Können Laserschneider Metall schneiden?

I. Einleitung

In der modernen, breit gefächerten und anspruchsvollen Fertigungsindustrie spielt die Laserschneidtechnik aufgrund ihrer ausgeprägten Vorteile und weitreichenden Anpassungsfähigkeit eine unverzichtbare Rolle in verschiedenen Branchen.

Ob bei der Herstellung komplizierter Strukturen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, beim kreativen Schneiden von Grafiken in der Werbedekorationsindustrie, bei der Präzisionsbearbeitung von Ersatzteilen im Automobilbau oder bei der Herstellung von Mikroteilen in der Elektronikindustrie, Laserschneidmaschinen kann eine effektive Nutzung und künstlerische Gestaltung von Materialien mit hoher Genauigkeit, hoher Geschwindigkeit und flexiblem Design erreichen.

Es gibt jedoch ein Kernproblem von Laserschneidmaschinen, das trotz ihrer breiten Anwendung die Aufmerksamkeit der Menschen erregt: Können Laserschneidmaschinen Metall schneiden? Die Antwort ist ja; diese Eigenschaft ist der Schlüsselfaktor, um sich in vielen Branchen abzuheben.

Die Laserschneidtechnologie kann nicht nur eine Vielzahl von Metallwerkstoffen wie Edelstahl, Kohlenstoffstahl, Aluminium und Kupfer bearbeiten, sondern auch mechanische Belastungen des Werkstücks vermeiden und gleichzeitig eine extrem hohe Schnittpräzision aufgrund der berührungslosen Fertigungseigenschaften beibehalten, wodurch Qualität und Lebensdauer erheblich verbessert werden.

Gleichzeitig spielt die Laserschneidtechnik aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit, der geringen Wärmeeinflussfläche und der glatten und flachen Schnittkanten eine immer wichtigere Rolle in der metallverarbeitenden Industrie.

In diesem Abschnitt wird näher darauf eingegangen, wie die Laserschneidtechnologie verschiedene Metalle mit hoher Effizienz und Genauigkeit schneidet, welche Vorteile diese Technologie bietet und welche zukünftigen Trends es in der Metallverarbeitung gibt.

II. Verständnis der Laserschneidtechnologie

Definition und kurze Geschichte des Laserschneidens

Beim Laserschneiden wird ein Laserstrahl mit hoher Energiedichte verwendet, um das Material lokal zu bestrahlen, so dass der bestrahlte Bereich schnell schmilzt, verdampft oder den Entzündungspunkt erreicht, wodurch eine präzise Schneidetechnik erreicht wird.

Diese Technologie geht auf die späten 1960er Jahre zurück und wurde zunächst in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt.

Mit der Entwicklung der Lasertechnologie und den sinkenden Kosten wird das Laserschneiden allmählich in der industriellen Produktion eingesetzt und findet breite Anwendung in der Blechverarbeitung, im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt, bei Präzisionsmaschinen und in anderen Branchen.

Arten von Lasern, die zum Schneiden von Metallen verwendet werden

Es gibt drei Hauptlaserarten für das Schneiden von Metall:

CO₂-Laser: Der CO₂-Laser ist das am weitesten verbreitete und am häufigsten verwendete Laserschneidgerät auf dem Markt. Er verwendet ein CO₂-Gasgemisch als Arbeitsstoff und erzeugt konstante und gepulste Laserstrahlen. Er zeichnet sich durch hohe Leistung, gute Laserstrahlqualität und hohe Schneidgeschwindigkeit aus und eignet sich zum Schneiden der meisten Metalle und nichtmetallischen Materialien.

FaserlaserFaserlaser haben sich in den letzten Jahren schnell entwickelt und sind aufgrund ihrer kompakten Struktur, ihrer hohen Effizienz und ihrer geringen Wartungskosten weit verbreitet. Das Funktionsprinzip besteht in der Verwendung von mit Seltenen Erden dotierten Fasern als Verstärkungsmedium. Die erzeugte Laserwellenlänge ist viel kürzer und eignet sich daher besser zum Schneiden von Metall. Die Schneidwirkung ist besonders gut bei stark reflektierenden Metallwerkstoffen wie Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Aluminium.

YAG-Festkörperlaser: YAG-Festkörperlaser werden in bestimmten Bereichen wegen ihrer hohen Stabilität und Haltbarkeit geschätzt. Er verwendet Kristall als Lasermedium und erzeugt Laser mit Wellenlängen im nahen Infrarotbereich, die für das Schneiden von dünnen Blechen und nichtmetallischen Materialien geeignet sind. Obwohl seine Leistung geringer ist als die von CO₂-Lasern und Faserlasern, zeichnet er sich dennoch bei einigen raffinierten und hochpräzisen Metallschneideanwendungen aus.

