Laserschnitt: Von den ersten Grundsätzen bis zum Stand der Technik

Abstrakt

  Dieses Papier gibt einen Überblick über das Thema Laserschneiden. Die behandelten Themen umfassen: Laser-Material-Wechselwirkungen, verschiedene Lasertypen, das technische und kommerzielle Wachstum des Laserschneidens und der Stand der Technik.

Erste Prinzipien

  Das Laserschneiden wird meistens mit CO2- oder Nd: YAG-Lasern durchgeführt. Die allgemeinen Schneidprinzipien sind für beide Lasertypen ähnlich, obwohl CO2-Laser den Markt aus Gründen dominieren, die später in der Arbeit diskutiert werden.

  Der grundlegende Mechanismus des Laserschneidens ist extrem einfach und kann wie folgt zusammengefasst werden:

  1. Ein Infrarotstrahl mit hoher Intensität wird von einem Laser erzeugt.

  Dieser Strahl wird mittels einer Linse auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert.

  3. Der fokussierte Strahl erwärmt das Material und erzeugt eine sehr lokalisierte Schmelze (im Allgemeinen einen Durchmesser von weniger als 0,5 mm) über die gesamte Tiefe der Folie.

  4. Das geschmolzene Material wird durch einen unter Druck stehenden Gasstrahl, der koaxial mit dem Laserstrahl wirkt, wie in Fig. 1 gezeigt, aus dem Bereich ausgestoßen. (Anmerkung: Bei bestimmten Materialien kann dieser Gasstrahl den Schneidevorgang durch chemische und physikalische Arbeit beschleunigen B. Kohlenstoff oder Weichstähle in der Regel mit einem reinen Sauerstoffstrahl geschnitten werden. Der durch die Lasererwärmung eingeleitete Oxidationsprozess erzeugt seine eigene Wärme, was die Effizienz des Prozesses erheblich erhöht.

  5. Dieser lokalisierte Bereich des Materialabtrags wird über die Oberfläche des Bogens bewegt, wodurch ein Schnitt erzeugt wird. Die Bewegung wird durch Manipulation des fokussierten Laserspots (durch CNC-Spiegel) oder durch mechanisches Bewegen des Bogens auf einem CNC-X-Y-Tisch erreicht. Es gibt auch "Hybrid" -Systeme, bei denen das Material in einer Achse und der Laserspot in der anderen Achse bewegt wird. Für die Profilierung dreidimensionaler Formen stehen vollautomatische Systeme zur Verfügung. Bei Nd: YAG-Lasern können anstelle von Spiegeln optische Fasern verwendet werden. Diese Option ist jedoch für den längerwelligen CO2-Laser nicht verfügbar.

  Abbildung 1. Eine schematische Darstellung des Laserschneidens. Die Linsenfassung oder die Düse (oder beide) können von links nach rechts oder in und aus der Ebene der Skizze eingestellt werden. Dies ermöglicht die Zentralisierung des fokussierten Strahls mit der Düse. Der vertikale Abstand zwischen der Düse und der Linse kann ebenfalls eingestellt werden.

  Bevor wir zu einer detaillierteren Beschreibung des Schneidprozesses übergehen, ist jetzt ein guter Zeitpunkt, um die Vorteile des Laserschneidens zusammenzufassen.

  A. Der Prozess schneidet im Vergleich zu anderen Profilierungsmethoden mit hoher Geschwindigkeit. Zum Beispiel schneidet ein 1500 W CO2-Laser 2 mm dicken Baustahl bei 7,5 min-1. Dieselbe Maschine schneidet 5 mm dicke Acrylplatte bei ~ 12 min-1.

  B. In den meisten Fällen (z. B. in den beiden oben genannten Beispielen) sind die geschnittenen Komponenten unmittelbar nach dem Schneiden ohne weiteren Reinigungsvorgang einsatzbereit.

  C. Die Schnittbreite (Schnittfugenbreite) ist extrem eng (typischerweise 0,1 bis 1,0 mm). Sehr detaillierte Arbeiten können ohne die Einschränkung eines minimalen Innenradius ausgeführt werden, der durch Fräsmaschinen und ähnliche mechanische Verfahren auferlegt wird.

