Laserstrahlschneiden in der CNC Technik

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Was ist Laserstrahlschneiden?

Das Laserstrahlschneiden bzw. Laserschneiden beschreibt ein trennendes Fertigungsverfahren, bei dem mit Hilfe von gebündeltem Licht spezieller Wellenlänge Werkstücke thermisch getrennt werden.

Dieses Verfahren wird typischerweise bei kleinen bis mittleren Losgrößen wirtschaftlich sinnvoll eingesetzt. Speziell beim Zuschnitt von Blechmaterial ist das Laserstrahlschneiden neben dem Wasserstrahlschneiden die am häufigsten eingesetzte Fertigungsmethode. Das Laserstrahlschneiden besitzt gegenüber dem Stanzen eine wesentlich höhere Flexibilität.

Was genau ist ein Laser und wie funktioniert er?

Der Begriff Laser steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Bereits in den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts legte Albert Einstein die theoretischen Grundlagen für die Erzeugung von Laserstrahlung. In der Technik wird das hochenergetische Licht gezielt durch Anregung eines speziellen laseraktiven Mediums in einer Resonatorkammer erzeugt.

Die Anregung kann z.B. optisch durch eine Halbleiterdiode erfolgen. Das laseraktive Medium sendet nach seiner Anregung das Laserlicht aus, welches in der Resonatorkammer hin und her reflektiert wird und damit wiederum eine erneute Anregung von optischer Strahlung verursacht. Ein Teil der erzeugten Laserstrahlung verlässt die Resonatorkammer und wird über ein optisches System aus Linsen und Spiegeln gebündelt und fokussiert.

Je stärker die Fokussierung des Laserstrahls ist, desto höher ist die so genannte Strahlungsintensität. Prinzip bedingt ist der Wirkungsgrad eines Lasers auf 30% begrenzt. Aus diesem Grund muss die Verlustleistung durch ein geeignetes Kühlsystem vom Resonator abgeführt werden.

„Die Strahlungsintensität eines Lasers entspricht der Strahlleistung pro Fläche“

Besitzt man nun einen Laserstrahl ausreichend hoher Strahlungsintensität, so lässt sich mit diesem nahezu jedes Material verdampfen. Eine technische Anwendung, bei welcher dieses Verfahren eingesetzt wird ist das Laserstrahlschneiden.

Laserschneiden von Werkstücken

laserstrahlschneiden mit einem faserlaser

Laserstrahlschneidem mit dem Faserlaser

Industrielle Laseranlagen zum Schneiden von Werkstücken haben typischerweise eine Leistung von 1 kW – 8 kW. Bei diesen CNC-gesteuerten Maschinen wird die Laseroptik an der Z-Achse befestigt, damit der Laser in jeder Raumrichtung über dem Werkstück positioniert werden kann.

Während dem Schneidvorgang verfährt die Laseroptik wenige mm über dem Werkstück und durch die hohe Energie des Lichtstrahls wird der Werkstoff an den Schnittkanten gezielt verdampft. Zum Schutz vor einer Verunreinigung der Laseroptik wird Schutzgas eingesetzt. Dieses Schutzgas (meist Argon oder Stickstoff) strömt mit Druck konzentrisch aus der Strahlquelle und verhindert einen Kontakt der Schweißspritzer mit der Strahlquelle. Heutige Hochleistungsstrahlquellen erreichen Schnittgeschwindigkeiten weit über 20 m/min*. Mit Hilfe des Laserstrahlschneidens können bei entsprechendem Energieeintrag Blechstärken bis zu 50 mm geschnitten werden. Die am häufigsten eingesetzten Laserstrahlquellen sind der Nd:YAG und der CO2-Laser.

*[Quelle: Hügel/Graf – Laser in der Fertigung: Strahlquellen, Systeme, Fertigungsverfahren]

Weitere technische Anwendungen des Lasers:

  • Laserstrahlschweißen
    Thermisches Aufschmelzen von Material. Das Werkstück verbindet sich stoffschlüssig mit seinem Fügepartner
  • Lasercusing
    Additive Fertigung von 3D Teilen durch Laser
  • Laserbeschriftung
    „Aufbrennen“ von Text an Kunststoffen und metallischen Werkstücken
  • Optische Messtechnik
    Schwingungsmessungen mit Laserdioden
  • Consumer Elektronik
    Findet z.B. Anwendung bei DVD-Playern

Gefahrenhinweise bei der Bedienung einer Laserstrahlquelle

Achtung: Laserstrahlung ist in der Regel für das menschliche Auge unsichtbar. Tragen Sie eine für die Wellenlänge des Lasers auch geeignete Schutzbrille! Aus Sicherheitsgründen darf der Bediener keinen direkten Sichtkontakt zum Laser besitzen. Selbst Streulicht und reflektierte Strahlung kann zu einer irreparablen Schädigung des Augenlichts führen.

Sinnvollerweise wird die Strahlquelle in einem vom Bediener abgetrennten Bereich bzw. Raum positioniert und die Strahlquelle lässt sich nur nach Schließen des Sicherheitsvorhangs einschalten.

 

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