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Kurze Welle trennt dicke Bleche

Laserschneiden: Universalwerkzeug Festkörperlaser
Kurze Welle trennt dicke Bleche

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Festkörperlaser mit höheren Laserleistungen lassen sich universeller einsetzen als bisher kommuniziert. Im Brennschnitt werden Baustähle bis 22 mm Dicke getrennt, ein wirtschaftlicher Betrieb soll bis 15 mm Blechdicke möglich sein.

„Wir haben die Anlage mit dem Vier-Kilowatt-Faserlaser gekauft, um Bleche im Dickenbereich von etwa acht Millimeter zu schneiden“, sagt Olaf Rautner, einer der beiden Inhaber der Schnittpunkt GmbH in Geisenfeld. Wenige Monate nach der Installation setzt er seine Bysprint Fiber von der Bystronic Laser AG auch für 12 mm dicke Bleche ein und bleibt dabei wirtschaftlich. Faserlaser werden damit universeller einsetzbar.

Bislang galt überwiegend, dass sich Schneidmaschinen mit Festkörperlaser wirtschaftlich bis zu Blechdicken von etwa 5 oder 6 mm betreiben lassen. Aber die Technik ändert sich sehr schnell. „Ich bin jetzt 20 Jahre im Lasergeschäft“, sagt dazu Axel Willuhn, Produktmanager Stanz- und Lasertechnik bei der Amada Deutschland GmbH in Hahn, „eine so rasante Entwicklung wie bei den Faserlasern habe ich aber noch nicht erlebt.“ Im Monatsrhythmus scheinen sich die Anwendungsbereiche der Laserquellen zu erweitern.
Ein Grund dafür sind die jetzt verfügbaren höheren Leistungen der Faserlaser. „Damit“, so erklärt Oliver Bühler von Bystronic, „erreichen wir eine bessere Schnittqualität bei größeren Blechdicken.“ Die dazu notwendige Leistungsgrenze von 4 kW haben die meisten Hersteller geknackt. So bietet die Trumpf Gmbh + Co. KG Scheibenlaser zum Laserschneiden bis 6 kW an, Rofin Sinar GmbH, Hamburg, hat in der FL-Serie Faserlaser bis 4 kW im Portfolio, bei der IPG Laser GmbH, Burbach, sind Single Mode Faserlaser zum Schneiden bis 5 kW verfügbar und auch Amada verbaut in der jüngsten Version einer Faserlaserschneidmaschine einen eigenen 4-kW-Faserlaser.
Bedeutsamer für Schnittqualität und Schnittgeschwindigkeit sind allerdings der zu schneidende Werkstoff und das Schneidverfahren. Der Grund dafür liegt in der Wellenlänge des genutzten Laserlichts. Die kürzere Wellenlänge des Festkörperlasers mit 1,06 µm (CO2-Laser: 10,6 µm) wird von Stahl besser absorbiert. Der engere Fokus und die höhere Energiedichte des Festkörperlasers macht Schneidgeschwindigkeiten bis 150 m/min möglich. Allerdings nimmt die erreichbare Schneidgeschwindigkeit mit der Blechdicke stark ab. Schneidet ein Faserlaser in 1 mm dickem Edelstahl im Schmelzschnitt etwa vier- bis fünfmal so schnell wie ein CO2-Laser, so sind die Schneidgeschwindigkeiten im Bereich von 4 bis 5 mm Blechdicke bereits gleich. Bei Blechdicken in Stahl über 6 mm lässt die Schnittqualität zudem beim Schmelzschnitt stark nach. Grate an der Unterseite und raue Schnittflächen mit Riefen entsprechen nicht der gewohnten Laserqualität. Wer dies in Kauf nimmt, kann beispielsweise Edelstahlbleche bis 18 mm Dicke mit dem Festkörperlaser trennen.