  D. Der Prozess kann vollständig CNC-gesteuert werden. In Verbindung mit dem Fehlen notwendiger komplexer Jigging-Anordnungen bedeutet dies, dass ein Jobwechsel von dem Schneiden des Bauteils „A“ aus Stahl zu dem Schneiden des Bauteils „B“ aus Polymer innerhalb von Sekunden durchgeführt werden kann. (Hinweis: Nd: YAG-Laser können die meisten Kunststoffe nicht schneiden, da sie für Nd: YAG-Laserlicht transparent sind).

  E. Obwohl das Laserschneiden ein thermischer Prozess ist, ist der durch den Laser tatsächlich erwärmte Bereich sehr klein und der größte Teil dieses erhitzten Materials wird während des Schneidens entfernt. Somit ist der Wärmeeintrag in die Masse des Materials sehr gering, die Wärmeeinflusszonen werden minimiert und ein thermischer Verzug wird im Allgemeinen vermieden.

  F. Es handelt sich um ein berührungsloses Verfahren, dh das Material muss nur leicht geklemmt oder lediglich unter dem Balken positioniert werden. Flexible oder dünne Materialien können mit hoher Präzision geschnitten werden und verformen sich beim Schneiden nicht, wie dies beim Schneiden mit mechanischen Methoden der Fall wäre.

  G. Aufgrund des CNC-Charakters des Prozesses, der Enge der Schlüsselbreite und des Mangels an mechanischer Kraft auf das zu schneidende Blech können Komponenten so angeordnet werden, dass sie sehr nahe beieinander liegen. Somit kann Materialverschwendung auf ein Minimum reduziert werden. In einigen Fällen kann dieses Prinzip erweitert werden, bis zwischen ähnlichen Kanten benachbarter Komponenten überhaupt kein Abfallmaterial vorhanden ist.

  H. Obwohl die Investitionskosten einer Laserschneidmaschine beträchtlich sind, sind die Betriebskosten im Allgemeinen niedrig. Es gibt viele industrielle Fälle, in denen sich eine große Anlage in weniger als einem Jahr bezahlt gemacht hat.

  I. Der Prozess ist im Vergleich zu konkurrierenden Techniken extrem ruhig, ein Faktor, der die Arbeitsumgebung und die Effizienz des Bedienpersonals verbessert.

  J. Laserschneidmaschinen sind im Vergleich zu vielen ihrer mechanischen Gegenstücke extrem sicher.

  Ein Vergleich von CO2 und Nd: YAG-Laserschneiden.

  CO2- und Nd: YAG-Laser erzeugen hochintensive Infrarotlichtstrahlen, die fokussiert und zum Schneiden verwendet werden können.

Im Vergleich zu CO2-Lasern werden weit weniger Nd: YAG-Laser als Schneidemaschinen verkauft. Dies liegt daran, dass für allgemeine Schneideanwendungen CO2-Laser am effektivsten sind. Nd: YAG-Laser werden nur bevorzugt:

  A. Wenn sehr feine Detailarbeit in dünnwandigem Material erforderlich ist.

  B. Wenn stark reflektierende Materialien wie Kupfer oder Silberlegierungen regelmäßig geschnitten werden sollen,

ODER

  C. Wenn eine optische Faser verwendet werden soll, um den Laserstrahl zum Werkstück zu transportieren.

  Obwohl sowohl CO2- als auch Nd: YAG-Laser Infrarotlicht erzeugen, ist die Wellenlänge des CO2-Laserlichts zehnmal so groß wie die der Nd: YAG-Maschinen (10,6 bzw. 1,06 µm). Da das Nd: YAG-Laserlicht eine kürzere Wellenlänge hat, hat es drei Vorteile gegenüber CO2-Laserlicht:

  1. Nd: YAG-Laserlicht kann auf einen kleineren Punkt * als CO2-Laserlicht fokussiert werden. Dies bedeutet, dass eine feinere, detailliertere Arbeit erzielt werden kann (z. B. dekorative Uhrzeiger).

  2. Nd: YAG-Laserlicht wird von Metalloberflächen weniger leicht reflektiert. Aus diesem Grund eignen sich Nd: YAG-Laser für die Bearbeitung hochreflektierender Metalle wie Silber.