III. Die Mechanik des Laserschneidens von Metall

Zunächst einmal ist es von größter Bedeutung, das grundlegende Funktionsprinzip des Laserschneidens zu verstehen. Die Kernkomponente einer Laserschneidmaschine ist ein Lasergenerator, der einen hochkonzentrierten monochromatischen Strahl, den Laser, erzeugen kann.

Dieser Laser zeichnet sich durch eine extrem hohe Leistungsdichte aus und kann durch das optische System in einen extrem feinen Fleck mit einem Durchmesser von nur zehn bis hundert Mikrometern fokussiert werden, wodurch die Energie pro Flächeneinheit hoch konzentriert wird.

Wenn ein solch intensiver Laserstrahl auf eine Metalloberfläche trifft, werden zwei wesentliche physikalische Effekte erzeugt: Absorption und Reflexion.

Bei Lasern mit bestimmten Wellenlängen absorbiert das Metall einen Teil der Laserenergie, und dieser Teil der Energie wird schnell in thermische Energie umgewandelt, so dass die Temperatur eines lokalen Bereichs des Metalls in kurzer Zeit stark ansteigt und den Schmelzpunkt oder sogar den Siedepunkt erreicht.

Gleichzeitig kann die verbleibende nicht absorbierte Laserenergie reflektiert oder gestreut werden.

Sobald die Teile des Metallmaterials geschmolzen oder verdampft sind, bewegt sich der Laserschneidkopf mit einer voreingestellten Geschwindigkeit und führt den Laserstrahl entlang eines bestimmten Pfades, wodurch ein präzises Schneiden des Metallmaterials ermöglicht wird.

Da die Energie des Laserstrahls hochkonzentriert und die Übertragungsgeschwindigkeit schnell ist, beschränkt sich der größte Teil der beim Schneiden entstehenden Wärme auf einen kleinen Bereich, so dass das umgebende Material nicht durch die Hitze beeinträchtigt wird und die Qualität und Präzision der Schnittkante gewährleistet ist.

Außerdem wird das Schneiden dicker Bleche in der Regel durch das Einblasen von Hochdruckgas (wie Sauerstoff, Stickstoff usw.) unterstützt.

Zum einen können diese Gase die beim Schneiden anfallende Schlacke wegblasen und die Schneidmündung sauber halten.

Andererseits kann O2 als Verbrennungsbeschleuniger dienen, um die Oxidationsreaktionen von Metallen zu beschleunigen, was die Schneidgeschwindigkeit und Effizienz weiter erhöht.

IV. Laserschneider und Metalle

Für das Laserschneiden geeignete Metallarten

Mit der Laserschneidetechnik können verschiedene Arten von Metallwerkstoffen geschnitten werden, darunter Kohlenstoffstahl, Siliziumstahl, rostfreier Stahl, Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen.

Diese Materialien haben unterschiedliche Anforderungen für Laserschneidmaschinen. Zum Beispiel kann die CO₂-Laserschneidmaschine Kohlenstoffstahl innerhalb von 20 mm, Edelstahl innerhalb von 10 mm und Aluminiumlegierungen innerhalb von 8 mm schneiden.

Dies beweist, dass es sehr wichtig ist, die richtigen Laserschneidmaschinen auszuwählen, um eine hohe Qualität beim Schneiden von Metall zu erreichen.

Faktoren, die das Metallschneiden mit Lasern beeinflussen

Dicke des Metalls: Die Blechdicke ist der entscheidende Faktor für die Effizienz und Qualität des Laserschneidens. Dünneres Metall lässt sich leichter durchdringen und schnell mit dem Laser schneiden, und mit zunehmender Dicke sind möglicherweise eine höhere Laserleistung und eine langsamere Schneidgeschwindigkeit erforderlich, um die Qualität der Schnitte zu gewährleisten.

Bedarf an LaserleistungUnterschiedliche Metallwerkstoffe und -dicken haben unterschiedliche Anforderungen an die Laserleistung. Je höher die Laserleistung, desto schneller kann das Werkstück aufgeschmolzen und das geschmolzene Material mit Hilfe von Hilfsgasen effektiv weggeblasen werden. Die Wahl der richtigen Laserleistung hängt nicht nur mit der Schneidleistung zusammen, sondern wirkt sich auch direkt auf die Bearbeitungskosten und die Werkstückqualität aus.

