Laserschneidparameter: Der endgültige Leitfaden

Das Laserschneiden wurde vor zwei Jahrzehnten auf den Markt gebracht und gilt bereits als hochmoderne Technologie, die das Materialschneiden in zahlreichen Branchen verändert hat. Es ist eine faszinierende Technologie, die sich jeden Tag weiterentwickelt. Das Erlernen der Parameter, die für eine optimale Arbeitsweise eine Rolle spielen, ist wichtig, um die Anwendungen und Verwendungszwecke besser zu verstehen.

Dieser ausführliche Leitfaden führt Sie durch alle entscheidenden Parameter des Lasersystems und deren Bedeutung für die maschinelle Bearbeitung. Wir werden auch erläutern, wie Sie jeden Parameter zu Ihrem Vorteil optimieren und Ihr Geschäft ausbauen können.

Was ist Laserschneiden? 

Laserschneiden ist die neueste und am weitesten verbreitete Schneidtechnologie. Es verwendet einen leistungsstarken, fokussierten Laserstrahl, um Material zu schneiden, indem es an der Schnittkante schmilzt und verdampft. Die dabei entstehenden Rückstände werden entweder während des Prozesses mit Strahlgas weggeblasen oder nach der Operation bearbeitet und gereinigt.

Aufgrund seiner hervorragenden Effizienz, Kosteneffizienz, präzisen Ergebnisse und der Fähigkeit, verschiedene Prozesse zu verarbeiten, ist das Laserschneiden mittlerweile in vielen industriellen Fertigungsprozessen führend Materialien mit unterschiedlichen Dicken.

Es gibt drei Hauptarten des Laserschneidens: CO2-Laser, Neodym (Nd) und Neodym Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd: YAG-Laser), Und Faserlaserschneiden. Mit fortschreitender Technologie ist das Laserschneiden in vielerlei Hinsicht dem Plasmaschneiden ebenbürtig.

Was sind die Parameter des Laserschneidens?

Wie bei jeder Technologie ist das Verständnis und die Einstellung von Parametern entscheidend für die Bestimmung der Produktqualität. Damit die Laserschneidtechnologie unterschiedlich komplexe Designs verarbeiten kann, müssen ihre Schneidfähigkeiten flexibel genug sein. Hier kommen Parameter ins Spiel. Das Anpassen und Optimieren von Parametern öffnet die Tür für Tausende von Anwendungen im Militär, in der Medizin und in anderen Branchen.

Die Laserparameter umfassen Qualität des Laserschneidens, Strahlpolarisation, Wellenlänge, Leistung und Intensität, Schnittgeschwindigkeit, Verarbeitungsgas, Schwerpunkt und Materialspezifikationen.

Bedeutung der Laserschneidparameter

Beim Laserschneiden kommt es auf die Optimierung mehrerer Aspekte an Parameter, die direkt oder indirekt die Produktqualität beeinflussen, was letztendlich zum Gewinn eines Unternehmens beiträgt.

Vereinfacht gesagt sind die Parameter des Laserschneidens wichtig für die Qualität des Schnitts. Sie definiert die Standzeit und Schnittleistung des bearbeiteten Materials im jeweiligen Anwendungsfall. Parameter können angepasst werden, während mit unterschiedlichen Materialien und unterschiedlichen Designs gearbeitet wird. Die Parameter der Maschine bestimmen also letztendlich, welche Materialien sie mit welcher Präzision und Genauigkeit verarbeiten kann.

Kommen wir zu den wichtigsten Parametern, die die Schnittkantenqualität bestimmen und die Schnittfugengröße (die Breite der beim Schneiden entstehenden Nut oder des Schlitzes) des verarbeiteten Materials.

7 Entscheidende Parameter des Laserschneidens 

Zuerst besprechen wir Strahlparameter die die Strahlqualitäten im Laserbetrieb abdecken, wie Strahlart, Wellenlänge, Strahlpolarisation, Strahlleistung und -intensität.

Zweitens werden wir einsteigen Prozessparameter Dazu gehören Schnittgeschwindigkeit, Brennweite, Fokusposition relativ zur Oberfläche, Hilfsgas und Gasdruck. Wir können die Prozessparameter anpassen, um die gewünschte Schnittqualität zu erreichen.