3. Nd: YAG-Licht kann durch Glas laufen (CO2-Licht kann nicht). Dies bedeutet, dass hochwertige Glaslinsen verwendet werden können, um den Strahl auf eine minimale Punktgröße * zu fokussieren. Es können auch optische Quarzfasern verwendet werden, um den Strahl relativ weit zum Werkstück zu tragen. Dies hat zur weit verbreiteten Verwendung von Nd: YAG-Lasern in Automobilproduktionslinien geführt, wo der verfügbare Platz auf den Linien besonders wichtig ist.

  * Hinweis: Wenn eine optische Faser verwendet wird, kann die Fähigkeit des Nd: YAG-Laserlichts, auf einen sehr kleinen Punkt fokussiert zu werden, verloren gehen, wenn die durchschnittliche Leistung über 100 Watt liegt. Die fokussierte Fleckgröße nach dem Durchlaufen einer optischen Faser kann größer sein als ein CO2-Laserfleck.

  Das kürzerwellige Nd: YAG-Laserlicht hat auch einen großen Nachteil:

  1 Die meisten organischen Materialien (z. B. Kunststoffe, Produkte auf Holzbasis, Leder, Naturkautschuk usw.) sind für Nd: YAG-Laserlicht transparent. Aus diesem Grund können sie nicht mit Nd: YAG-Lasern geschnitten werden. Wenn die Laserleistung niedrig ist oder die Größe des fokussierten Flecks groß ist, durchdringt das Licht das Material, ohne es ausreichend zu erwärmen, um es zu schneiden. Wenn die Intensität des Laserstrahls durch Erhöhen der Leistung oder Verringern der Fleckgröße erhöht wird, reagiert das Material schließlich mit einer lokalen Explosion, die einen Riss oder ein Loch erzeugen kann.

  Die Situation mit anorganischen Nichtmetallen (z. B. Keramik, Gläser, Kohlenstoff usw.) ist ziemlich komplex. CO2-Laser können verwendet werden, um einen großen Teil dieser Materialien zu schneiden. Nd: YAG-Maschinen können jedoch erneut mit Problemen der Materialtransparenz konfrontiert werden (dies gilt beispielsweise für Glas und Quarz). Eine Erfolgsgeschichte für beide Lasertypen ist das Profilieren von Keramiksubstraten für die Elektronikindustrie. In einigen Fällen können anorganische Füllstoffe, die zum Färben oder Aushärten von Kunststoffen verwendet werden, sie für das Nd: YAG-Schneiden geeignet machen. Im Allgemeinen wird das Schneiden von Polymeren jedoch nur mit CO2-Lasern durchgeführt.

  Zusammenfassend können Nd: YAG-Laser zum Schneiden feiner Details verwendet werden, oder sie können mit einer optischen Faser verwendet werden, in welchem ​​Fall keine feinen Details möglich sind (außer wenn Folien oder dünne Masken mit niedrigerer Leistung geschnitten werden). Sie eignen sich besonders zum Schneiden hochreflektierender Legierungen, können jedoch nicht viele Nichtmetalle schneiden.

  Andererseits sind CO2-Laser in der Regel eine billigere Produktionsroute und werden daher für allgemeine Konstruktionszwecke bevorzugt. CO2-Laser haben auch den Vorteil, dass sie ein breiteres Spektrum an Materialien von Metallen bis zu Polymeren und Holz schneiden können.

Schneidemechanismen

  Schneidemechanismen können Materialien mit einer Vielzahl verschiedener Mechanismen lasern, die im Folgenden beschrieben werden. Die Unterüberschrift zu jedem Schneidemechanismus enthält eine Erwähnung der geschnittenen Materialgruppen und der beteiligten Laser.

  Schmelzscheren oder Schmelzschneiden (die meisten Metalle und Thermoplaste - CO2- und Nd: YAG-Laser)

  Abbildung 2 Schmelzen 1. Die meisten organischen Materialien

  2 ist eine schematische Darstellung des Prozesses des Schmelzschneidens oder Schmelzschneidens. (Wird auch als Inertgas-Schneiden bezeichnet). [1] In diesem Fall schmilzt der fokussierte Laserstrahl das Werkstück und die Schmelze wird durch die mechanische Wirkung des Schneidgasstrahls aus dem Schnitt herausgeschleudert. Materialien, die auf diese Weise geschnitten werden, umfassen den Großteil derjenigen, die geschmolzen werden können, d. H. Metalle und Thermoplaste. Um diese Materialien erfolgreich mit dem Laser zu schneiden, müssen wir unsere Schneidgassorte und -druck sorgfältig auswählen.

