Die Einführung des Laserschneidens

Laserschneiden ist eine Technologie, bei der Materialien mithilfe eines Lasers verdampft werden, wodurch eine Schnittkante entsteht.Während es normalerweise für industrielle Fertigungsanwendungen verwendet wird, wird es jetzt von Schulen, kleinen Unternehmen, Architekten und Bastlern verwendet.Laserschneiden funktioniert, indem die Ausgabe eines Hochleistungslasers am häufigsten durch Optiken geleitet wird.Die Laseroptik und CNC (Computer Numerical Control) werden verwendet, um den Laserstrahl auf das Material zu lenken.Ein kommerzieller Laser zum Schneiden von Materialien verwendet ein Bewegungssteuerungssystem, um einem CNC- oder G-Code des Musters zu folgen, das auf das Material geschnitten werden soll.Der fokussierte Laserstrahl wird auf das Material gerichtet, das dann entweder schmilzt, verbrennt, verdampft oder von einem Gasstrahl weggeblasen wird[1] und eine Kante mit hochwertiger Oberflächengüte hinterlässt

Geschichte
1965 wurde die erste Produktions-Laserschneidmaschine zum Bohren von Löchern in Diamantmatrizen eingesetzt.Diese Maschine wurde vom Western Electric Engineering Research Center hergestellt.[3]1967 leisteten die Briten Pionierarbeit beim laserunterstützten Sauerstoffstrahlschneiden für Metalle.[4]In den frühen 1970er Jahren wurde diese Technologie in Produktion genommen, um Titan für Luft- und Raumfahrtanwendungen zu schneiden.Gleichzeitig wurden CO2-Laser zum Schneiden von Nichtmetallen wie Textilien angepasst, da CO2-Laser damals nicht stark genug waren, um die Wärmeleitfähigkeit von Metallen zu überwinden.[5]

Verfahren

Industrielles Laserschneiden von Stahl mit über die CNC-Schnittstelle programmierten Schnittanweisungen
Der Laserstrahl wird im Allgemeinen mit einer hochwertigen Linse auf die Arbeitszone fokussiert.Die Qualität des Strahls hat einen direkten Einfluss auf die fokussierte Spotgröße.Der schmalste Teil des fokussierten Strahls hat im Allgemeinen einen Durchmesser von weniger als 0,0125 Zoll (0,32 mm).Je nach Materialstärke sind Schnittbreiten von nur 0,004 Zoll (0,10 mm) möglich.[6]Um von einer anderen Stelle als der Kante aus mit dem Schneiden beginnen zu können, wird vor jedem Schnitt ein Einstich gemacht.Beim Durchbohren wird normalerweise ein gepulster Hochleistungslaserstrahl verwendet, der langsam ein Loch in das Material bohrt, was beispielsweise bei 13 mm dickem Edelstahl etwa 5 bis 15 Sekunden dauert.

Die parallelen Strahlen kohärenten Lichts von der Laserquelle fallen oft in den Bereich zwischen 0,06–0,08 Zoll (1,5–2,0 mm) im Durchmesser.Dieser Strahl wird normalerweise durch eine Linse oder einen Spiegel auf einen sehr kleinen Fleck von etwa 0,001 Zoll (0,025 mm) fokussiert und intensiviert, um einen sehr intensiven Laserstrahl zu erzeugen.Um beim Konturschneiden eine möglichst glatte Oberfläche zu erzielen, muss die Richtung der Strahlpolarisation gedreht werden, während sie um den Umfang eines konturierten Werkstücks herumläuft.Beim Blechschneiden beträgt die Brennweite normalerweise 38–76 mm (1,5–3 Zoll).[7]

Zu den Vorteilen des Laserschneidens gegenüber dem mechanischen Schneiden gehören eine einfachere Werkstückhaltung und eine geringere Verschmutzung des Werkstücks (da keine Schneidkante vorhanden ist, die durch das Material verunreinigt werden oder das Material verunreinigen kann).Die Präzision kann besser sein, da der Laserstrahl während des Prozesses nicht verschleißt.Es besteht auch eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass sich das geschnittene Material verzieht, da Lasersysteme eine kleine Wärmeeinflusszone haben.[8]Einige Materialien lassen sich auch mit herkömmlicheren Mitteln nur sehr schwer oder gar nicht schneiden.