1. Laserwellenlänge

Die drei Arten des Laserschneidens, CO2-, Kristall- und Faserlaser, verwenden unterschiedliche Basismaterialien, um Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen herzustellen.

Jedes Material absorbiert und reflektiert anders WellenlängenDaher ist die Auswahl des richtigen Lasers für Ihr Werkstück der erste entscheidende Schritt.

CO2-Laserschneiden: Im CO2-LaserschneiderDabei wird Strom durch eine mit Kohlendioxid, Helium, Wasserstoff und Stickstoff gefüllte Gaskammer geleitet. Der Spiegel am Ende dieser Röhre fokussiert die Laserstrahlen auf einen einzigen Punkt. CO2-Laser liegen im „Infrarot“ oder unsichtbaren Bereich des Wellenlängenspektrums (0.6 µm).

Bei Raumtemperatur werden lange Infrarotwellenlängen wie CO2-Laser von den glänzenden Oberflächen von Aluminium, Gold, Silber und Kupfer reflektiert. Während Stahl bis zu 10 % der Laserenergie absorbieren kann. Das CO2-Laserschneiden eignet sich nicht zum Schneiden von reflektierenden und leitfähigen Oberflächen, eignet sich jedoch perfekt für isolierende Materialien wie z Holz, Papier und Kunststoffe.

Kristall-Laserschneiden: Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laserstrahlen (Nd: YAG) liegen im kürzeren Bereich der Infrarotstrahlung (1.06μm), die in reflektierenden Metallen besser absorbieren. Hochleistungs-Nd:YAG-Laser können metallische und nichtmetallische Oberflächen schneiden und teilweise sogar Keramik bearbeiten.

Man muss verstehen, dass sowohl CO2-Laser als auch Nd:YAG-Laser bei hohen Leistungsintensitäten das Reflexionsvermögen überwinden und ein breiteres Spektrum an Materialien bearbeiten können. Dies kann auch durch Veränderung der äußeren Parameter erreicht werden, beispielsweise durch Erhitzen des Schneidguts.

Faserlaserschneiden: Faserlaser stammen aus Quarzglas und Seltenerdmetallen. Mit einer Wellenlänge von 1.064μmFaserlaser haben eine weitaus höhere Strahlleistung und einen schmalen Fokusdurchmesser, wodurch sie CO2- und Kristallstrahlen in vielerlei Hinsicht überlegen sind. A Faserlaserschneidmaschine ist vielseitig und kann Metalle, Nichtmetalle, Glas und andere Isoliermaterialien verarbeiten. Es gibt auch Lösungen für reflektierende Metalle.

2. Laserleistung und -intensität

Laserleistung und Laserintensität werden oft zusammen und manchmal austauschbar verwendet, haben aber unterschiedliche Bedeutungen.

Die pro Sekunde abgegebene Energiemenge wird als Laserleistung bezeichnet. Gleichzeitig ist die Laserintensität die Leistung geteilt durch die Flächeneinheit des Materials. Verwechseln Sie einen Hochleistungsstrahl nicht mit einem Strahl hoher Intensität. Die Intensität hängt von der Breite des Brennpunkts ab –Je schmaler der Laserstrahl, desto höher ist die Laserintensität.

Laserstrahlen mit geringer Leistung werden von Metalloberflächen reflektiert. Für dickere Materialien benötigen Sie Hochleistungsstrahlen, die tiefer und schneller in das Material eindringen können.

Ein hochintensiver Laserstrahl, der scharf auf einen kleinen, fokussierten Durchmesser gerichtet ist, ist perfekt, um eine hochwertige Schnittkante und eine kleine Schnittfuge zu erhalten. Darüber hinaus erwärmt der hochintensive Laser einen kleinen Bereich schnell, reduziert die Gratbildung, und verbessert die Schnittgeschwindigkeit, sodass dem Material wenig bis gar keine Zeit bleibt, an den Kanten zu schmelzen und Krätze zu bilden (das restliche wiederverfestigte Metall, das nicht vollständig aus der Schnittfuge entfernt wird).  