Der Schneidgastyp wird in Abhängigkeit von der reaktiven Natur des zu schneidenden Materials ausgewählt, d.h.

  Geschmolzene Thermoplaste reagieren nicht chemisch mit Stickstoff oder Sauerstoff, so dass Druckluft als Schneidgas verwendet werden kann.

  Geschmolzener Edelstahl reagiert mit Sauerstoff, jedoch nicht mit Stickstoff. In diesem Fall wird Stickstoff verwendet.

  Geschmolzenes Titan reagiert mit Sauerstoff oder Stickstoff, und so wird Argon (das chemisch inert ist) als Schneidgas verwendet.

  Der Druck des eingesetzten Gases hängt auch von den zu schneidenden Materialien ab, dh die Entfernung des geschmolzenen Polymers aus der Schnittzone (beim Schneiden beispielsweise aus Nylon) erfordert keinen Hochdruckgasstrahl und so kann der Versorgungsdruck zum Schneidkopf erforderlich sein im Bereich von 2–6 bar liegen. Aufgeschmolzener Edelstahl dagegen erfordert wesentlich mehr mechanischen Schub, um ihn aus der Schnittzone zu entfernen, so dass die eingesetzten Versorgungsdrücke im Bereich von 8 bis 14 bar liegen (der erforderliche Druck steigt mit der Stahldicke).

  Schneiden mit chemischem Abbau (duroplastische Polymere und Holzprodukte - CO2-Laser)

  Duroplastische Kunststoffe und Holzprodukte werden nicht durch den Schmelzeschermechanismus geschnitten, nur weil sie nicht schmelzen können. In diesem Fall verbrennt der Laser das Werkstück und reduziert den Kunststoff oder das Holz zu einem Rauch, der aus Kohlenstoff und den anderen Bestandteilen des ursprünglichen Materials besteht.

  Dieser Prozess wird als Schneiden durch chemischen Abbau bezeichnet. Da dieses Verfahren mehr Energie erfordert als das einfache Schmelzen, sind die Schnittgeschwindigkeiten und maximalen Dicken für Duroplaste niedriger als für Thermoplaste, und die Schnittkante solcher Materialien ist im Allgemeinen flach, glatt und mit einer dünnen Kohlenstoffschicht bedeckt.

  Verdampfungsschneiden (Acryl- und Polyacetal-CO2-Laser)

  Für Metalle ist die Idee des Laserschneidens durch Verdampfen überhaupt nicht attraktiv, da das Verdampfen weitaus mehr Energie erfordert als das einfache Schmelzen, das für das Schmelzscherschneiden erforderlich ist. Bei bestimmten Polymeren findet jedoch das Verdampfungsschneiden statt, da die Schmelz- und Siedepunkte der Materialien sehr nahe beieinander liegen. Das gebräuchlichste Material, das auf diese Weise geschnitten wird, ist Polymethylmethacrylat, das besser als Acryl oder unter seinen Handelsnamen bekannt ist. Plexiglas, Plexiglas usw.

  Dieses Material wird häufig für Schilder- und Displayarbeiten verwendet und es ist ein Glück, dass aufgrund seiner Fähigkeit, beim Laserschneiden wegzudampfen, eine glänzende, polierte Schnittkante hergestellt werden kann.

  Ritzen (Keramik - CO2- oder Nd: YAG-Laser)

  Beim Anritzen handelt es sich um ein Verfahren, mit dem für spröde Dünnschnittkeramiken (z. B. AL 2 O 3) für die Elektronikindustrie sehr schnelle Schneidgeschwindigkeiten erreicht werden können. Der Laser wird in seinem gepulsten Modus verwendet, um eine Reihe flacher Löcher über die Oberfläche der Materialbahn zu verdampfen. Das Material wird anschließend entlang dieser Schwachstellen gerissen. Aus naheliegenden Gründen ist das Verfahren nur für die Herstellung von Geraden geeignet.

