Die Laserschneidtechnologie gibt es zwar schon seit den 60er Jahren, aber aufgrund ihrer zunehmenden Anwendung in industriellen Prozessen ist sie heute so relevant wie nie zuvor.
Laserschneiden ist ein berührungsloses Bearbeitungsverfahren, bei dem ein konstanter Lichtstrahl Hitze und Druck erzeugt. Dadurch werden verschiedene Materialien präzise umgeformt oder verformt, während der Schneidkopf über die Oberfläche fährt. Die Lasertechnologie eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Schneiden, Bohren und Gravieren. Die Einsatzmöglichkeiten hängen von der Laserleistung, dem verwendeten Laserstrahlmaterial und dem zu bearbeitenden Material ab. Laserschneiden ist eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Blechteilen.
Jeder Laser erzeugt ein kontinuierliches Wellenlängenspektrum und ist vielseitig einsetzbar. Es gibt drei Lasertypen: CO₂-Laser (Gaslaser), Faserlaser und Nd:YAG- oder Nd:YVO₄-Laser (Vanadat-Kristalllaser). Jeder Lasertyp verwendet ein anderes Basismaterial zur Anregung, entweder elektrisch mit einem Gasgemisch oder durch physikalische Dioden.
Arten von Lasern zum Schneiden
CO2-Laser
Ein CO₂-Laser erzeugt Lichtstrahlen, indem er Strom durch ein mit einem Gasgemisch gefülltes Rohr leitet. Die Rohre enthalten an beiden Enden Spiegel. Einer der Spiegel ist vollreflektierend, der andere teilreflektierend und lässt einen Teil des Lichts durch. Das Gasgemisch besteht üblicherweise aus Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserstoff und Helium. CO₂-Laser erzeugen unsichtbares Licht im fernen Infrarotbereich des Lichtspektrums.
Die leistungsstärksten CO₂-Laser für Industriemaschinen erreichen Leistungen von mehreren Kilowatt, stellen aber die absolute Ausnahme dar. Typische CO₂-Laser für die maschinelle Bearbeitung arbeiten mit einer Leistung von 25 bis 100 Watt und einer Wellenlänge von 10.6 Mikrometern.
Dieser Lasertyp wird am häufigsten für die Bearbeitung von Holz oder Papier (und deren Derivaten), Polymethylmethacrylat und anderen Acrylkunststoffen eingesetzt. Er eignet sich auch für die Bearbeitung von Leder, Textilien, Tapeten und ähnlichen Produkten. Darüber hinaus findet er Anwendung in der Lebensmittelverarbeitung, beispielsweise bei Käse, Kastanien und verschiedenen Pflanzen.
CO₂-Laser eignen sich im Allgemeinen am besten für nichtmetallische Werkstoffe, obwohl sie auch bestimmte Metalle bearbeiten können. Sie können in der Regel dünne Aluminiumbleche und andere Nichteisenmetalle schneiden. Die Leistung des CO₂-Lasers lässt sich durch Erhöhung des Sauerstoffgehalts steigern, dies kann jedoch in unerfahrenen Händen oder mit einer für solche Optimierungen ungeeigneten Maschine riskant sein.
Faserlaser
Diese Maschinenklasse gehört zur Gruppe der Festkörperlaser und verwendet einen Seed-Laser. Der Laserstrahl wird mithilfe speziell entwickelter Glasfasern verstärkt, die ihre Energie von Pumpdioden beziehen. Die typische Wellenlänge beträgt 1.064 Mikrometer, wodurch ein extrem kleiner Fokusdurchmesser erzielt wird. Sie zählen in der Regel auch zu den teuersten Laserschneidgeräten.
Faserlaser sind im Allgemeinen wartungsfrei und zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer von mindestens 25,000 Laserstunden aus. Damit haben sie eine deutlich längere Lebensdauer als CO₂-Laser und erzeugen starke und stabile Laserstrahlen. Sie erreichen Intensitäten, die 100-mal höher sind als die von CO₂-Lasern bei gleicher mittlerer Leistung. Faserlaser können im Dauerstrich-, Quasi- oder Pulsbetrieb arbeiten und bieten so unterschiedliche Funktionalitäten. Ein Untertyp von Faserlasersystemen ist der MOPA-Laser, bei dem die Pulsdauer einstellbar ist. Dies macht den MOPA-Laser zu einem der flexibelsten Laser und ermöglicht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.
Faserlaser eignen sich optimal für die Metallbearbeitung durch Glühen, Metallgravur und die Markierung von Thermoplasten. Sie bearbeiten Metalle, Legierungen und Nichtmetalle gleichermaßen, sogar Glas, Holz und Kunststoff. Faserlaserschneidmaschinen sind je nach Leistung sehr vielseitig und können eine Vielzahl von Materialien bearbeiten. Bei dünnen Materialien sind Faserlaser die ideale Lösung. Dies gilt jedoch weniger für Materialien über 20 mm, wobei eine leistungsstärkere Faserlasermaschine mit über 6 kW Leistung hier Abhilfe schaffen kann.
Nd:YAG/Nd:YVO-Laser
Kristalllaserschneidprozesse können mit Nd:YAG-Lasern (Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) durchgeführt werden, üblicherweise kommen jedoch Nd:YVO- Kristalle (Neodym-dotiertes Yttriumorthovanadat, YVO4) zum Einsatz. Diese Anlagen ermöglichen eine extrem hohe Schneidleistung. Der Nachteil dieser Maschinen liegt in ihren hohen Kosten, nicht nur aufgrund des Anschaffungspreises, sondern auch wegen ihrer Lebensdauer von 8,000 bis 15,000 Stunden (wobei Nd:YVO4 typischerweise eine geringere Lebensdauer aufweist) und der oft sehr teuren Pumpdioden.
Diese Laser bieten eine Wellenlänge von 1.064 Mikrometern und eignen sich für ein breites Anwendungsspektrum, von Medizin und Zahnmedizin bis hin zu Militär und Fertigung. Im Vergleich zu Nd:YAG weist Nd:YVO eine höhere Pumpabsorption und -verstärkung, eine größere Bandbreite, einen breiteren Wellenlängenbereich für das Pumpen, eine kürzere Lebensdauer des angeregten Zustands, einen höheren Brechungsindex und eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Im Dauerbetrieb erreicht Nd:YVO bei mittleren und hohen Leistungen ein ähnliches Leistungsniveau wie Nd:YAG. Allerdings ermöglicht Nd:YVO keine so hohen Pulsenergien wie Nd:YAG und hat eine kürzere Lebensdauer.
Diese Verfahren eignen sich sowohl für Metalle (beschichtet und unbeschichtet) als auch für Nichtmetalle, einschließlich Kunststoffe. Unter bestimmten Umständen können sogar einige Keramiken bearbeitet werden. Der Nd:YVO4-Kristall wurde mit Kristallen hoher NLO-Koeffizienten (LBO, BBO oder KTP) kombiniert, um die Frequenz des Lichts vom nahen Infrarot in den grünen, blauen oder sogar UV-Bereich zu verschieben. Dadurch ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.
Aufgrund ihrer ähnlichen Größe können Yttrium-, Gadolinium- oder Lutetiumionen durch laseraktive Seltenerdionen ersetzt werden, ohne die für die Strahlerzeugung notwendige Gitterstruktur wesentlich zu beeinträchtigen. Dadurch bleibt die hohe Wärmeleitfähigkeit der dotierten Materialien erhalten.
