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Laserschneiden und Laserbohren

 

Der Laser bewältigt unterschiedlichste Schneidaufgaben. Sie reichen von der mikrometergenauen Schnittfuge im hauchdünnen Halbleiterchip bis zum Qualitätsschnitt im 30 Millimeter dicken Stahlblech. Beim Laserbohren erzeugt der Laserstrahl berührungslos feinste bis größere Löcher in Metallen, Kunststoffen, Papier und in Stein.

 

 

 

Prinzip des Lasertrennens.

Wo der fokussierte Laserstrahl auf das Werkstück trifft, erwärmt er das Material so stark, dass es schmilzt oder verdampft. Sobald er das Werkstück vollständig durchdrungen hat, kann der Schneidprozess beginnen: Der Laserstrahl bewegt sich entlang der Teilekontur und schmilzt das Material fortlaufend auf. Meist bläst ein Gasstrom die Schmelze nach unten aus der Schnittfuge. Der Schnittspalt ist kaum breiter als der fokussierte Laserstrahl selbst.

Beim Laserbohren schmilzt und verdampft ein kurzer Laserpuls mit hoher Leistungsdichte das Material. Der dabei entstehende hohe Druck treibt die Schmelze aus dem Loch.

Brennschneiden

Das Standardverfahren für Baustahl. ...

Brennschneiden ist ein Standardverfahren, das überwiegend Baustahl trennt.

Das Brennschneiden eignet sich insbesondere zum Trennen von Baustahl.

Das Brennschneiden benötigt Sauerstoff als Schneidgas. Der Sauerstoff wird mit Drücken von bis zu 6 bar in die Schnittfuge geblasen. Dort reagiert das erwärmte  Metall mit dem Sauerstoff: Die Oxidation setzt sehr viel Energie frei – bis zum Fünffachen der Laserenergie – und unterstützt den Laserstrahl. Brennschneiden erlaubt hohe Schneidgeschwindigkeiten und das Bearbeiten dicker Bleche. Baustahl lässt sich beispielsweise in Dicken bis über 30 Millimeter schneiden.

Schmelzschneiden

Laserschmelzschneiden trennt alle schmelzbaren Werkstoffe wie beispielsweise Metalle.

Als Schneidgas dient beim Laserschmelzschneiden Stickstoff oder Argon. Es wird mit Drücken zwischen 2 und 20 bar durch die Schnittfuge getrieben. Argon und Stickstoff sind inerte Gase. Das heißt, sie reagieren nicht mit dem aufgeschmolzenen Metall im Schnittspalt, sondern blasen es nur nach unten aus. Gleichzeitig schirmen sie die Schnittkante von der Luft ab.

Der Vorteil: Die Kanten bleiben oxidfrei und müssen nicht mehr nachbearbeitet werden. Allerdings steht zum Schneiden allein die Energie des Laserstrahls zur Verfügung.

In dünnen Blechen ist die Schneidgeschwindigkeit so hoch wie beim Brennschneiden. Bei größeren Blechdicken und beim Einstechen ist die Prozessgeschwindigkeit gegenüber dem Brennschneiden reduziert. Einige Schneidanlagen bieten die Möglichkeit, mit Sauerstoff einzustechen und dann mit Stickstoff weiterzuschneiden.

Sublimierschneiden

Hochwertige Schnittkanten für feine Schneidaufgaben.

Der Laserstrahl verdampft und verbrennt das Material. Der Dampfdruck treibt die Schlacke aus der Schnittfuge.

Bei diesem Verfahren verdampft der Laser das Material möglichst schmelzarm. Der Materialdampf erzeugt in der Schnittfuge einen hohen Druck, der die Schmelze nach oben und unten herausschleudert.
Das Prozessgas, Stickstoff, Argon oder Helium, schirmt die Schnittflächen lediglich von der Umgebung ab. Es sorgt dafür, dass die Schnittkanten oxidfrei bleiben. Aus diesem Grund genügt ein Gasdruck von 1 bis 3 bar.