Das Laserschneiden von Metallen hat gegenüber dem Plasmaschneiden die Vorteile, dass es präziser[9] ist und beim Schneiden von Blechen weniger Energie verbraucht;Die meisten Industrielaser können jedoch nicht durch die größere Metalldicke schneiden, die Plasma kann.Neuere Lasermaschinen mit höherer Leistung (6000 Watt im Gegensatz zu den 1500 Watt der frühen Laserschneidmaschinen) nähern sich Plasmamaschinen in ihrer Fähigkeit, dicke Materialien zu schneiden, aber die Kapitalkosten solcher Maschinen sind viel höher als die von Plasma Schneidemaschinen, die dicke Materialien wie Stahlplatten schneiden können.[10]

Typen

4000 Watt CO2-Laserschneider
Es gibt drei Haupttypen von Lasern, die beim Laserschneiden verwendet werden.Der CO2-Laser eignet sich zum Schneiden, Bohren und Gravieren.Die Laser Neodym (Nd) und Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) sind baugleich und unterscheiden sich nur in der Anwendung.Nd wird zum Bohren und dort verwendet, wo hohe Energie, aber geringe Wiederholung erforderlich sind.Der Nd:YAG-Laser wird dort eingesetzt, wo sehr hohe Leistungen benötigt werden, sowie zum Bohren und Gravieren.Zum Schweißen können sowohl CO2- als auch Nd/Nd:YAG-Laser verwendet werden.[11]

CO2-Laser werden üblicherweise „gepumpt“, indem ein Strom durch das Gasgemisch geleitet wird (DC-erregt) oder Hochfrequenzenergie verwendet wird (HF-erregt).Die RF-Methode ist neuer und erfreut sich zunehmender Beliebtheit.Da DC-Designs Elektroden innerhalb des Hohlraums erfordern, können sie auf Elektrodenerosion und Plattierung von Elektrodenmaterial auf Glaswaren und Optiken stoßen.Da HF-Resonatoren externe Elektroden haben, sind sie für diese Probleme nicht anfällig.CO2-Laser werden zum industriellen Schneiden vieler Materialien verwendet, darunter Titan, Edelstahl, Baustahl, Aluminium, Kunststoff, Holz, Holzwerkstoffe, Wachs, Stoffe und Papier.YAG-Laser werden hauptsächlich zum Schneiden und Ritzen von Metallen und Keramiken verwendet.[12]

Neben der Stromquelle kann auch die Art des Gasflusses die Leistung beeinflussen.Gängige Varianten von CO2-Lasern sind schnelle axiale Strömung, langsame axiale Strömung, Querströmung und Slab.In einem schnellen Axialströmungsresonator wird das Gemisch aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff mit hoher Geschwindigkeit durch eine Turbine oder ein Gebläse zirkuliert.Querstromlaser zirkulieren das Gasgemisch mit einer geringeren Geschwindigkeit und erfordern ein einfacheres Gebläse.Platten- oder diffusionsgekühlte Resonatoren haben ein statisches Gasfeld, das keine Druckbeaufschlagung oder Glaswaren erfordert, was zu Einsparungen bei Ersatzturbinen und Glaswaren führt.

Der Lasergenerator und die externe Optik (einschließlich der Fokuslinse) müssen gekühlt werden.Je nach Systemgröße und Konfiguration kann die Abwärme durch ein Kühlmittel oder direkt an die Luft übertragen werden.Wasser ist ein häufig verwendetes Kühlmittel, das normalerweise durch einen Kühler oder ein Wärmeübertragungssystem zirkuliert.

Laser Microjet ist ein wasserstrahlgeführter Laser, bei dem ein gepulster Laserstrahl in einen Niederdruck-Wasserstrahl eingekoppelt wird.Dieser wird verwendet, um Laserschneidfunktionen auszuführen, während der Wasserstrahl verwendet wird, um den Laserstrahl ähnlich wie eine optische Faser durch interne Totalreflexion zu führen.Die Vorteile davon sind, dass das Wasser auch Schmutz entfernt und das Material kühlt.Weitere Vorteile gegenüber dem herkömmlichen „trockenen“ Laserschneiden sind hohe Schneidegeschwindigkeiten, parallele Schnittfugen und omnidirektionales Schneiden.[13]

Faserlaser sind eine Art Festkörperlaser, die in der Metallschneideindustrie schnell wächst.Im Gegensatz zu CO2 verwendet die Fasertechnologie ein festes Verstärkungsmedium, im Gegensatz zu einem Gas oder einer Flüssigkeit.Der „Seed-Laser“ erzeugt den Laserstrahl und wird dann in einer Glasfaser verstärkt.Mit einer Wellenlänge von nur 1064 Nanometern erzeugen Faserlaser eine extrem kleine Punktgröße (bis zu 100-mal kleiner im Vergleich zu CO2), was sie ideal zum Schneiden von reflektierendem Metallmaterial macht.Dies ist einer der Hauptvorteile von Fasern im Vergleich zu CO2.[14]

