Wie schneiden Laserstrahlen durch Objekte?

Laserstrahlen haben die beeindruckende Fähigkeit, Metall, Kunststoff, Holz und sogar Glas zu durchtrennen. Aber wie ist das möglich? Die Antwort liegt in den einzigartigen Eigenschaften des Laserlichts.

Laserlicht ist nicht einfach ein Lichtstrahl, sondern ein kohärenter Lichtstrahl. Das bedeutet, dass die Photonen des Lichts dieselbe Wellenlänge und Phase haben und sich in dieselbe Richtung bewegen. Diese Kohärenz verleiht dem Laserlicht seine hohe Energiedichte, die es zum Schneiden befähigt.

Wenn ein Laserstrahl auf ein Material fokussiert wird, wird die Energie der Photonen auf die Atome des Materials übertragen. Dies führt zu einem Temperaturanstieg, der das Material zum Schmelzen oder Verdampfen bringen kann. Die genaue Art des Schneidens hängt von der Art des Materials und den Parametern des Lasers ab.

Schneidmechanismen für das Laserschneiden

Beim Laserschneiden werden Bleche durch drei Hauptmechanismen geschnitten: Schmelzen, Verdampfen und Sublimation. Die Art des Schneidmechanismus hängt von der Art des Materials, den Laserparametern (z. B. Leistung, Wellenlänge, Brennpunktgröße) und den Schneidbedingungen (z. B. Art des Hilfsgases und Durchflussmenge) ab.

Schmelzen:

Dies ist der gebräuchlichste Schneidmechanismus und eignet sich am besten zum Schneiden dickerer Bleche (z. B. Stahl, Edelstahl). Die Energie des Laserstrahls erhitzt das Metall lokal über den Schmelzpunkt, wodurch ein Schmelzbad entsteht. Die Zirkulation von Schneidgas (z. B. Sauerstoff, Stickstoff) in der Schneidzone entfernt das geschmolzene Metall und hilft, Schlackenbildung zu vermeiden. Die Schneidgeschwindigkeit hängt von der Laserleistung und der Dicke der Bleche ab.

Vorteile:

  • Hohe Schnittgeschwindigkeit
  • Geeignet zum Schneiden dickerer Bleche
  • Relativ geringe Kosten

Nachteile:

  • Minimale thermische Belastungszone (MTEZ)
  • Schlackenbildung ist möglich
  • Nicht auf alle Metalle anwendbar

Verdampfung:

Verdampfen ist der Schneidmechanismus, bei dem die Laserenergie ausreicht, um das Metall in der Schneidzone zu verdampfen. Dieser Mechanismus eignet sich zum Schneiden dünnerer Bleche (z. B. Aluminium, Kupfer) und führt zu einem präziseren Schnitt als das Schmelzen. Die Schneidgeschwindigkeit hängt von der Laserleistung und der Dicke der Bleche ab.

Vorteile:

  • Präzises Schneiden
  • Minimum HTEZ
  • Glatte Schnittfläche
  • Weniger Verschlackung

Nacheile:

  • Niedrigere Schnittgeschwindigkeit
  • Geeignet zum Schneiden dünnerer Bleche
  • Höhere Kosten

Sublimation:

Bestimmte Materialien, wie Holz und Kunststoffe, werden beim Schneiden mit dem Laser direkt sublimiert, d. h. von einem festen Material in Dampf umgewandelt. Dieser Schneidemechanismus führt zu einem präzisen und sauberen Schnitt mit minimalen thermischen Auswirkungen. Die Schnittgeschwindigkeit hängt von der Laserleistung und der Art des Materials ab.

Vorteile:

  • Präziser und sauberer Schnitt
  • Minimum HTEZ
  • Keine Verschlackung

Nacheile:

  • Begrenzte Auswahl an Materialien
  • Niedrigere Schnittgeschwindigkeit

Der Einfluss der Schnittparameter:

Lasertyp und Wellenlänge, grüner Laser, Faserlaser und Co2-Laser

Die Qualität und Effizienz des Laserschneidens wird von einer Reihe von Parametern beeinflusst, darunter:

  • Laserleistung: Die Laserleistung beeinflusst die Schnittgeschwindigkeit, die Schnitttiefe und die Schnittqualität.
  • Wellenlänge: Die Wellenlänge des Lasers beeinflusst die Wechselwirkung mit dem Material und die Schneidleistung.
  • Größe des Brennpunkts: Die Größe des Brennpunkts beeinflusst die Breite der Schnittfuge und die Zone der thermischen Wirkung.
  • Schnittgeschwindigkeit: Die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst die Qualität des Schnitts und die Schnittkosten.
  • Art und Durchflussmenge des Hilfsgases: Art und Durchflussmenge des Hilfsgases beeinflussen die Schmelzeentfernung, die Schnittqualität und die Schnittkosten.

Die Optimierung der Laserschneidparameter für das Material und die gewünschte Schnittqualität ist notwendig.

Tabelle: welcher Laser für welche Materialien

LasertypSchneidbare MaterialienGravierbare Materialien
CO2-LaserHolz, Plexiglas, Papier, Leder, Textilien, Schaumstoffkarton, Gummi, Kunststoffe (z.B. Acryl, PVC, PET)Holz, Plexiglas, Papier, Leder, Textilien, Stein, Glas, dünnes Metall, Kunststoffe (z.B. Acryl, PVC, PET)
Nd:YAG-LaserMetall (z.B. Stahl, Edelstahl, Aluminium), Schichtholz, Stein, GlasMetall (z.B. Stahl, Edelstahl, Aluminium), Stein, Glas, Keramik
Hochleistungs-CO2-LaserMetall, Schichtholz, Stein, GlasMetall, Schichtholz, Stein, Glas
FaserlaserMetall, Schichtholz, Stein, GlasMetall, Stein, Glas, Keramik
UV-LaserKunststoff (z.B. PP, PE, PTFE), Folie, PapierKunststoff (z.B. PP, PE, PTFE), Folie, Papier

Zusammenfassung

Der Laserstrahl schneidet durch Erhöhung der Temperatur: Er schmilzt dickeres Metall (Schmelzen), verdampft dünneres Metall (Verdampfen) und sublimiert Kunststoff. Die Schneidmethode hängt vom Material und von der Lasereinstellung ab. Das Laserschneiden ist ein präzises, vielseitiges und automatisiertes Verfahren, das in vielen Branchen unerlässlich ist.

Quellen:

https://mellowpine.com/laser/co2-laser-cutters-how-do-they-work/

https://engineeringproductdesign.com/knowledge-base/laser-cutting/

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *