Laserstrahlmaschinen: Mehr Leistung = mehr Profit? 

Laserstrahlschneidmaschinen haben sich von einer radikalen Innovation zum leistungsstarken Standard für die industrielle und gewerbliche Blechbearbeitung entwickelt. Durch tiefgreifende Optimierungen an der Basis des Verfahrens konnte die Produktivität des thermischen Trennens per Laser erheblich gesteigert werden. Doch die Entwicklung bleibt nicht stehen: Denn weitere Verbesserungen an der Dynamik der Laserschneidmaschinen, Hochleistungs-Lasertechnologie und Anpassungen im Prozessablauf bieten noch großes Potenzial.  

Schnelle Palettenwechsler für den automatischen Materialfluss, fortgeschrittene Nesting-Algorithmen in der CAD/CAM-Anwendung und intelligentes Energiemanagement bei der Laserquelle: Mit diesen Mitteln können Anwender von  Laserschneidmaschinen ihre Produktivität und damit auch ihre Wirtschaftlichkeit erhöhen. Doch hier liegen die Ansatzpunkte vor allem in der Optimierung unterstützender Prozesse und der Gestaltung der Anlagenperipherie. Jedoch ist mit der Laserleistung der größte Hebel zur Steigerung der Produktivität beim Laserschneiden noch längst nicht ausgereizt. Lag zu Anfang der Fokus auf der Steigerung der Kapazität der verbreiteten CO2-Laser, so wird nun der Festkörperlaser immer mehr zur Option.

Mit seiner Fiber-Lasertechnologie bietet Eagle Unternehmen die Möglichkeit, den nächsten großen Schritt in Richtung einer optimalen Wirtschaftlichkeit beim Laserschneiden zu machen. Denn der Ansatz ermöglicht  gegenüber dem CO2-Laser deutlich höhere Leistungen. Statt mit üblicherweise bis zu 6 kW beim CO2-Laser schneiden Kunden von Eagle mit 10, 12 und sogar 20 kW.  

Kein Parameter wirkt sich beim Laserschneiden so direkt auf die Anlagenproduktivität  aus wie die Laserleistung. Mit jedem Leistungszuwachs sinken die Teilezeiten – und das macht sich auf der Kostenseite deutlich stärker bemerkbar als die gegenläufigen Effekte.  Zwar steigen im Gegenzug der Energieeinsatz und der Maschinenstundensatz, doch diese Mehrkosten werden von der gesteigerten Produktivität um ein Vielfaches überkompensiert. Die Produktivität wächst deutlich stärker als die Kosten.

Verantwortlich dafür ist auch der hohe Wirkungsgrad des Fiber-Lasers.  Sind die Rahmenbedingungen für den Einsatz einer Hochleistungs- Laserschneidmaschine gegeben, ist sie die wirtschaftlichste Option. Denn über die Gesamtwirtschaftlichkeit einer Fertigungsanlage entscheidet immer das Verhältnis  zwischen Kosten und Produktivität. Hier hat der Fiber-Laser dank höchster Schnittgeschwindigkeiten ohne Einbußen bei der Schneidqualität den Vorteil auf seiner Seite. Dabei lässt Eagle auch ein weiteres Potenzial nicht brachliegen: die Dynamik der  Laserschneidmaschine. Maximale Achsgeschwindigkeiten und Beschleunigungen bis 6G lassen weitere Limitierungen bei der Schnittgeschwindigkeit fallen. Selbstverständlich braucht es dafür eine leistungsfähige Maschinensteuerung, die das Zusammenspiel von mechanischen und elektrischen Systemkomponenten optimiert.

Mit seiner hohen Robustheit ist das Laserstrahlschneiden die unverzichtbare Basistechnologie in der Blechbearbeitung. Die korrekte Wahl der Verfahrensparameter entscheidet jedoch über die erfolgreiche Anwendung. Angesichts des hohen Kostendrucks in der Branche ist das ein kritischer Faktor. Denn Effizienzvorteile beim Laserschneiden kommen direkt dem eigenen Gewinn zugute. Zu den Kriterien für die Prozessführung zählen unter anderem Material und Materialstärke, Komplexität der zu schneidenden Konturen sowie die Anforderungen an die Genauigkeit und Güte der Schnittkanten.

Mit seinen Hochleistungs-Laserschneidmaschinen richtet sich Eagle vor allem auf das  Schmelzschneiden aus. Denn es profitiert am meisten von besonders hohen Laserleistungen. Weil hier nur der Laser als Energiequelle für das Aufschmelzen des  Werkstoffes zur Verfügung steht, wirkt eine zu geringe Laserleistung als limitierender Faktor auf die Schnittgeschwindigkeit. Beim Brennschneiden setzt dagegen die  Oxidation des Materials mit dem Schneidgas Sauerstoff zusätzliche Energie in einem erheblichen Ausmaß frei. Werden dicke Bleche im Schmelzschneidverfahren bearbeitet, sinkt daher die Schnittgeschwindigkeit. Das kann nur durch eine erhöhte Laserleistung  ausgeglichen werden. Hier spielt der Fiber-Laser von Eagle seinen Vorteil aus: Er macht hohe Schnittgeschwindigkeiten beim Schmelzschneiden dicker Materialien möglich. Das gilt  vor allem für den Kernbereich mit Dicken von 1 bis 25 mm, doch selbst 50 mm sind  machbar. Anwender können mit dieser Technologie auch hohe Blechstärken mit sehr  hoher Schnittqualität verarbeiten. Das steigert die Quote an Gutteilen und senkt den Nacharbeitsaufwand.  

Der technische Fortschritt hat erhebliche Weiterentwicklungen bei allen Teilprozessen des Laserschneidens ermöglicht. Wegen ihres direkten Zusammenhangs mit der Fertigungszeit und damit den Stückkosten stand die Laserleistung von Anfang an im Fokus. Auf die Steigerung der Laserleistung folgte die Optimierung der Maschinendynamik 6G als nächste Evolutionsstufe. Hier kommen mittlerweile Hochleistungswerkstoffe und  modernste Antriebstechnologie zum Einsatz. Effiziente Linearmotortechnik befördert  den Schneidkopf mit maximaler Beschleunigung zur Bauteilkontur. Antriebssysteme  mit hohen Maximalgeschwindigkeiten garantieren die benötigten  Schnittgeschwindigkeiten. Doch mit dem Einsatz hochwertiger Antriebstechnologie ist  es nicht getan. Vor allem an den beweglichen Teilen der Laserschneidmaschinen  kommen immer mehr Hochleistungswerkstoffe zum Einsatz. 

Verbundwerkstoffe wie Carbon Fiber (Kohlenstofffaser) und Polymer Concrete Composite (Polymerbeton) sorgen für höchste Belastbarkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Die Basis bilden stabile Grundaufbauten, die Umweltbeeinflussungen des Prozesses vermeiden. Ohne eine optimierte Maschinensteuerung kommen die Potenziale der Dynamiksteigerung aber nicht zum Tragen. Sie berücksichtigt eine Vielzahl von Steuerungsparametern und lenkt so die Leistungsentfaltung der elektrischen und mechanischen Komponenten in die richtigen Bahnen. Schließlich  dürfen die Fortschritte nicht zulasten von Lebensdauer und Wartungsaufwand gehen.

Nicht nur durch Einsatz von Laserschneidmaschinen der neuesten Generationen  können Anwender Effizienzpotenziale heben, sondern auch durch eine optimale Prozessführung. Das zeigt ein erneuter Blick auf die Kostenstruktur beim Laserschneiden: Auf die Materialkosten als Hauptbestandteil der Stückkosten folgen direkt die Maschinenkosten. Hier können nicht nur höhere Schnittgeschwindigkeiten ansetzen. Die Teilezeiten lassen sich auch durch eine Reduzierung der Nebenzeiten wirksam  senken. Dazu gehört die Reduzierung von Totzeiten und die Parallelisierung von  Abläufen. Der Einsatz einer Ein-Schneidkopf-Strategie und automatischer Düsenwechsler wirkt sich positiv auf die Rüstkosten aus. Den Standard beim  Materialfluss markieren automatische Palettenwechsler mit weniger als 10 s. Parallel zur  Hauptzeit können sie dem System neue Blechtafeln zuführen.  

Ein weiterer Ansatzpunkt zur Senkung der Nebenzeiten kommt auch dem Materialverbrauch zugute: die Optimierung der Tafelbelegung. In der  softwaregestützten Arbeitsvorbereitung steht die bestmögliche Ausnutzung der  Blechtafel im Vordergrund. Das spart Verschnitt, der später recycelt werden muss. Weniger Restgitter kommt auch der Prozesssicherheit zugute. Denn der  wärmebedingte Verzug der Blechtafel kann zu geometrischen Abweichungen und Kollisionen mit dem Schneidkopf führen.