Eine Erklärung für die abnehmende Schnittqualität basiert auf dem wellenlängenabhängigen Brewsterwinkel, dem Einfallswinkel bei dem der Laserstrahl von der Oberfläche optimal absorbiert wird. Dieser Winkel liegt beim CO2-Laser zwischen 90 und 85 Grad und bei Faserlasern etwas flacher bei etwa 82 Grad. An der sich während des Schneidens selbst einstellenden Schnittfront werden deshalb beim Festkörperlaser mehr Strahlen reflektiert, die an den Rändern der Schnittfuge Rauheiten und Riefen verursachen. Zudem zeigen verschiedene Untersuchungen einen Zusammenhang zwischen dem Aspektverhältnis, der Relation von Fokusgröße und Blechdicke, zu der Schnittqualität. Mit dem größeren Fokus eines CO2-Laserstrahls lassen sich auch dickere Bleche gut schneiden, während Faserlaser mit kleinem Aspektverhältnis bei dünnen Blechen besonders effizient sind.
Verschiedene Ansätze, den Laserstrahl entsprechend dieser Erkenntnis zu formen und zu konfigurieren, sind bekannt. Amada beispielsweise setzt in seinen Schneidköpfen eine adaptive Optik ein, die es erlaubt, den Fokus zu vergrößern. Bei Bystronic war von Versuchen mit Zylinderoptiken und extremen Fokuslagen zu lesen. Aus Wettbewerbsgründen halten sich die Hersteller mit Informationen zu ihren Strahlkonfigurationen aber zurück.
Beim Faserlaser muss unabhängig von der Strahlform deutlich zwischen Brenn- und Schmelzschnitt unterschieden werden, wenn es um Schnittqualität und schneidbare Blechdicken geht. Im Brennschneidverfahren lassen sich Baustähle in Dicken bis 25 mm mit Festkörperlaser und CO2-Laser mit gleicher Schnittqualität trennen. Das funktioniert, weil beim Brennschneiden der Laserstrahl den Aufschmelzprozess lediglich anstößt, während im Folgenden die Verbrennung der Schmelze einen großen Teil der notwendigen Prozessenergie bereitstellt. „Brennschneiden dickerer Stahlbleche war mit dem Festkörperlaser mit entsprechender Leistung schon immer möglich“, betont auch Eberhard Wahl von Trumpf. Es bleibt die Frage, bis zu welchen Blechdicken das Schneiden mit dem Festkörperlaser wirtschaftlich ist.
Mit einem Wirkungsgrad von rund 30 % nutzen Festkörperlaser die Energie deutlich effizienter als CO2-Laser. Und die Betriebskosten sind gering: kein Lasergas, keine Optiken in der Strahlführung, nahezu wartungsfreie Laserquellen mit hoher Lebensdauer. Diesen Vorteilen stehen höhere Anschaffungskosten als beim CO2-Laser gegenüber, die durch höhere Schneidgeschwindigkeit, Energieeffizienz und Wartungsfreiheit aufgefangen werden müssen.
Am deutlichsten schlägt sich die Schneidgeschwindigkeit in den Teilekosten nieder, denn der Energieverbrauch inklusive aller Nebenaggregate beläuft sich auf nur rund 3 % des Maschinenstundensatz. Auch wenn beispielsweise eine Amada FOL 3015 AJ mit 4-kW-Faserlaser mit 15,2 kWh weniger als die Hälfte der 37,2 kWh eines CO2-Lasers verbraucht, ist der Einfluss auf die Endrechnung gering. Ein Richtwert für den wirtschaftlichen Einsatz ergibt sich aus der Blechdicke, bei der Laserbauarten etwa gleiche Schneidgeschwindigkeiten erlauben und gleiche Schnittqualität liefern. Dabei stellen einige Maschinenhersteller Faser- und CO2-Laser gleicher nominaler Leistung einander gegenüber, andere berücksichtigen die unterschiedlichen Wirkungsgrade und legen die im Material ankommende Leistung zugrunde, so dass beispielsweise einem 3-kW-Faserlaser ein 4-kW-CO2-Laser gegenübergestellt wird.