Wie Hochleistungsstrahlen können auch Strahlen mit hoher Intensität dickere Materialien effizienter schneiden als Strahlen mit niedriger Intensität.

Beachten Sie, dass Strahlleistung und -intensität entsprechend dem Schmelzpunkt und der Dicke des Verarbeitungsmaterials optimiert werden sollten. Beispielsweise kann eine sehr hohe Strahlleistung zu einer erhöhten Wärmeableitung an den Schnittkanten und damit zu einer größeren Schnittfugenbreite führen.

3. Strahlpolarisation

Das Reflexionsvermögen von Laserlicht auf der geschmolzenen Oberfläche des geschnittenen Materials hängt von der Strahlpolarisation ab, die die Ausrichtung des elektrischen Felds in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung ist.

Je nach Feldorientierung gibt es eine ebene Polarisation, eine zirkulare, eine elliptische Polarisation und eine zufällige Polarisation. Jedes davon wird von der Oberfläche unterschiedlich absorbiert und reflektiert. Zirkulare Polarisation führt zu einer gleichmäßigen Schnittfugenbreite anstelle von elliptischen oder linearen Polarisationen, die Variationen der Schnittfugenneigungen erzeugen.   

Je nach Polarisationsfläche und Schnittrichtung beeinflusst die Strahlpolarisation die Qualität der Schnittfuge. Sie können es anhand der folgenden Abbildung besser verstehen. Wir erhalten eine kleinere Schnittfugenbreite, wenn der Schnitt in Richtung der Polarisation (a) erfolgt, im Vergleich zum Schnitt bei 90 Grad zur Polarisation (c).

4. Fokusposition relativ zur Werkstückoberfläche

Der Fokuseinstellung (auch Z-Offset genannt) ermöglicht die maximale Nutzung der Laserleistung zum Schneiden von Material. Wenn die Brennweite zu niedrig oder zu hoch ist, kann das Material aufgrund der verringerten Energiedichte nicht effektiv geschnitten werden. Und wenn Ihr Strahl unscharf ist, schneidet er nichts.

Idealerweise sollte Ihr Fokuspunkt in der Mitte der Materialstärke liegen, damit der Laser keine spitz zulaufende Schnittkante bildet und das Werkstück von oben nach unten ungleichmäßig schneidet. Bei anderen Anwendungen wie der Lasergravur müssen Sie jedoch möglicherweise die Fokusposition vergrößern oder verkleinern.

Die Brennweite richtet sich nach der Dicke des Materials. Eine kurze Brennweite für ein dünnes Werkstück (weniger als 4 mm) schneidet das Material effektiv gleichmäßig. Bei dickeren Materialien benötigen Sie eine längere Brennweite und eine größere Fokustiefe, um für eine gleichmäßige Schnittkante tief in das Material einzudringen.

Eine kürzere Brennweite führt zu einer kleineren Punktgröße und Brennweite. Während eine längere Brennweite eine etwas größere Punktgröße und eine längere Brenntiefe bedeutet. Heutzutage ermöglichen uns neuere Technologien jedoch, die Punktgröße klein zu halten und gleichzeitig die Brennweite zu erhöhen.

Generell sollte die Fokuslage während der Bearbeitung eines Materials konstant gehalten werden.

Die Fokusposition hängt auch von der Laserstrahlform, dem Modus, der Verschmutzung der Linse und der Temperatur des Kühlwassers ab. Alle diese Parameter bestimmen die Qualität des fertigen Schnittstücks.

5. Laserschneidgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit ist ein weiterer wichtiger Laserparameter und wird entsprechend der Dicke des Werkstücks optimiert.

Die Schnittgeschwindigkeit hängt mit den Energieverlusten während des Prozesses zusammen. Höhere Geschwindigkeit bedeutet weniger Energieverlust und effizienteren Betrieb. Eine langsame Geschwindigkeit führt zu höheren Energieverlusten und folglich zu einem ineffizienten Verfahren.

Siehe die Abbildung unten, um besser zu verstehen, wie sich die Schnittgeschwindigkeit mit dem ändert Dicke eines Materials.

