Vielseitiges Schneidwerkzeug: Was kann der Laserstrahl?

Mehr als ein halbes Jahrhundert ist es her, dass Theodore Maiman den ersten offiziellen Laserstrahl erzeugte und die damit die Basis für die Nutzung als Schneidwerkzeug schuf. Der findige Elektroingenieur und Physiker verwendete 1960 einen Rubinkristall als aktives Medium, weshalb der erste Laser der Welt auch als Rubinlaser bezeichnet wird. Der Rubinlaser von Maiman war ein Festkörperlaser und ebnete den Weg für die Erfolgsgeschichte der Lasertechnologie. Neben dem Plasma- und Autogenschneiden, dem Stanzen und Fräsen gehört das Laserschneiden heutzutage zu den gängigsten Fertigungsprozessen zur Bearbeitung von Blechen.

Beim Schneiden mit dem Laser wird Licht zu einem stark fokussierten Strahl gebündelt. Dabei wird das Material an der Stelle, an der es mit dem Laserstrahl in Berührung kommt, so stark erhitzt, dass es verbrennt, schmilzt oder verdampft. Die dabei entstehenden Dämpfe und die Schmelze werden dann mit einem Prozessgas ausgetrieben. So entsteht eine Schneidfuge, die das Durchtrennen des Materials entsprechend einer gewünschten Geometrie ermöglicht.

Die Technologie wurde immer weiterentwickelt und die Grenzen des Machbaren über die Zeit immer weiter verschoben. Mittlerweile ist es möglich, Bleche mit einer Stärke von bis zu 40 mm wirtschaftlich und mit einer sehr guten Qualität mit dem Laser zu schneiden. Im Laufe der Zeit wurden verschiedene Lasersysteme für das Laserschneiden entwickelt. Zu den heute bekanntesten gehören der CO2-Laser und der Faserlaser. Bei CO2-Lasern handelt es sich um Gaslaser, die eine spezielles Gasgemisch elektrisch anregen, um das benötigte Licht zu erzeugen. Im Gegenzug dazu sind Faserlaser sogenannte Festkörperlaser, die einen Wirtskristall zur Erzeugung des Laserlichts verwenden.

Suchte Theodore Maiman 1960 nach seiner Erfindung noch nach einem passenden Problem für die gefundene Lösung, so haben Laserschneidanlagen in der heutigen Fertigung längst ihren Platz gefunden. Laserschneiden hat sich gemeinhin als wirtschaftliches und präzises Trennverfahren von Metallen und vielen anderen Werkstoffen etabliert. Zu den immer wieder aufgeführten Vorteilen gehört die Präzision, die Wirtschaftlichkeit und die Vielseitigkeit. Gerade gegenüber konkurrierenden Verfahren wie etwa dem Stanzen von Blechen konnte und kann das Laserschneiden sich immer mehr behaupten.

In Folge der Erfindung von Maiman entwickelten sich verschiedene Ansätze zum Einsatz der Technologie für das exakte Schneiden von festen Werkstoffen. Die drei gängigsten Verfahren sind das Laserschmelzschneiden, das Laserbrennschneiden und das Lasersublimationsschneiden. Das Grundprinzip ist bei allen drei Verfahren identisch – das erzeugte Laserlicht wird stark gebündelt auf das zu bearbeitende Material gelenkt. Unterschiede weisen die Verfahren in der Reaktion des Materials mit dem Laserlicht und in dem verwendeten Prozessgas auf. Vereinfacht gesagt wird das Material beim Brennschneiden tatsächlich verbrannt, beim Schmelzschneiden aufgeschmolzen und beim Sublimationsschneiden verdampft. Dem Prozessgas kommt je nach Verfahren eine andere Aufgabe zu. Beim Brennschneiden liefert der Sauerstoff zusätzliche Energie für den Prozess, beim Schmelz- und Sublimationsschneiden treiben die Prozessgase das aufgeschmolzene Material aus der Schneidfuge und sorgen für bessere Schneideigenschaften.