Zu den Vorteilen des Faserlaserschneiders gehören:

Schnelle Bearbeitungszeiten.
Reduzierter Energieverbrauch & Rechnungen – durch höhere Effizienz.
Größere Zuverlässigkeit und Leistung – keine Optiken zum Einstellen oder Ausrichten und keine Lampen zum Austauschen.
Minimale Wartung.
Die Fähigkeit, hochreflektierende Materialien wie Kupfer und Messing zu verarbeiten
Höhere Produktivität – niedrigere Betriebskosten bieten eine höhere Rendite für Ihre Investition.[15]

Methoden
Es gibt viele verschiedene Methoden beim Schneiden mit Lasern, wobei verschiedene Arten zum Schneiden verschiedener Materialien verwendet werden.Einige der Verfahren sind Verdampfung, Schmelzen und Blasen, Schmelzblasen und Brennen, thermische Spannungsrissbildung, Ritzen, Kaltschneiden und brennstabilisiertes Laserschneiden.

Verdampfungsschneiden
Beim Verdampfungsschneiden erhitzt der fokussierte Strahl die Materialoberfläche bis zum Flammpunkt und erzeugt ein Schlüsselloch.Das Schlüsselloch führt zu einem plötzlichen Anstieg des Absorptionsvermögens, wodurch das Loch schnell vertieft wird.Wenn sich das Loch vertieft und das Material kocht, erodiert der erzeugte Dampf, die geschmolzenen Wände werden herausgeblasen und vergrößern das Loch weiter.Nicht schmelzende Materialien wie Holz, Kohlenstoff und duroplastische Kunststoffe werden normalerweise mit dieser Methode geschnitten.
Schmelzen und blasen
Beim Schmelz- und Blasschneiden oder Schmelzschneiden wird Hochdruckgas verwendet, um geschmolzenes Material aus dem Schneidbereich zu blasen, wodurch der Energiebedarf erheblich verringert wird.Zuerst wird das Material auf den Schmelzpunkt erhitzt, dann bläst ein Gasstrahl das geschmolzene Material aus der Schnittfuge, wodurch die Notwendigkeit einer weiteren Erhöhung der Materialtemperatur vermieden wird.Materialien, die mit diesem Verfahren geschnitten werden, sind normalerweise Metalle.

Thermische Spannungsrisse
Spröde Materialien sind besonders empfindlich gegenüber thermischem Bruch, ein Merkmal, das bei thermischer Spannungsrissbildung ausgenutzt wird.Ein Strahl wird auf die Oberfläche fokussiert, was eine lokalisierte Erwärmung und Wärmeausdehnung bewirkt.Dadurch entsteht ein Riss, der dann durch Bewegen des Balkens geführt werden kann.Der Riss kann in der Größenordnung von m/s verschoben werden.Es wird normalerweise beim Schneiden von Glas verwendet.

Stealth-Dicing von Siliziumwafern
Weitere Informationen: Wafer-Dicing
Die Trennung mikroelektronischer Chips, wie sie in der Halbleiterbauelementherstellung hergestellt werden, von Siliziumwafern kann durch das sogenannte Stealth-Dicing-Verfahren durchgeführt werden, das mit einem gepulsten Nd:YAG-Laser arbeitet, dessen Wellenlänge (1064 nm) gut an die Elektronik angepasst ist Bandlücke von Silizium (1,11 eV oder 1117 nm).

Reaktives Schneiden
Auch „brennstabilisiertes Laserbrennschneiden“, „Brennschneiden“ genannt.Reaktives Schneiden ist wie Sauerstoffbrennschneiden, jedoch mit einem Laserstrahl als Zündquelle.Wird hauptsächlich zum Schneiden von Kohlenstoffstahl in Dicken über 1 mm verwendet.Mit diesem Verfahren können sehr dicke Stahlplatten mit relativ geringer Laserleistung geschnitten werden.

Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheit
Laserschneider haben eine Positioniergenauigkeit von 10 Mikrometern und eine Wiederholgenauigkeit von 5 Mikrometern.

Die Standardrauheit Rz steigt mit der Blechdicke, nimmt aber mit Laserleistung und Schnittgeschwindigkeit ab.Beim Schneiden von kohlenstoffarmem Stahl mit einer Laserleistung von 800 W beträgt die Standardrauheit Rz 10 μm für Blechdicken von 1 mm, 20 μm für 3 mm und 25 μm für 6 mm.