Langsame Schnittgeschwindigkeit führt zu Schlacke und Verbrennen des Materials, was zu einer größeren Wärmeeinflusszone (HAZ) führt. Im Vergleich dazu kann es bei hoher Schnittgeschwindigkeit zu Riefenbildung an der Schneide kommen. Am besten ist es, eine perfekte Balance zwischen Schneidgeschwindigkeit und Laserleistung zu finden, um ein bestimmtes Material zu bearbeiten.

6. Hilfsgase und Gasdruck.

Der Gas unterstützenDas beim Laserschneiden verwendete Gas – auch Hilfsgas genannt – spielt eine wichtige Rolle für die Schnittgeschwindigkeit, die Qualität der Schnittkante und die Lebensdauer der Laserlinse. Im Allgemeinen ist die Schnittgeschwindigkeit proportional zur Laserleistung. Je höher die Laserleistung, desto höher die Schnittgeschwindigkeit und umgekehrt.

Der Hauptzweck des Hilfsgases besteht darin, das geschmolzene Metall von den Kanten zu entfernen und die optischen Komponenten vor Beschädigungen während der Bearbeitung zu schützen. Das Gas kühlt auch das Material ab, um größere HAZ zu verhindern.

Stickstoff, Argon, Druckluft und Sauerstoff sind die gebräuchlichsten Arten von Hilfsgasen. Jeder Typ hat seine Vor- und Nachteile und Anwendungen. Die Wahl von Gas und Druck entscheidet letztlich über die Qualität der Schnittkanten.

Stickstoffgas (Inertgas) wird typischerweise bei der Verarbeitung von Edelstählen, Aluminium- und Nickellegierungen und hochlegiertem Stahl verwendet. Stickstoffgas bei höherem Druck bietet zusätzliche mechanische Unterstützung, um restliches geschmolzenes Material von der Oberfläche zu entfernen.  

Sauerstoff ist ein aktives Gas, das eine exotherme Reaktion auslöst und beim Schneiden dickerer Materialien hilft. Sauerstoffschneiden bildet eine oxidierende Schicht in Weichstahl und Kohlenstoffstahl, die sowohl gut als auch schlecht für das Werkstück ist. Gut, da Oxide die Absorptionsrate erhöhen und das Material schneller schmelzen, was die Schnittgeschwindigkeit erhöht. Und schlecht in dem Sinne, dass Oxidschichten Defekte erzeugen und die Nachbearbeitung des Materials beeinträchtigen.

Möchten Sie mehr über die Wahl von Stickstoff oder Sauerstoff erfahren? Lesen Sie unseren Beitrag.

Druckluft ist die billigste Wahl aller Hilfsgase, aber ihre Verwendung ist begrenzt.  

7. Düsendurchmesser und Abstand

Der Düse trägt das Hilfsgas und ist koaxial zum Laserstrahl. Es ist dafür verantwortlich, den Schnittbereich mit Hilfsgas zu versorgen und den Druck auf der Oberfläche zu stabilisieren, um Spritzer von geschmolzenem Metall zu minimieren. Der Düsendurchmesser ist ein wichtiger Parameter, der entsprechend der Materialart und -dicke ausgewählt werden muss.

Der Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück ist der Abstand. Es bestimmt das Gasströmungsmuster und letztendlich die Schnittqualität. Große Abstandsabstände führen häufig zu starken Turbulenzen und Druckschwankungen. Es wird empfohlen, den Abstand einzuhalten nicht größer als 1mm. Außerdem sollte der Abstand kleiner sein als der Düsendurchmesser.

Eine Fehlausrichtung der Düse kann zu unerwünschten Defekten, Schnittverletzungen usw. führen Schlacke das kann die Schnittqualität beeinträchtigen. Der Düsendurchmesser muss unbedingt vollständig auf den Laserstrahl ausgerichtet sein, um einen gerichteten Gasfluss über die Materialoberfläche zu vermeiden.

Wie werden Parameter in einer Laserschneidmaschine eingestellt?