Intelligente Anwendungen für das Nesting beachten bei der Anordnung der Bauteilkonturen auf der Blechtafel viele Faktoren. Wo es möglich ist, sehen sie einen gemeinsamen Trennschnitt vor. Dabei schneidet die  Maschine gleichzeitig die Konturen zweier nebeneinander platzierter Bauteile. Sie sind  genau im Abstand des Strahldurchmessers angeordnet. Der erhebliche Effekt auf die  Bearbeitungszeit ist offensichtlich. Die Maschinenkosten hängen von den Teilezeiten ab, aber auch von den Eckdaten der Laserschneidmaschine: Aus betriebswirtschaftlicher Sicht bestimmen ihre  Anschaffungs- und Wartungskosten den Maschinenstundensatz entscheidend.

Ein  weiterer Vorteil des Fiber-Lasers von Eagle: Anders als ein CO2-Laser benötigt diese  Lasertechnologie keine Spiegel und kein CO2-Gas, die für vergleichsweise hohe laufende Kosten sorgen.  

Bei der Blechverarbeitung mittels Laserschneiden beanspruchen die Materialkosten häufig bereits 75 % der Stückkosten. Weit mehr Beeinflussungsmöglichkeiten bieten aber die Maschinenkosten als zweitgrößte Komponente. Maßnahmen der Prozessoptimierung können hier deutliche Verbesserungen erzielen, ohne dass die Investition in eine neue Laserschneidmaschine erforderlich ist. Doch wer eine  bestmögliche Wirtschaftlichkeit erzielen möchte, sollte das Gesamtsystem optimieren. Hier kann eine Laserschneidmaschine mit Hochleistungs-Laser den  Durchbruch bedeuten. Die Relation zwischen hohen Schnittgeschwindigkeiten und der Produktivität des Verfahrens ist sehr direkt: Je schneller der Schneidkopf die Bauteilkontur aus dem  Material trennen kann, desto kürzer ist die Maschine belegt. Die mögliche Ausbringungsmenge erhöht sich entsprechend.

Dabei gibt es insbesondere beim Schmelzschnitt einen linearen Zusammenhang zwischen der Laserleistung und den zu erreichenden Schnittgeschwindigkeiten. Damit sich die höhere Produktionskapazität im Einsatz rechnet, dürfen, bezogen auf eine Zeiteinheit, die Kosten für die Maschine weniger stark steigen als die Produktivität der Maschine. Denn dann verbessert sich das Verhältnis von Maschinenkosten zu Teilezeiten. Im Ergebnis steigt die Gesamtwirtschaftlichkeit des Laserschneidens. Bei gleichem Abgabepreis an den Kunden erzielt der Anbieter mit jedem Bauteil direkt einen höheren Deckungsbeitrag. 

Die Zusammenhänge lassen sich am besten an einem realen Zahlenbeispiel  verdeutlichen. Unsere Fallstudie zeigt, wie der Hochleistungs-Laser von Eagle sein Potenzial in der Praxis entfaltet. Ermittelt wurden die Zahlen an einem anwendungstypischen Referenzbauteil: (Material: Baustahl St 37, Dicke: 8 mm dick, geschnittene Länge pro Teil: 1.975 mm  Gesamtgröße: 210 × 287 mm).

Natürlich verändern andere Bauteilkonturen und Materialien die Ergebnisse. Auch die  Dynamik der Maschine spielt eine wichtige Rolle. In unserem Anwendungsfall mit 8-mm-Baustahl erzielt ein Hochleistungs-Laser von Eagle mit 20 kW die fünffache Schnittgeschwindigkeit eines 4-kW-Lasers.  Da schneller geschnitten wird, sinkt auch der Wärmeeintrag ins Blech. Der Prozess ist robuster gegenüber Verzug und thermischen Materialveränderungen. So lassen sich mit dem Material Konturen erzeugen, bei denen geringere Schnittgeschwindigkeiten keine stabile Erzeugnisqualität gewährleisten könnten. 

Aus dem technischen Potenzial wird ein betriebswirtschaftlicher Vorteil: Die erreichten  Schnittgeschwindigkeiten lassen sich nahezu direkt in die jeweilige Ausbringungsmenge je Stunde übersetzen:  Damit sich die Investition in eine Hochleistungs-Laserschneidmaschine rechnet,   dürfen ihre Kosten das Potenzial aus der gesteigerten Produktivität nicht  zunichtemachen. Das Diagramm zeigt es deutlich: Die Maschinenkosten wachsen in  einem viel geringeren Ausmaß als die möglichen Produktionsmengen.   