Die Rolle des Lasertyps beim Metallschneiden

CO₂-Laser ist geeignet für das Schneiden von Nichtmetall und Metall Materialien innerhalb eines bestimmten Bereichs wegen seiner langen Wellenlänge Eigenschaften. Und CO₂ Laserschneidmaschine zeigt gute Anpassungsfähigkeit für mittlere und dicke Platte Kohlenstoffstahl und Edelstahl.

Mit der Weiterentwicklung der Faserlasertechnologie, insbesondere bei der Optimierung von Metallschneideanwendungen, werden die Vorteile von Faserlaserschneidmaschinen jedoch immer deutlicher.

Da der von Faserlasern erzeugte kurzwellige, lange Lichtstrahl leichter von Metall absorbiert wird, kann er eine höhere elektrooptische Umwandlungseffizienz, niedrigere Betriebskosten und stabilere Schneideigenschaften beim Schneiden von Metallen wie Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Aluminiumlegierungen aufweisen.

Darüber hinaus zeichnen sich Faserlaser durch eine dichte Struktur und eine einfache Wartung aus, was sie zu den Hauptausrüstungen im Bereich des modernen Metallschneidens macht.

Um zu entscheiden, welche Art von Laserschneidmaschine, welche Metallarten und welche Dicke in Frage kommen, wird eine umfassende Bewertung nach den tatsächlichen Produktionsanforderungen, den wirtschaftlichen Vorteilen und den künftigen technologischen Entwicklungstrends vorgenommen.

Dickenbegrenzungen: Wie dick können Laserschneider werden?

CO₂-Laserschneidmaschine:

Bei Baustahl können CO₂-Laserschneidmaschinen auf Industrieniveau dickere Bleche von 0,5 mm bis 25 mm bearbeiten, und die Hochleistungsgeräte können bis zu 30 mm dick sein.

Bei rostfreiem Stahl und Aluminium ist die Dicke, die bei gleicher Leistung geschnitten werden kann, aufgrund der unterschiedlichen Effizienz der Laserenergieabsorption geringer als bei unlegiertem Stahl (etwa 0,5 bis 20 mm).

Faserlaserschneidmaschine:

Faserlaserschneidanlagen bieten aufgrund ihrer höheren elektro-optischen Umwandlungseffizienz und konzentrierteren Strahlqualität deutliche Vorteile beim Schneiden von Dünnblechen wie Edelstahl, Kohlenstoffstahl und Aluminiumlegierungen.

Für dünne Bleche (0,5 mm bis 40 mm) bietet die Faserlaserschneidmaschine eine hervorragende Schneidwirkung und Präzision.

Mit der Leistungssteigerung können Teile von High-End-Faserlaserschneidmaschinen Bleche bis zu 80 mm bis 100 mm schneiden.

In der Praxis hängt die spezifische Schnittdicke jedoch von vielen Faktoren wie Bearbeitungsgeschwindigkeit, Präzisionsanforderungen, Schnittqualität und Wirtschaftlichkeit ab.

Außerdem sind bei sehr dickem Metallmaterial oft Mehrlagen- oder Verbundverfahren zum Schneiden erforderlich.

V. Vorteile des Einsatzes von Laserschneidern für Metalle

Präzision und Genauigkeit

Die Hauptvorteile der Laserschneidtechnik liegen in ihrer außergewöhnlichen Genauigkeit und Präzision. Die Laserstrahlen können auf winzige Punkte fokussiert werden und bewegen sich präzise entlang einer vorgegebenen Bahn, wodurch ein Feinschneiden im Mikrometerbereich möglich ist.

Diese hohe Präzision gewährleistet eine gleichbleibende Größe der Teile und eine strenge Kontrolle der Toleranzen und eignet sich besonders für die Herstellung präziser Komponenten und komplizierter Muster.

Darüber hinaus werden durch die berührungslose Bearbeitung beim Laserschneiden Verformungen und Spannungen vermieden, die beim herkömmlichen mechanischen Schneiden entstehen, wodurch die Qualität des Werkstücks weiter verbessert wird.

Verarbeitungsgeschwindigkeit

Im Vergleich zu herkömmlichen Metallschneideverfahren (wie Stanzen, Plasmaschneiden oder Wasserstrahlschneiden) wird die Geschwindigkeit des Laserschneidens offensichtlich immer besser.

Das Laserschneiden ist konstant und schnell, ohne dass Werkzeuge ausgetauscht und Geräte angepasst werden müssen, was die Produktionszyklen erheblich verkürzt.