Metall zu verdampfen erfordert mehr Energie als es zu schmelzen. Deshalb benötigt Sublimierschneiden hohe Laserleistungen und ist langsamer als andere Schneidverfahren. Dafür erzeugt es hochwertige Schnittkanten.

Ein lasergeschnittener Stent.

In der Blechbearbeitung wird das Verfahren kaum angewendet. Erst dort, wo die Schneidaufgaben besonders fein sind, wird es attraktiv. Dazu gehört beispielsweise das Schneiden von Stents in der Medizintechnik.

Zu den typischen Werkstoffen zählen

  • Kunststofffolien und Textilien, die schon
    bei geringer Energie verdampfen, und
  • Werkstoffe, die nicht schmelzen können,
    etwa Holz, Pappe, Schaumstoffe.

Bohren

Der Laserstrahl erzeugt beim Laserbohren berührungslos feinste bis größere Löcher in verschiedenen Materialien.

Das Prinzip des Laserbohrens: Der Laser schmilzt und verdampft das Material. Der Dampfdruck treibt die Schmelze aus dem Loch.

Ein kurzer Laserpuls mit hoher Leistungsdichte bringt beim Laserbohren die Energie in sehr kurzer Zeit in das Werkstück. Dadurch schmilzt und verdampft das Material. Je größer die Pulsenergie ist, desto mehr Material schmilzt und verdampft. Beim Verdampfen vergrößert sich das Materialvolumen im Bohrloch schlagartig und ein hoher Druck entsteht. Dieser Dampfdruck treibt das aufgeschmolzene Material aus dem Bohrloch.

Eine Besonderheit stellt die Laserbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern im Pikosekundenbereich dar. Dabei wird das Material durch Sublimation direkt ohne Materialaufschmelzung aus dem festen Zustand verdampft - das Bauteil wird dabei nicht erwärmt.

Im Laufe der Zeit haben sich aus dem Grundprinzip mehrere Bohrverfahren entwickelt:

Einzelpulsbohren (links) und Perkussionsbohren (rechts).

Einzelpulsbohren und Perkussionsbohren

Im einfachsten Fall erzeugt ein einzelner Laserpuls mit vergleichsweise hoher Pulsenergie die Bohrung. Auf diese Weise lassen sich sehr schnell viele Löcher erzeugen. Beim Perkussionsbohren entsteht die Bohrung durch mehrere Laserpulse mit geringerer Pulsdauer und Pulsenergie. Dieses Bohrverfahren liefert tiefere und präzisere Löcher als das Einzelpulsbohren. Perkussionsbohren ermöglicht außerdem kleinere Lochdurchmesser.

Trepanierbohren.

Trepanierbohren

Beim Trepanieren entsteht die Bohrung ebenfalls durch mehrere Laserpulse. Zunächst bohrt der Laser ein Startloch mittels Perkussionsbohren. Anschließend vergrößert er das Startloch, indem er in mehreren, zunehmend größeren Kreisbahnen über das Werkstück fährt. Der größte Teil des aufgeschmolzenen Materials wird dabei nach unten aus dem Bohrloch getrieben.

Helixbohren

Anders als beim Trepanieren wird beim Helixbohren kein Startloch erzeugt. Der Laser fährt schon bei den ersten Pulsen in einer Kreisbahn über das Material. Dadurch tritt viel Material nach oben aus. In einer Wendeltreppenform arbeitet sich der Laser in die Tiefe vor. Dabei kann der Fokus nachgeführt werden, so dass er immer am Boden der Bohrung liegt. Wenn der Laser das Material durchdrungen hat, können noch einige Runden angefügt werden. Sie dienen dazu, die Unterseite der Bohrung aufzuweiten und die Ränder zu glätten. Mit Helixbohren lassen sich sehr große und tiefe Bohrlöcher mit hoher Qualität erzeugen.