  Oxidationsschneiden (Baustähle und Kohlenstoffstähle - CO2- oder Nd: YAG-Laser)

  Stahl- und Kohlenstoffstähle können mit dem Schmelzescherungsprozess unter Verwendung von Stickstoff geschnitten werden, sie werden jedoch üblicherweise mit Sauerstoff als Schneidgas geschnitten. Der Sauerstoff reagiert chemisch mit dem Eisen in der Schnittzone. Dies hat zwei Vorteile für den Schneidvorgang:

1. Die Reaktion erzeugt Wärme, die den Schneidvorgang beschleunigt und somit die Schnittgeschwindigkeit verbessert und die maximal schneidbare Dicke erhöht.

  2. Die Reaktion erzeugt eine oxidierte Schmelze, die eine niedrige Viskosität hat und auf beiden Seiten des Schnittes nicht gut an dem festen Stahl haftet. Dies bedeutet, dass die Flüssigkeit leicht aus der Schnittzone geblasen wird und keine Restschmelze (Krätze) an der Unterkante des Schnittes haftet.

  Die chemische Reaktion hat auch zwei Nachteile:

  1. Die Empfindlichkeit des Prozesses wird in Bezug auf die folgenden Prozessparameter erhöht.

  Der Laserstrahl muss genau auf das Loch in der Schneidkopfdüse zentriert sein (siehe Abbildung 1).

  Der Laserstrahl muss eine Energieverteilung aufweisen, die axialsymmetrisch ist.

  2. Die chemische Reaktion hinterlässt eine dünne (~ 100 µm) Haut aus Eisenoxid an der Schnittkante. Diese Oxidschicht ist spröde und nicht fest mit dem darunterliegenden Stahl verbunden. Dies ist im Allgemeinen kein Problem, aber es kann im Betrieb abplatzen, nachdem ein Teil lackiert wurde, wobei die Farbe mitgenommen wird. Aus diesem Grund bestehen einige Kunden darauf, Bauteile aus nichtrostendem Stahl zu schneiden.

Fallstudie

  Es ist irreführend, eine einzelne Komponente zu wählen und dann zu zeigen, warum das Laserschneiden die bevorzugte Produktionsmethode ist. Um ein breiteres Bild zu geben, betrachten wir eine Art von Komponente, d. H. Eine flache, annähernd rechteckige Platte mit zehn Löchern, drei Schlitzen und etwas Randdetail. Nehmen wir eine Gesamtgröße von 200 mm x 300 mm an.

  Der Weg zur Herstellung wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt:

  Materialart und -stärke, Anzahl der benötigten Komponenten, erforderliche Genauigkeit, erforderliche Kantenqualität, Loch- / Schlitzgrößen usw.

  Die Entscheidung hängt von den Kosten ab, die mit der Herstellung von Teilen der entsprechenden Qualität verbunden sind, und dann wird das billigste Verfahren ausgewählt. In vielen Fällen ist das Laserschneiden die billigste Methode, aber es ist interessant, einige verschiedene Beispiele des Produkts zu zeigen, um zu zeigen, wann eine alternative Methode gewählt würde:

  1. Material - 3 mm dickes Stahl-CO2-Laserschneiden würde mit Ausnahme der folgenden Bedingungen gewählt.

  Wenn wir mehr als 100000 Komponenten benötigen. Bei einer Großserienfertigung können die mit dem festen Stanzen von Werkzeugen verbundenen Anfangskosten vertretbar sein.

  Wenn für die Gesamtkontur keine komplexen Profile erforderlich waren und nur ein oder zwei Teile erforderlich waren, könnte das Plasma- oder Brennschneiden gefolgt von der Bearbeitung ein Konkurrent sein.

  Wenn die Größentoleranzen an den Löchern oder Schlitzen viel besser sein sollten als die ± 0,1 mm, die für das kommerzielle CO2-Laserschneiden typisch sind. In diesem Fall kann das Nd: YAG-Laserschneiden, CNC-Stanzen oder Elektroerosion bevorzugt werden

  2. Material - 15mm dickes Metall:

  In diesem Fall wäre das CO2-Laserschneiden im Allgemeinen die günstigste Option, wenn es sich bei dem Metall um Stahl handelt. Kommerzielles Laserschneiden kann jedoch nicht zum Profilieren von Aluminium- oder Kupferlegierungen bei dieser Dicke verwendet werden, und die übliche Alternative wäre das abrasive Wasserstrahlschneiden.