Vor allem in der Massenproduktion und am Fließband können Laserschneidmaschinen stabil und konstant mit hoher Geschwindigkeit arbeiten und so die Produktionseffizienz erheblich verbessern.

Vielfältigkeit und Anpassungsfähigkeit von Material und Form

Laserschneidmaschinen haben einen großen Anwendungsbereich und können verschiedene metallische Werkstoffe wie Baustahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer und sogar Legierungen und Sondermetalle effizient schneiden.

Zur gleichen Zeit, Laserschneiden ist nicht auf die Komplexität der Muster, ob für einfache gerade Schneiden, oder komplexe gekrümmte Kontur, auch die zwei-oder dreidimensionale Teile, kann es leicht zu beenden.

Dies gibt den Designern mehr Freiheit und kreativen Spielraum bei der Produktgestaltung und fördert die Herstellung auf einer höheren Ebene der personalisierten und kundenspezifischen Entwicklung.

VI. Überlegungen zum Schneiden von Metall mit Lasern

Überlegungen zu Materialeigenschaften: Reflexionsvermögen und Wärmeleitfähigkeit

Reflektivität: Verschiedene Metallarten haben unterschiedliche Absorptionsfähigkeiten für den Laserstrahl. So wird zum Beispiel bei hochreflektierenden Metallen wie Aluminium und Kupfer ein Teil der Energie reflektiert, anstatt absorbiert und in Wärme umgewandelt zu werden, was die Geschwindigkeit und die Wirkung der Schmelze oder des verdampften Metalls beeinträchtigen kann. Daher ist bei dieser Art von Metall ein Laser mit höherer Leistung oder ein spezielles Hilfsgas und optisches System erforderlich, um die Laserabsorptionsrate zu erhöhen.

Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit des Metalls bestimmt, wie schnell die Wärme übertragen wird, wenn es erhitzt wird. Die Wärme eines Metalls mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium breitet sich schnell in der Umgebung aus, wodurch die Energiedichte des Laserfokuspunkts verringert wird. Dies kann eine Anpassung der Laserparameter erforderlich machen, um eine ausreichende örtliche Wärmeakkumulation für ein effektives Schneiden zu gewährleisten.

Bei Metallen mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. rostfreiem Stahl, ist es dagegen einfacher, einen hohen Wirkungsgrad beim Schneiden zu erzielen, da die Wärme weniger diffus ist.

Einfluss von Laserleistung und Schnittgeschwindigkeit

Laserleistung: Die Laserleistung wirkt sich direkt auf die Schnittgeschwindigkeit und -tiefe aus. Je höher die Leistung, desto schneller schmilzt das Werkstück auf und desto gleichmäßiger ist der Schnitt. Eine höhere Leistung kann jedoch dazu führen, dass die Werkstücke übermäßig aufgeschmolzen oder verformt werden. Daher ist die Wahl der richtigen Laserleistung von großer Bedeutung.

SchnittgeschwindigkeitSchnittgeschwindigkeit: Die Schnittgeschwindigkeit steht in Wechselwirkung mit der Laserleistung und bestimmt gegenseitig die endgültige Schnittqualität und die Auswirkungen. Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit kann den Wärmeeintrag und die Wärmeeinflusszone reduzieren und so eine bessere Schnittkantenqualität erzielen. Eine zu hohe Geschwindigkeit kann jedoch zu unvollständigen Schnitten führen oder dazu, dass das Material nicht durchdrungen wird. Durch eine optimale Abstimmung von Leistung und Schnittgeschwindigkeit lässt sich ein optimaler Schneideffekt erzielen und die Produktivität sicherstellen.

VII. Schlussfolgerung

Wir erinnern uns, dass die Laserschneidtechnologie ihre außergewöhnlichen Eigenschaften beim präzisen Schneiden von verschiedenen Metallen (z. B. Baustahl, Edelstahl und Aluminium) und bei der präzisen Kontrolle der Metalldicke, des Reflexionsvermögens und der Wärmeleitfähigkeit bewiesen hat.

Mit der ständigen Verbesserung der Laserleistung und der Entwicklung fortschrittlicher Technologien wie dem Faserlaserschneiden wurde die Fähigkeit, dickere oder schwer zu schneidende Metallmaterialien zu bearbeiten, kontinuierlich verbessert.

Vom einfachen zweidimensionalen Schneiden bis hin zur komplexen dreidimensionalen Formgebung, von der Massenproduktion von Kriterien bis hin zum individuellen Design, wird die Laserschneidtechnologie die gesamte Metallverarbeitung vorantreiben und ihre Rolle in der modernen Effizienz und Präzisionstechnologie weiter stärken.

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