Zu den wichtigsten Argumenten des Laserschneidens gehört in der heutigen Industrie die Präzision, mit der das Verfahren das Durchtrennen von festen Werkstoffen ermöglicht. Hierbei bezieht sich der Begriff Präzision nicht ausschließlich auf die vorgegebene Geometrie, sondern gerade auch auf die beim Laserschneiden geradezu rechtwinkligen und gradfreien Schneidkanten. Mit dem Laser können auch sehr filigrane Geometrien exakt und präzise und mit einer herausragenden Qualität gefertigt werden. Die genaue Laserstrahlführung, die hohe Leistungsdichte und eine hohe Schneidgeschwindigkeit ermöglichen unter Einsatz der entsprechenden Schneidgase hoch präzise Konturgenauigkeiten von ± 0,01 mm. Je nach Materialstärke sind zudem enge Schnittfugen von 0,03 mm möglich, was die Fertigung von kleinsten geometrischen Formen ermöglicht. Der Laserstrahl bearbeitet das Material, ohne es mechanisch zu berühren. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer kontaktlosen Bearbeitung. Diese kontaktlose Bearbeitung führt zu einer geringeren thermischen Belastung und in Folge zu einem geringeren Verzug des Blechs als etwa beim Plasmaschneiden oder Stanzen.

Die Fertigungstechnik des Laserschneidens ist aber nicht nur für Ihre Präzision bekannt. Zu den Vorteilen der Technologie gehört auch ihre Vielseitigkeit. Das High-Tech-Werkzeug Laserstrahl durchtrennt eine Vielzahl von Materialien. Es eignet sich zum Durchtrennen von Stahlblech und Metall, Keramik, Kunststoff, Textil und sogar für vieler Faserverbundwerkstoffen. Kein anderes Trennverfahren kann bei so vielen Materialien so effektiv und einfach eingesetzt werden. Darüber hinaus beherrschen viele Laserschneidanlagen nicht nur das reine Schneiden, sondern auch das Laserbohren und Gravieren. Mit einem Rüstungsvorgang können also durch die Kombination der Verfahren verschiedene Prozesse zur Bearbeitung eines Laserteils durchgeführt werden. Das erhöht die Präzision und die Wirtschaftlichkeit und verringert die Fehlerwahrscheinlichkeit durch mehrmaliges Rüsten und Ausrichten.

Auch in puncto Wirtschaftlichkeit überzeugt das Schneidwerkzeug Laser in der modernen industriellen Fertigung: Kein anderes Verfahren ist so flexibel im Hinblick auf geometrische Anpassungen und dabei bereits für Einzelteile wirtschaftlich realisierbar. Aufgrund der hohen Schneidgeschwindigeiten und können Bleche beim Laserschneiden schnell und effizient bearbeitet werden. Eine vergleichbare Materialausnutzung wird bei keinem anderen Verfahren erzielt. Darüber hinaus wird bei Laserschneiden kein Werkzeug benötigt, was nicht nur geringen Rüstungs- und Verschleißkosten zur Folge hat.

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist auch, dass Geometrien jederzeit kurzfristig geändert und angepasst werden können. Durch die einfache Übertragung der Auftragsdaten auf die Lasermaschine kann ein Auftrag innerhalb kürzester Zeit nach Beauftragung und mit sehr geringen Rüstkosten gestartet werden. Da Laserteile meist sehr saubere und nahezu gratfreie Schnittkanten aufweisen, ist eine kostspielige und aufwände Nachbearbeitung in vielen Fällen nicht nötig.

Auch wenn die Grundlagen der Technologie bereit vor über einem halben Jahrhundert gelegt wurden, wird das Verfahren nach wie vor weiterentwickelt und ausgebaut. Neben immer höheren Laserleistungen und Materialstärken stehen dabei auch Geschwindigkeit und Präzision im Fokus.