  3. Material - 5 mm Titan:

CO2-Laserschneiden würde in diesem Fall eingesetzt werden, wenn die Wärmeeinflusszone entlang der Schnittkante für das Endprodukt nicht wichtig ist.

  In kritischen Anwendungen mit Ermüdungslebensdauer wäre die Wärmeeinflusszone problematisch, so dass möglicherweise mechanische Bearbeitung, abrasive Wasserstrahl- oder Funkenerosionsbearbeitung eingesetzt werden kann.

  4. Material - 10mm Polymer:

In diesem Fall würde das CO2-Laserschneiden angewendet, es sei denn, die Anzahl der beteiligten Komponenten rechtfertigte die Verwendung von Spritzgießtechniken.

Der Stand der Technik

  Der Stand der Technik eines so unterschiedlichen Themas wie das Laserschneiden ist kein Thema. Die Leistung einer Maschine, die für eine einzelne Anwendung vorgesehen ist, kann sich stark von der einer vielseitigeren Installation vom Typ "Job-Shop" unterscheiden.

  Aus diesem Grund wird der Stand der Technik am besten unter verschiedenen Überschriften diskutiert:

  Job Shop Laserschneiden

  Seit dem Beginn des Laserschneidens als industriellem Prozess in den frühen 70er Jahren haben Maschinenhersteller die Leistung der beteiligten Laser stetig gesteigert. Die zum Schneiden verwendete Leistung ist immer hinter den maximal verfügbaren Leistungen zurückgeblieben, da für das Laserschneiden ein Strahl hoher Qualität erforderlich ist, der auf einen kleinen Punkt mit achsensymmetrischer Energiedichte fokussiert werden kann (diese Symmetrie ist erforderlich, wenn der Strahl gleich gut schneiden soll alle Richtungen).

  Moderne (2004) Schneidemaschinen verwenden häufig Leistungen zwischen 3,5 kW und 5,5 kW, die sehr hohe Produktionsraten bieten. Aus Sicht einer Werkstatt sind zwei wichtige Parameter die maximale Dicke eines bestimmten Materials, die geschnitten werden kann, und die verfügbaren Schnittgeschwindigkeiten. Tabelle 1 gibt die ungefähre maximale Dicke an, die mit CO2-Lasern bei 4 und 5 kW geschnitten werden kann.

  Tabelle 1. Ungefähre maximale Materialstärke für CO2-Laser.

  Schnittgeschwindigkeiten

  Das Thema Schnittgeschwindigkeiten ist für viele Interpretationen offen und begeisterte Verkäufer haben in den letzten drei Jahrzehnten viele irreführende Informationen veröffentlicht. In den letzten Jahren haben die Maschinenhersteller zwei wichtige Punkte erkannt.

  1. Nicht nur die maximale lineare Schnittgeschwindigkeit ist wichtig. Es ist die Zykluszeit für die Komponente.

  2. Es ist oft besser, die Leistung einer Multikilowatt-Maschine zu verringern, um dünnere Abschnitte zu schneiden. (Ihre 4-kW-Maschine reduziert möglicherweise automatisch ihre Leistung auf 2 kW, um 2 mm dicken Baustahl zu schneiden).

  Um die Produktion zu maximieren, konzentrierten sich die Maschinenhersteller kürzlich auf die Beschleunigung der Maschine und die Bewegungsgeschwindigkeit zwischen den Schnitten. Verbesserungen in diesen Bereichen und verwandten Themen wie Durchstoßzeiten und Rückzugsgeschwindigkeiten des Kopfes haben die Laserschneidgeschwindigkeit nur zu einer kleinen Komponente in einer komplizierten Berechnung gemacht, um die Zykluszeiten der Komponenten zu schätzen. Heutzutage ist die einzige genaue Möglichkeit, die Leistung von zwei Maschinen zu vergleichen, die Durchführung von Versuchen mit tatsächlichen Komponenten. Tabelle 2 zeigt jedoch einige typische Schnittgeschwindigkeiten.

