Remote-Schneiden mit dem Faserlaser ermöglicht hohe Konturgeschwindigkeiten

Seit nunmehr einigen Jahren sind auf dem Markt Festkörperlaser hoher Brillanz in verschiedenen Bauformen kommerziell erhältlich. Jede Bauform hat dabei ihre Vorzüge, beim Faserlaser ist aber ein Vorteil besonders hervorzuheben. Es ist die exzellente Strahlqualität bei gleichzeitig sehr hohen Ausgangsleistungen von mehreren Kilowatt. Dadurch lassen sich kleinste Fokusradien auch bei langen Brennweiten realisieren.

Hinzu kommen ein hoher elektrischer Wirkungsgrad sowie das kompakte Design und die hohe Mobilität der Laserstrahlquelle. Dies sind nur einige der vielen Vorteile, die der Faserlaser im Vergleich zu den konventionellen Gaslasern hat. Es ergeben sich somit innerhalb der Materialbearbeitung neue Möglichkeiten und Anwendungsfelder.

Faserlaser ermöglicht höhere Schneidgeschwindigkeit

Untersuchungen am Fraunhofer IWS in Dresden haben gezeigt, dass Schneidgeschwindigkeiten mit Faserlasern im Trennschnitt möglich sind, die deutlich oberhalb der erzielbaren Schneidgeschwindigkeiten mit einem konventionellen Gaslaser liegen. Einen solchen Vergleich zeigt Bild 1. Als typischer Vertreter für einen Gaslaser wurde ein CO2-Laser mit einer Ausgangsleistung von 3 kW genutzt.

Erzielbare Fokusradien sind um den Faktor zehn kleiner

Mit einem Faserlaser wird deutlich geringerer Ausgangsleistung von 1 kW ähnliche Schneidgeschwindigkeiten wie mit einem CO2-Laser deutlich höherer Ausgangsleistung (3 kW) erzielbar sind. Anders formuliert: Bei gleicher Laserleistung sind mit einem Faserlaser deutlich höhere Schneidgeschwindigkeiten möglich. Mit abnehmender Blechdicke kommt dieser Geschwindigkeitsvorteil besonders deutlich zum Tragen. Die Ursachen dafür liegen vor allem in der deutlich kürzeren Wellenlänge des Faserlasers im Vergleich zum CO2-Laser.

Haben die verglichenen Laserarten eine durchaus ähnliche Strahlqualität mit einer nahezu gaussförmigen Intensitätsverteilung, so lassen sich trotzdem mit dem Faserlaser um den Faktor zehn kleinere Fokusradien erzeugen. Somit lassen sich bei gleicher Laserausgangsleistung deutlich höhere Intensitäten am Werkstück erzeugen. Weiterhin sind typische maximale Konturbearbeitungsgeschwindigkeiten von hochdynamischen Schneidanlagen mit Lineardirektantrieben markiert. Das Schneidvermögen des Faserlasers ist jedoch deutlich höher.

Diese Diskrepanz zwischen maximal erreichbarer Schneidgeschwindigkeit und tatsächlicher Konturbearbeitungsgeschwindigkeit zeigt sich speziell im Fein- und Feinstblechbereich. So konnte am Fraunhofer IWS nachgewiesen werden, dass ein Elektroblech von 0,5 mm Dicke bei Einhaltung hoher Qualitätsansprüche mit 100 m/min im geraden Schnitt trennbar ist. Beim Schneiden komplizierter Konturen, wie bei der Fertigung von Stator/Rotor-Paketen für elektrische Antriebe oder Generatoren, mit konventionellen Laserschneidanlagen wird jedoch kaum eine effektive Bearbeitungsgeschwindigkeit von 20 bis 30 m/min überschritten.

Vorteile auf das Schneiden von Konturen übertragen

Ziel der Arbeiten am Fraunhofer IWS ist es daher, die aufgezeigte Differenz so weit wie möglich zu minimieren. Die Schneidgeschwindigkeiten im Feinblechbereich von bis zu 100 m/min für den geraden Schnitt müssen auch beim Schneiden beliebiger Konturen umsetzbar sein. Im Idealfall entspricht dann die effektive Bearbeitungsgeschwindigkeit beim Erzeugen einer Kontur der Schneidgeschwindigkeit im geraden Schnitt des jeweiligen Werkstoffes.

Um diesen Geschwindigkeitsunterschied zu minimieren, untersucht und entwickelt das Fraunhofer IWS ein neues Bearbeitungsverfahren, das sogenannte Remote-Laserschneiden. Die derzeit verfügbaren Faserlaser können aufgrund ihrer sehr guten Strahlqualität selbst metallische Werkstoffe bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten überwiegend durch Materialsublimation trennen. Dabei erfolgt die Bewegung des Laserstrahls durch hochdynamische Scanner. Das Material wird in der Schnittfuge ohne Schneidgasunterstützung abgetragen. Eine Schneidgasdüse ist nicht mehr erforderlich.

