Laserschneiden als Alternative zum Ätzen

Lasern. Laserschneiden. Lasertechnik.


Laserschneiden arbeitet ebenso wie das Ätzverfahren mit einer enormen Genauigkeit. Insbesondere die Laser Schnittgeschwindigkeit, die Genauigkeit der Laser-Konturen und die Verzugsarmut sowie ein hoher Automatisierungsgrad beim Lasern sollten hier miteinander verglichen werden.

Lasern ist möglich, CNC-gestützt durch Hochleistungs-Festkörperlaser im Feinschnittbereich sowie CNC-gestützt auf mehrachsigen Bearbeitungszentren
mit CO2 – Lasern.

Allgemeines zum Thema Laser:

Die Bezeichnung Laser ist eine Abkürzung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Die deutschsprachige Übersetzung lautet: Lichtverstärkung durch angeregte Strahlungsaussendung).

Bekannt sind vor allem die Anwendungen der Lasertechnologie, die in den letzten 20 Jahren entwickelt und weiterenwickelt wurden. Die Theorie, die der Lasertechnologie zugrundeliegt, wurde im Jahr 1957 von Gordon Gould geprägt. Der erste Laser war dann im Jahr 1960 einsatzbereit (bei der Hughes Aircraft Corporation). Bereits um den Jahrhundertwechsel leistete Albert Einstein erste Grundlagen zur Laser-Theorie, in Form von Gleichungen. Diese Gleichungen beschreiben den physikalischen Mechanismus, durch den Laseraktivität auftreten kann.

Nach 1960 interessierten sich immer mehr Unternehmen und Regierungseinrichtungen für die Lasertechnik und begannen ihrerseits mit Forschungs- und Entwicklungsprojekten auf diesem Gebiet, ohne ein konkretes Anwendungsgebiet in Sicht zu haben.

Mittlerweile können Laser für spezielle Aufgaben entwickelt werden, ihre Eigenschaften sind so ausgebildet, dass sie für ganz konkrete Anwendungen zum Einsatz kommen. Laser besitzen ein breites Anwendungsspektrum: z. B. in der Chirurgie, zum Schneiden und Schweißen von Metall, in der Chirurgie, der Datenerfassung und -weitergabe, Codieren und Markieren von Produkten an Fertigungslinien, Holographie, genaues Messen physikalischer Parameter, schonende Testverfahren, Codieren und Markieren von Produkten an Fertigungslinien u.v.a.m. Markierungssysteme auf Laser-Basis kamen vor ca.30 Jahren auf den Markt.

Die frühen Laser-Systeme wurden für „wissenschaftliche“ Aufgaben wie Mess- und Versuchsanordnungen verwendet und waren nicht darauf ausgerichtet, den oft sehr staubigen und nassen Bedingungen im rauhen Produktionsalltag standzuhalten. Außerdem waren sie nicht für den Dauereinsatz (24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche) geeignet, was wir heute voraussetzen. Der Schwerpunkt der Entwicklung lag daher eher auf der Produktion widerstands- und leistungsfähigerer Systeme, als auf der Entdeckung grundlegend neuer Formen dieser Technologie.

Grundprinzip

Die Wirkung eines Lasers hat ihren Ursprung im Lasermedium. Wird mit einer Energiequelle dem Lasermedium (Gas oder Feststoff) Energie zugeführt (das sogenannte Pumpen), kann das Lasermedium spontan Licht einer bestimmten Farbe aussenden oder Licht dieser Farbe verstärken. Findet die Emission des Lichtes spontan statt, werden alle Lichtteilchen in alle Richtungen emittiert (ausgestrahlt). Wird um das Lasermedium eine bestimmte Spiegelanordnung errichtet (der sogenannte Laserresonator), wird ein Teil des emittierten Lichtes wieder in das Medium zurückgelenkt. Dadurch wird ein Prozess in Gang gesetzt, der sich ständig wiederholt. Das Licht, das immer wieder ausgestrahlt und reflektiert wird, wird dadurch verstärkt und exakt reproduziert. Die bereits vorhandenen Lichtteilchen (Photonen) und die Lichtteilchen, die neu entstehen, haben die gleiche Farbe und schwingen gemeinsam in der gleichen Frequenz. Die Ausstrahlung (Emission) der Photonen wird durch identische vorhandene Photonen stimuliert. Deshalb nennt man diesen Vorgang stimulierte Emission. Auf diese Weise entsteht ein Lichtstrahl, bei dem alle beteiligten Photonen die gleiche Farbe haben und synchron schwingen, ein sogenanntes kohärentes Licht. Der nutzbare Laserstrahl entsteht dadurch, das einer der Spiegel nicht vollständig reflektiert, so dass ein kleiner Teil des Lichtes die Anordnung verlassen kann, so viel, wie die Pumpquelle und das Lasermedium nachliefern können.

