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 verbessert.

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 die Skizzebene hinein und aus dieser heraus 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 Profilierungsverfahren mit hoher Geschwindigkeit ab. 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 einer Notwendigkeit für komplexe 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

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)

  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 von der Unterseite des Schnitts ausgestoßenmechanische Wirkung des Schneidgasstrahls. Materialien, die auf diese Weise geschnitten werden, umfassen den Großteil derjenigen, die geschmolzen werden können, d. H. Metalle und Thermoplaste. Um diese Materialien erfolgreich zu schneiden, müssen wir unser Schneidgas auswählenTyp und Druck sorgfältig.

  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 verwendeten Gases hängt auch von den zu schneidenden Materialien ab, d. H. Die Entfernung des geschmolzenen Polymers aus der Schnittzone (beim Schneiden von beispielsweise Nylon) erfordert keinen Hochdruckgasstrahl und damit den VersorgungsdruckDer Schneidkopf kann im Bereich von 2–6 bar liegen. Geschmolzener 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 liegenerforderlicher Druck steigt mit der Dicke des Stahls).