht in der Verwendung einer höheren Leistungseinstellung in Verbindung mit Kompressorgastechnologie. Der Einsatz von Gasen in Verbindung mit Schneidvorgängen ist recht üblich. Mit Stickstoff- und Sauerstoff-unterstützten Laserschneidmaschinen können Aluminium und Edelstahl bei relativ hohen Kapazitäten und mit qualitativ hochwertigen Kantenformen geschnitten werden. Allerdings können der höhere Stromverbrauch und die Kosten für Peripheriegeräte wie Gas- oder Luftfilter die Ausgaben für diese Systeme erhöhen.
Forschung und Entwicklung
Viele Organisationen, wie das Laser Institute of America und Laserlab Europe, führen laufende Forschungen durch, um die besten Standardpraktiken und optimale Laseranwendungen für eine Vielzahl von Materialien zu bestimmen. Ebenso werden die Spezifikationen für Laser-Schneidköpfe ständig überarbeitet und angepasst, um die Qualität des Laserbohrens und die Sauberkeit der Laser schnitte zu verbessern. Während Laser-Schneidsysteme weiterhin in ihrer Kapazität, Produktionsrate und Kosteneffizienz verbessert werden, werden wahrscheinlich mehr Laseranwendungen für Stahl und Aluminium entstehen.
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