Laser-Geräte können ein Licht erzeugen, das über unterschiedliche Eigenschaften in hoher spektraler Reinheit verfügt, wenn nötig auch vollkommen gegensätzliche Eigenschaften. In den Resonatoren (der Spiegelanordnung) wird eine große räumliche, bzw. transversale Kohärenz (d.h. gleiche Schwingung und Farbe aller Lichtteilchen) erzeugt. Dadurch lässt sich Laserlicht besonders gut zu einem gebündelten Laserstrahl fokussieren. Das führt zu einem scharf gebündelten Strahl, der über ein Leistungsvermögen in vorher nicht denkbarer Qualität und Quantität verfügt.´

Bestandteile eines Lasers

Alle Laser arbeiten nach dem gleichen Prinzip, Obwohl sich Laser nach ihrer Art, ihrer Konstruktionsweise, den verwendeten Materialien und den Eigenschaften des Laserstrahls unterscheiden, so arbeiten sie doch alle nach dem gleichen Prinzip. Die entscheidenden Hauptbestandteile haben alle Laserarten gemeinsam.

Jeder Laser besteht grob aus drei Teilen:

1. Das Laser-Medium:

Es kann sein:
ein Gas, z. B. Kohlendioxid (CO²),
ein festes Material wie z.B. Nd-YAG (Neodymium Yttrium Aluminium Granat)
oder ein flüssiges Material, z.B. Farbstoff.

Eine der Haupteigenschaften eines Lasermediums ist, dass es Energie in einer bestimmten Weise speichern kann, (Populationsinversion, die Teilchen können in einen angeregten Zustand versetzt werden, in dem sie Licht abgeben). Das Lasermedium insgesamt gibt Licht (Photonen) in Form übermäßig gespeicherter Energie ab.

2. Der Erregungsmechanismus:

Die Zufuhr von Energie, die verwendet wird, um die Partikel des Lasermediums zu erregen (Atome oder Moleküle) bezeichnet man als Erregungsmechanismus. Energie für diesen Vorgang kann z.B. aus elektrischem Strom, Entladung, Lichtquelle usw. herangezogen werden.

3. Der optische Resonator:

Mit dieser Anordnung wird die gespeicherte Energie in Form eines Laserstrahls aus dem Lasermedium herausgeleitet. Der optische Resonator besteht in der einfachste Bauform aus einem Spiegel an jedem Ende des Lasermediums.

Die Spiegel befinden sich dabei parallel zueinander, so dass Photonen, die an der Achse der beiden Spiegel entlang laufen, ständig zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert werden (resonieren). Einer der Spiegel reflektiert den Lichtstrahl zu 100%, während der andere nur teilweise reflektiert, so dass einige Photonen durchgelassen werden, die dann als Laserstrahl aus der Anordnung ausstrahlen können.

Anwendungsbeispiel: Das Laserschneiden

Das Laserschneiden stellt ein thermisches Trennverfahren für plattenförmiges Material (z.B. Metallbleche, seltener auch Holzplatten und vergleichbare Materialien) mittels eines Lasers dar.

Wo komplexe Umrisse und eine präzise und schnelle Verarbeitung (typisch 10 m/min) gefordert sind, wird dieses Verfahren eingesetzt. Das Laserschneiden hat gegenüber alternativen Verfahren wie etwa dem Stanzen den Vorteil, daß es bereits bei sehr niedrigen Losgrößen wirtschaftlich einsetzbar ist.

Mittlerweile bieten die Hersteller auch kombinierte Stanz- und Laser-Maschinen an, die die Vorteile des Laserschneidens mit denen des Stanzens kombinieren. Diese Maschinen ermöglichen in der Produktion sowohl umformende Operationen mit dem Stanzkopf als auch das Auslasern beliebiger Konturen.
Beim Laserschneiden kommen meist fokussierte Hochleistungslaser, also entsprechende Gaslaser (meist der CO2-Laser ) oder auch Festkörperlaser zum Einsatz.

Man unterscheidet beim Laserschneiden zwei Verfahren:

Zum einen das Schmelzschneiden, bei dem die Schnittnaht erschmolzen wird und anschließend mit einem Gasstrahl aus der Schnittfuge geblasen wird.

Zum anderen das Brennschneiden, bei dem Sauerstoff als Schneidgas eingesetzt wird. Auf diese Weise wird durch Oxidation die erodierende Wirkung und damit die Eindringtiefe des Schnittes erhöht.

Wenn das erhitzte Material beim Laserschneiden nicht schmilzt, sondern verdampft, spricht man vom Sublimierschneiden.

Die maximal verarbeitbaren Plattenstärken für Metall liegen derzeit bei einer Stärke von etwa 25 mm. Das Verfahren des Laserschneidens hat den Vorteil, daß, die entstehende Schnittfuge ist gratfrei und sie deshalb nicht nachgearbeitet werden muss.

Werden komplexe 3-D-Schneidkonturen am Rechner programmiert, kommen werden leistungsfähige 3D-CAD/CAM-Systeme zum Einsatz. So können z.B. Tiefziehteile oder Bauteile für Fahrzeug-Innenverkleidungen mit großer Effizienz programmiert und produziert werden.

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