Das Resultat ist klar: Die Investition in eine Laserschneidmaschine mit Hochleistungs- Laser kann die Kostenstruktur nachhaltig positiv verändern. Der Schlüssel sind die  erheblich höheren Schnittgeschwindigkeiten, die die Fertigungszeiten pro Teil auf  einen Bruchteil reduzieren. Zwar steigt im Gegenzug der Maschinenstundensatz, doch  nur sehr moderat. Ist die notwendige Auslastung der Maschine gegeben, dann ist ein Hochleistungs-Laser die wirtschaftlichste Option. Schon eine 10-kW-Maschine von  Eagle kann die Produktivität mehr als verdoppeln – und das bei einem lediglich um 20 % gesteigerten Maschinenstundensatz. Dabei erhöht sich der  Maschinenstundensatz nur sehr moderat. Mit hoher Leistung  und kompromissloser Lebensdauer ermöglichen die Maschinen einen idealen Mix aus Produktivität und Maschinenstundensatz. Die Zusammenhänge möchten wir noch einmal verdeutlichen: Gegenüber der Fertigung  mit einer 4-kW-Maschine sinken die Stückkosten auf der 20-kW-Maschine um über 70 %. Das ist das Ergebnis aus der vielfachen Produktionsmenge bei, bezogen auf dieselbe Zeiteinheit, geringfügig steigenden Maschinenkosten. Für unseren Beispielfall  rechnen wir mit einem typischen Maschinenstundensatz von 100 EUR für die 4-kW- Laserschneidmaschine.

Zwar hat die Laserstrahltechnologie bereits eine beachtliche Entwicklung hinter sich, die sie zum Standardverfahren für das Trennen von Blechen gemacht hat, doch ausgereizt ist das Verfahren noch lange nicht. Im Gegenteil: Die Entwicklungen am Markt für Laserschneidmaschinen zeigen sich so dynamisch wie nie. Denn bei den Anwendern besteht der Bedarf nach immer besseren Laserschneidsystemen. Nur wer optimal abgestimmte Gesamtsysteme betreibt, kann die Laserbearbeitung zu wirtschaftlichen Konditionen anbieten. Schon heute bleibt neben den dominierenden Materialkosten nur wenig Spielraum für  Maschinen- und Bedienerkosten. Das gibt einen klaren Weg vor: Bei überschaubarem Mehraufwand für Anschaffung und Instandhaltung müssen moderne Laserschneidmaschinen maximale Produktionskapazitäten schaffen. Der Betrieb eines effizienten  Gesamtsystems erfordert die optimale Gestaltung der Prozesse für Materialfluss, Arbeitsvorbereitung, Rüsten und Wartung. Doch ohne eine entsprechende  Maschine stoßen diese Optimierungspfade an ihre Grenzen. Hier kann vor allem eine Laserschneidmaschine mit besonders hoher Leistung auf Basis eines Fiber-Lasers den Durchbruch bringen. Denn sie hält die Maschinenkosten gering, kann aber die Produktionskapazität vervielfachen. Das funktioniert nicht nur in unserer Fallstudie, sondern es zeigt sich auch in der täglichen Daueranwendung bei unseren Kunden. Hier schaffen die Maschinen von Eagle bereits neuen Spielraum im engen Rahmen der Stückkosten.

Wer jetzt die Potenziale von Hochleistungs-Lasermaschinen für sich erschließen will, der sollte bei seiner Investitionsentscheidung viele Faktoren beachten. Denn  die Abhängigkeiten zwischen Prozessgestaltung, Maschine und Nutzungsprofil  sind entscheidend. Hochleistungs-Lasermaschinen ermöglichen eine optimale Wirtschaftlichkeit, doch realisieren lässt sich diese nur in einem abgestimmten Gesamtsystem. Eagle bietet Kunden sein Know-how und seine Erfahrung an, um gemeinsam die  richtige Lösung für den individuellen Anwendungsfall zu finden. Als Produzent von  Hochleistungs-Lasermaschinen hat Eagle bereits zahlreiche Kunden auf dem Weg zu einer hochwirtschaftlichen Laserbearbeitung begleitet. Dabei definiert das  Unternehmen den jeweils optimalen Mix aus Produktivität und Investition.