{\displaystyle Rz={\frac {12,528\cdot S^{0,542}}{P^{0,528}\cdot V^{0,322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12,528\cdot S^{0,542 }}{P^{0,528}\cdot V^{0,322}}}}
Wobei: {\displaystyle S=}S= Stahlblechdicke in mm;{\displaystyle P=}P= Laserleistung in kW (einige neue Laserschneider haben eine Laserleistung von 4 kW);{\displaystyle V=}V= Schnittgeschwindigkeit in Metern pro Minute.[16]

Dieser Prozess ist in der Lage, ziemlich enge Toleranzen einzuhalten, oft innerhalb von 0,001 Zoll (0,025 mm).Die Teilegeometrie und die mechanische Solidität der Maschine haben viel mit Toleranzfähigkeiten zu tun.Die typische Oberflächenbeschaffenheit, die sich aus dem Laserstrahlschneiden ergibt, kann zwischen 125 und 250 Mikrozoll (0,003 mm bis 0,006 mm) liegen.[11]

Maschinenkonfigurationen

Fliegender Optiklaser mit zwei Paletten

Laserkopf mit fliegender Optik
Im Allgemeinen gibt es drei verschiedene Konfigurationen von industriellen Laserschneidmaschinen: Bewegtes Material, Hybrid- und fliegende Optiksysteme.Diese beziehen sich auf die Art und Weise, wie der Laserstrahl über das zu schneidende oder zu bearbeitende Material bewegt wird.Für all diese werden die Bewegungsachsen typischerweise als X- und Y-Achse bezeichnet.Wenn der Schneidkopf steuerbar ist, wird er als Z-Achse bezeichnet.

Bewegliche Materiallaser haben einen stationären Schneidkopf und bewegen das Material darunter.Dieses Verfahren bietet einen konstanten Abstand vom Lasergenerator zum Werkstück und einen einzigen Punkt, an dem Schneideabfälle entfernt werden.Es erfordert weniger Optiken, erfordert jedoch das Bewegen des Werkstücks.Diese Art von Maschine hat tendenziell die wenigsten Strahlführungsoptiken, ist aber tendenziell auch die langsamste.

Hybridlaser bieten einen Tisch, der sich in einer Achse (normalerweise der X-Achse) bewegt und den Kopf entlang der kürzeren (Y) Achse bewegt.Dies führt zu einer konstanteren Strahlenführungsweglänge als eine fliegende optische Maschine und kann ein einfacheres Strahlenführungssystem ermöglichen.Dies kann zu einem geringeren Leistungsverlust im Versorgungssystem und mehr Kapazität pro Watt als bei Geräten mit fliegender Optik führen.

Laser mit fliegender Optik verfügen über einen stationären Tisch und einen Schneidkopf (mit Laserstrahl), der sich in beiden horizontalen Richtungen über das Werkstück bewegt.Fliegende Optikschneider halten das Werkstück während der Bearbeitung stationär und benötigen oft keine Materialspannung.Die bewegte Masse ist konstant, sodass die Dynamik nicht durch unterschiedliche Werkstückgrößen beeinflusst wird.Maschinen mit fliegender Optik sind die schnellste Art, was beim Schneiden dünnerer Werkstücke von Vorteil ist.[17]

Maschinen mit fliegender Optik müssen ein Verfahren anwenden, um die sich ändernde Strahllänge vom Schneiden im Nahfeld (nahe am Resonator) zum Schneiden im Fernfeld (weit entfernt vom Resonator) zu berücksichtigen.Gängige Verfahren zur Steuerung dieser umfassen Kollimation, adaptive Optik oder die Verwendung einer Achse mit konstanter Strahllänge.

Fünf- und Sechs-Achs-Maschinen erlauben auch das Schneiden umgeformter Werkstücke.Darüber hinaus gibt es verschiedene Methoden zum Ausrichten des Laserstrahls auf ein geformtes Werkstück, zum Beibehalten eines geeigneten Fokusabstands und Düsenabstands usw.

Pulsierend
Gepulste Laser, die kurzzeitig einen starken Energiestoß liefern, sind bei einigen Laserschneidverfahren sehr effektiv, insbesondere beim Lochstechen oder wenn sehr kleine Löcher oder sehr niedrige Schnittgeschwindigkeiten erforderlich sind, da bei Verwendung eines konstanten Laserstrahls Die Hitze könnte den Punkt erreichen, an dem das gesamte zu schneidende Stück schmilzt.

Die meisten Industrielaser können CW (kontinuierliche Welle) unter NC-Programmsteuerung (Numerical Control) pulsieren oder schneiden.

Doppelpulslaser verwenden eine Reihe von Pulspaaren, um die Materialabtragsrate und die Lochqualität zu verbessern.Im Wesentlichen entfernt der erste Impuls Material von der Oberfläche und der zweite verhindert, dass der Auswurf an der Seite des Lochs oder Schnitts haftet.[18]