Viele neueste Laserschneidmaschinen haben voreingestellte Parameter für verschiedene Materialien in der Softwaredatenbank. Diese vordefinierten Werte für Parameter sind im Unternehmen erprobt und können automatisch implementiert werden. Es kann Ihren Arbeitsaufwand reduzieren und die Bearbeitung erleichtern. Wenn Sie jedoch geringfügige Änderungen benötigen, können Sie Ihre Zahlen manuell bearbeiten und in die Software eingeben, die die Laserschneidmaschine steuert.

Wenn Sie Ihre Parameter von Grund auf neu festlegen müssen, gilt als Faustregel: Beginnen Sie mit Hochgeschwindigkeits und dem Low-Power zum Gravieren und Schneiden des Materials. Wenn Sie mit der Arbeit beginnen, kann die Software die Parameter ändern, um das beste Ergebnis zu erzielen. Um eine gratfreie und perfekte Schnittkante zu erzielen, können Sie die Parameter beim Schneiden eines Probestücks verändern.

Der Bediener sollte im Umgang mit Komplikationen während des Vorgangs geschult werden. Er sollte beispielsweise die Folgen einer Erhöhung oder Verringerung der Schnittgeschwindigkeit, des Gasdrucks und der Laserleistung kennen. Die Beziehung zwischen der Wechselwirkung von Laserparametern mit dem Material ist von größter Bedeutung.

Hier ein Beispiel: Wenn ein Bediener einen Grat in Edelstahl sieht, wird er sofort reagieren, indem er die Schnittgeschwindigkeit reduziert und das Hilfsgas entsprechend anpasst. Aber was er beobachtet, ist ein noch größerer Grat. Eine langsamere Geschwindigkeit führte zu einem stärkeren Wärmestau in der Region. Dadurch erstarrte das geschmolzene Material, bevor das Gas es wegblasen konnte, und bildete Schlacke. Der Schlüssel liegt im Verhältnis zwischen Unterstützungsgas und Geschwindigkeit bei Edelstahl. Um die perfekte Schnittkante zu erzielen, muss zum richtigen Zeitpunkt die richtige Menge geschmolzenes Metall entfernt werden.

Parameter	Edelstahl	Edelstahl	Aluminium	Aluminium
Dicke (mm)	10	10	5	10
Gasart	O2	N2	N2	N2
Leistung (kW)	5	5	5	5
Schnittgeschwindigkeit (mm / min)	680	1200	7000	2400
Gasdruck	10.5	12	15	15
Brennweite (mm)	-3	-7.2	-1.1	-2.4
Abstand (mm)	0.6	0.6	0.6	0.6
Düsendurchmesser (mm)	2.5	3	2.5	3
Frequenz (Hz)	5000	5000	5000	5000

Welche Toleranzen gelten für den Laserschneidprozess?

Dies hängt von der Qualität der Lasermaschine und dem Fachwissen des Bedieners ab. Aber eine Lasermaschine kann im Allgemeinen mit extrem engen Toleranzen schneiden, bis zu 0.25 mm.

Darüber hinaus hängt es stark von der Anwendung Ihres Bauteils ab. Für Bauteile mit High-End-Anwendungen sind oft hohe Toleranzen erforderlich. Die Kosten für hohe Toleranzniveaus sind sehr hoch, daher sollte man das Budget, die Anwendung und die Anforderungen berücksichtigen, bevor man sich für engere Maßtoleranzen entscheidet.

Abschließende Gedanken 

Laserschneiden ist eine Spitzentechnologie, mit der eine breite Palette von Materialien in allen Formen und Formen verarbeitet werden kann. Ein gründliches Verständnis und Studium der Maschine sind unerlässlich, um das Beste aus ihr herauszuholen.

Alle Parameter beim Laserschneiden sind entscheidend dafür, was Sie nach der Materialbearbeitung erhalten. Beispielsweise haben die Laserleistung, der Abstand der Düse und die Schnittgeschwindigkeit erheblichen Einfluss auf die Schnittfugenbreite. Während Parameter wie Art und Druck des Hilfsgases nicht maßgeblich für die Schnittfugenbreite verantwortlich sind.

Vor dem Schneiden des Materials müssen die Parameter angepasst und untersucht werden, um Streifen, Schnittfugenbreite, Schlacke und andere Defekte zu minimieren, die die Nachbearbeitung des Teils behindern und die Endqualität beeinträchtigen.  

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