  Tabelle 2. Typische Laserschneidgeschwindigkeiten für gerade Linien mit einer Länge von mehreren hundert Millimetern bei einer Leistung von etwa 5 kW. (Daraus errechnete Durchschnittswerte von Bystronic und Trumpf)

  Spezialisierte Anwendungen

  Kein Überblick über den Stand der Technik wäre ohne einen Blick auf einige Spezialanwendungen vollständig. Zwei dieser Anwendungen sind die Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsschneidens und des Dickschnittschneidens, die am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen entwickelt wurden. Durch sorgfältige Kontrolle der Prozessparameter haben die Aachener Teams Edelstahl mit einer Dicke von mehr als 40 mm geschnitten. Die Entwicklung einer Laserschneidmaschine für Dünnstahl ist noch interessanter, da eine ungewöhnliche Art von Laser-Material-Wechselwirkungen im Schnitt auftreten Zone. Es wurde bereits erwähnt, dass beim Schneiden von Metallen generell Verdunstung zu vermeiden ist, da diese viel Energie verbraucht. Wenn dünne Abschnitte mit hoher Geschwindigkeit geschnitten werden, kann der Verdampfungsprozess jedoch den Schneidevorgang unterstützen, indem in der Schneidzone ein lokaler Druck ausgeübt wird, der dabei hilft, die Schmelze auszustoßen. Mit diesem Prinzip hat das Aachener Team bei einer Blechdicke von 0,23 mm Schnittgeschwindigkeiten von über 145 m / min erreicht [2].

Ein neuer Bereich der Weiterentwicklung, der in den letzten zwei oder drei Jahren sehr populär geworden ist, ist die Entwicklung von Laser-Rohrschneidemaschinen. Mittlerweile gibt es Maschinen, die Rohre mit nahezu jedem Querschnitt und Durchmessern bis zu einigen hundert Millimetern verarbeiten können. Das Aufkommen solcher Maschinen hat zu neuen Designeinstellungen geführt. Anstatt beispielsweise zwei Stützbeine und ein Kreuzstück aus drei Teilen herzustellen, kann die gesamte Baugruppe aus einem Rohrstück mit einem Laser geschnitten und vor dem Schweißen einfach in Form gebogen werden - siehe Abbildung 3.

  Abbildung 3. Ein speziell entwickeltes Profil für die Herstellung gekrümmter Kurven

  Außerdem können Holz- und Nutverbindungen eingesetzt werden, um die Montage und Fertigung des Schweißens zu erleichtern (siehe Abbildung 4).

  Abbildung 4: Beim Laserschneiden kann die Verwendung von Nut- und Federverbindungen der Holzbearbeitung erfolgen. (Muster mit freundlicher Genehmigung von BLM: Adige)

  Ein weiteres Gebiet von neuem Interesse ist das Wachstum von LasernMikrobearbeitung. Dieser Anwendungsbereich wirdin der Elektronik und in der Biomedizin immer beliebterFelder. Die beteiligten Laser müssen in der Regel kleiner seinfokussierte Flecken, als mit Infrarot-CO2 undStandard-Nd: YAG-Laser. Aus diesem Grund, Laser dassichtbares oder ultraviolettes Licht erzeugen und eingesetzt werdenDer Schneidevorgang ist eher eine Verdampfung oder Ablationals die Art der Profilierung Abbildung 3.

Fazit

  Seit seinen Anfängen in den frühen 1970er Jahren hat das Laserschneiden stattgefundenkontinuierlich erweitert, um einen ständig wachsenden Markt zu füllenAktie. Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses ist eindeutigoffensichtlich in seinem breiten Anwendungsbereich. Es ist klar, dassinkrementelle Verbesserungen in Software und Hardwaresichert den anhaltenden Erfolg des Prozesses.

Danksagungen

  Die Autoren möchten sich beim Laserschneiden bedankenMaschinenhersteller Bystronic, Trumpf undBLM: Adige für ihre Unterstützung bei der Erstellung dieses Papiers.Danke auch an Laura Adams für die Erstellung dieses Dokuments.