In Stahl erreichen Faser- und CO2-Laser im Brennschnitt unter Sauerstoff vergleichbare Schneidgeschwindigkeiten bei Blechdicken zwischen 12 und 15 mm. Bei Dicken darüber wird ein Faserlaser langsamer und trennt beispielsweise 22 mm Baustahl mit etwa 700 mm/min während ein CO2-Laser dann einen Vorschub von 820 mm/min erreicht. Entsprechend geben heute die Vertriebsleute verschiedener Maschinenhersteller an, dass ein wirtschaftlicher Einsatz eines 4-kW-Fiberlasers bei 12 bis 15 mm dicken Stahlblechen möglich sei. Nur beim Faserlaser-Pionier CY-Laser aus Schio/Italien wird für 4-kW-Faserlaser ein wirtschaftlicher Betrieb bis 25 mm Blechdicke im Brennschnitt errechnet.
Es ist aber nicht alleine die Laserquelle, auch die gesamte Maschine bestimmt die Wirtschaftlichkeit. Eberhard Wahl von Trumpf betont, dass es auf den Zweck ankommt, für den eine Anlage eingesetzt wird. Eine für Dünnblech ausgelegte Anlage sei beim dauerhaften Schneiden von Dickblechen nicht immer zuverlässig. Das beginne schon beim Kollisionsschutz am Schneidkopf. Stelle sich in Dünnblech mit 1 mm Dicke ein Teil auf, schiebe der Schneidkopf oft das gesamt Blech ohne Schaden zur Seite. Bei dickeren Blechen könnten dann schon Kratzer oder leichte Schäden entstehen. Die wiegen beim Festkörperlaser allerdings schwerer als beim CO2-Laser, denn wegen der kurzen Wellenlänge des Laserlichts sind schon sehr kleine „Hindernisse“ in der Größenordnung der Wellenlänge problematisch. Kratzer oder Verunreinigungen mit 1 µm Durchmesser führen im Beugungsversuch am Strahl schon zu Interferenzmustern, einfaches Putzen der Linse mit einem Staubtuch wie beim CO2-Laser reicht beim Fiberlaser nicht aus. Schon kleinste Verunreinigungen am Strahlaustritt ziehen mitunter enorme Schäden nach sich. Trumpf setzt deshalb in seinen Maschinen einen mechanischen Kollisionsschutz ein, bei dem der Laserkopf bei Berührungen ausklinkt und auf einfache Weise wieder eingesetzt werden kann. Ein oft unberücksichtigtes Detail seien auch die Blechauflagen, bei denen einige Hersteller für Dünnblechanlagen den Kupferanteil zurücknehmen. Das sei wegen der hohen Schneidgeschwindigkeiten unproblematisch, werde aber schwierig, wenn dickes Blech langsam zu schneiden ist.
Wenn bei universellen Anwendungen von Festkörperlaseranlagen Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit im Vordergrund stehen sollen, dann sollten die Maschinen entsprechend ausgelegt sein, betont Wahl. Trumpf hat deshalb beispielsweise zweckorientiert einmal eine TruLaser 5030 Fiber für schnelle Dünnblechschnitte und einmal eine TruLaser 3030 Fiber für wirtschaftliches Schneiden von Baustahl in allen Blechdicken im Programm.
Alle Hersteller betonen, dass CO2-Lasermaschinen mit der robusteren Technik punkten können. Einem Laseranwender, der bereits mit CO2-Lasermaschine ausgestattet sei, wird in den meisten Fällen der Einstieg in die Festkörperlasertechnik empfohlen. Bei Einsteigern ins Lasergeschäft sollte dem Kauf eines Festkörperlasers eine Schwerpunktanalyse des zu schneidenden Spektrums vorangehen, empfiehlt Axel Willuhn. Darin werde ermittelt, ob unwirtschaftliche Betriebszeiten beim Schneiden dicker Materialien sich durch die höhere Effizienz beim Schneiden von Dünnblech im Materialmix des Anwenders ausgleichen. Das Ergebnis einer solchen Analyse ist jedoch nur begrenzt haltbar.
Volker Albrecht Fachjournalist in Bamberg
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