Durch den großen Abstand zwischen Scanner und Werkstück bewirken kleine Auslenkungen im Strahlablenksystem große Wegstrecken am Werkstück. Aufgrund dieses Übersetzungsverhältnisses und der relativ kleinen bewegten Massen können hohe Konturgeschwindigkeiten am Werkstück erzielt werden.

Um das Potenzial der Remote-Bearbeitung zu demonstrieren, wurde eine Lochmatrix aus 100 Kreisen mit dem Durchmesser 6,5 mm in unterschiedlichen Blechstärken aus Edelstahl geschnitten. Ein Muster ist in Bild 2 dargestellt. Die Bearbeitungszeit für diese Lochmatrix liegt bei einer Blechdicke von 0,2 mm unter 3 s. Bezogen auf die Schnittlänge ergibt sich daraus eine effektive Konturgeschwindigkeit von über 60 m/min. Erste erfolgreiche Experimente haben gezeigt, dass die Nutzung der Remote-Technik für das Laserschneiden eine zukunftsweisende und hochproduktive Technik für die flexible Bearbeitung von Metallblechen oder -bändern ist.

Edelstahlbleche bis 0,7 mm Dicke können getrennt werden

Mit Hilfe höherer Laserleistung sind auch größere Materialdicken trennbar. Mit einem derzeitig am Markt verfügbaren 3-kW-Singlemode-Faserlaser können Edelstahlbleche bis 0,7 mm Dicke nach diesem Verfahren geschnitten werden. Auch Dichtungsgeometrien, wie in Bild 3 dargestellt, können mit diesem Verfahren generiert werden.

Für das Remote-Laserstrahlschneiden stellen komplizierte Konturen und hohe Genauigkeit kein Problem dar. Die lasergeschnittenen Kanten zeichnen sich durch einen sehr geringen Grat und eine geringe Rautiefe aus. Das bearbeitbare Materialspektrum ist weit gefächert. Infolge der höheren Schneidgeschwindigkeit ist die Wärmeeinflusszone beim Remote-Laserstrahlschneiden geringer als beim klassischen Laserschneiden. Im Vergleich zum Stanzen sind die Vorteile des Laserschneidens in der Einsparung der Kosten für den Werkzeugbau und das Nachschleifen der Stanzwerkzeuge sowie in dem geringeren Geräuschpegel im Fertigungsbereich zu sehen.

Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer IWS sind Qualitätssteigerungen beim Schneiden dickwandiger Bauteile mit Festkörperlasern hoher Brillanz. So wurde der Schneidprozess mit Faser- und Scheibenlasern genauer untersucht, um Kunden wirtschaftliche und qualitätsgerechte Lösungen für ihre Schneidaufgaben anzubieten.

Verfahrensparameter wurden optimal kombiniert

Um einen qualitätsgerechten Schnitt bei gleichzeitig hoher Prozesssicherheit gewährleisten zu können, muss eine optimale Kombination der Verfahrensparameter ermittelt werden. Dabei kommt einigen Einflussgrößen eine entscheidende Rolle zu. Dazu zählen die Parameter Fokuslage, Schneidgasdruck, Schneidgeschwindigkeit, Düsenabstand und Düsengeometrie.

Durch eine intensive Erforschung des Einflusses dieser Parameter war es möglich, optimale Schnittkantenqualitäten bei gleichzeitig hoher Prozesssicherheit zu erzielen. Mit Hilfe von statistischer Versuchsplanung konnten die-se notwendigen Zusammenhänge verifiziert werden. In Abhängigkeit der Parameter Fokuslage und Schneidgasdruck existiert ein Optimum für die jeweilige erreichbare Schneidgeschwindigkeit.

Durch angepasste Prozessparameter ist nun bei fast allen Materialien eine hohe Qualität der Schnittkanten zu erreichen. Außerdem waren Verbesserungen der Systemtechnik notwendig, im speziellen Fall die Entwicklung von Schneiddüsengeometrien, um qualitativ hochwertige Konturschnitte herzustellen. Mit sehr großer Schneidleistung und -qualität sowie hoher Effizienz und aufgrund des dreifach besseren Wirkungsgrades sind Festkörperlaser hoher Brillanz für das Laserstrahlschneiden metallischer Materialien mehr als eine Alternative zum bisher favorisierten CO2-Laser. Die Entwicklung wird auf der Fachmesse Euroblech 2008 vom 21. bis 25. Oktober in Hannover zu sehen sein.

Dipl.-Ing. Matthias Lütke und Dr.-Ing. Thomas Himmer sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Abteilung Laserabtragen und -trennen, in 01277 Dresden. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zum Remote-Laserstrahlschneiden metallischer Werkstoffe werden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „Briolas“ unterstützt.