Laser Cutter, vielseitiges Werkzeug, praxisnah erklärt!

Laserschneiden ist eine Technologie, bei der ein Laser zum Verdampfen von Materialien eingesetzt wird, wodurch eine Schnittkante entsteht. Das dazugehörige Werkzeug nennt sich Laser Cutter, teilweise auch zusammenhängend als „Lasercutter“ bezeichnet. Neben dem Haupteinsatzgebiet, dem Schneiden verschiedener Materialien, kann ein Laser Cutter auch als Werkzeug zum Gravieren sowie zur Beschriftung und Veredelung von Oberflächen eingesetzt werden. Dieser Artikel beschreibt die Arbeitsweise, die Prozessdetails und die unterschiedliche Materialnutzung des Laserschneidens.

Das Verfahren wird in der Regel in der industriellen Fertigung eingesetzt, findet aber inzwischen auch in Schulen, kleinen Unternehmen, in der Architektur und bei Hobbytreibenden Anwendung. Beim Laserschneiden wird die Leistung eines Hochleistungslasers in der Regel durch eine Optik geleitet. Die Laseroptik und die CNC-Steuerung (CNC = „Computer Numeric Control“) werden verwendet, um den Laserstrahl auf das Material zu richten. Ein kommerzieller Laser zum Schneiden von Materialien verwendet ein Bewegungssteuerungssystem, das einem CNC- oder G-Code des zu schneidenden Musters auf dem Material folgt. Der fokussierte Laserstrahl wird auf das Material gerichtet, das dann entweder schmilzt, verbrennt, verdampft oder von einem Gasstrahl weggeblasen wird, wobei eine Schnittkante mit einer hochwertigen Oberfläche zurückbleibt.

Die Arbeitsweise des Laser-Cutters im Detail

Der Laserstrahl wird mit einer hochwertigen Linse auf den Arbeitsbereich fokussiert. Die Qualität des Strahls hat einen direkten Einfluss auf die Größe des fokussierten Punkts.

Projektpraxis: Der engste Teil des fokussierten Strahls hat im Allgemeinen einen Durchmesser von weniger als 0,32 mm. Je nach Materialdicke sind Schnittspaltbreiten bis zu 0,10 mm möglich.

Um mit dem Schneiden an einer anderen Stelle als der Kante beginnen zu können, wird vor jedem Schnitt ein Einstechen durchgeführt. Beim Einstechen wird in der Regel ein gepulster Hochleistungslaserstrahl verwendet, der langsam ein Loch in das Material bohrt.

Wie lange dauert das Lasern? Bei rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 13 mm dauert beispielsweise das Lasern circa  5 – 15 Sekunden.

Die parallelen Strahlen kohärenten Lichts aus der Laserquelle haben i. d. R. einen Durchmesser von 1,5 – 2,0 mm. Der Strahl wird normalerweise durch eine Linse oder einen Laserspiegel auf einen sehr kleinen Punkt von etwa 0,025 mm fokussiert und verstärkt, um einen sehr intensiven Laserstrahl zu erzeugen.

Um beim Konturschneiden eine möglichst glatte Oberfläche zu erzielen, muss die Polarisationsrichtung des Strahls gedreht werden, während er den Umfang eines konturierten Werkstücks umläuft. Beim Schneiden von Blechen beträgt die Brennweite in der Regel 38 – 76 mm.

Vorteile des Laserschneidens

Zu den Vorteilen des Laserschneidens gegenüber dem mechanischen Schneiden gehören:

• Eine einfachere Werkstückaufnahme.
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• Eine geringere Verunreinigung des Werkstücks (da z. B. keine spanabhebende Schnitttechnik zur Anwendung kommt).
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• Die Präzision ist beim Laserschneiden deutlich höher als bei konventionellen Schneidtechniken, da der Laserstrahl während des Prozesses nicht verschleißt.
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• Außerdem besteht eine geringere Gefahr, dass sich das zu schneidende Material verzieht, da Lasersysteme nur eine kleine Wärmeeinflusszone erzeugen.
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• Einige Materialien lassen sich mit herkömmlichen Methoden nur sehr schwer oder gar nicht schneiden – auch hier trumpft das Schneiden mit dem Laser Cutter auf.

Aber auch gegen andere moderne Schneidmethoden kann sich der Laser behaupten:

Das Laserschneiden von Metallen hat etwa gegenüber dem Plasmaschneiden den Vorteil, dass es präziser ist und beim Schneiden von Blechen weniger Energie verbraucht. Die meisten Industrielaser können allerdings nicht durch die größeren Metalldicken schneiden, wie es Plasma kann. Neuere Lasermaschinen, die mit höherer Leistung arbeiten (meist 6.000 Watt, im Gegensatz zu den frühen Laserschneidmaschinen mit 1.500 Watt), nähern sich jedoch in ihrer Fähigkeit, dicke Materialien zu schneiden, den Plasmaschneidmaschinen an. Allerdings sind die Investitionskosten für solche Maschinen deutlich höher als die von Plasmaschneidmaschinen.

Sichtheitshinweis: Aufgrund des Verletzungsrisikos gibt es international anerkannte Sicherheitsklassen, um das Lasern sicherzumachen. Eine Übersicht dieser Laserklassen und weitere technische Informationen für Laser-Cutter finden Sie hier.

Typen von Laser Cuttern

Es gibt drei Haupttypen von Lasern, die beim Laserschneiden sowie zum Gravieren und zur Oberflächenveredelung verwendet werden:

• CO2-Laser
• Neodym-Laser
• Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser

Welcher Laser-Cutter für welches Einsatzgebiet?

Der CO2-Laser ist zum Schneiden, Bohren und Gravieren geeignet. Die Neodym- (Nd) und Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat- (Nd:YAG) Laser sind baugleich und unterscheiden sich nur in der Anwendung. Der Nd:YAG-Laser wird zum Bohren und für Anwendungen verwendet, die eine hohe Energie, aber eine niedrige Wiederholrate erfordern. Außerdem kommt er zum Einsatz, wenn eine sehr hohe Leistung benötigt wird, sowie zum Bohren und Gravieren. Sowohl CO2- als auch Nd / Nd:YAG-Laser können auch zum Schweißen verwendet werden.

Welcher Laser-Cutter für welche Energiequellen?

CO2-Laser werden in der Regel verwendet, indem ein Strom durch das Gasgemisch geleitet wird (Gleichstromanregung) oder mit Hochfrequenzenergie (HF-Anregung). Die RF-Methode ist neueren Datums und hat in letzter Zeit an Popularität gewonnen. Da bei Gleichstrom Elektroden im Inneren des Hohlraums erforderlich sind, kann es zu Elektrodenerosion und Ablagerung von Elektrodenmaterial auf Glaswaren und Optiken kommen. Da HF-Resonatoren über externe Elektroden verfügen, sind sie für diese Probleme nicht anfällig.

Welcher Laser-Cutter für welche Materialien?

CO2-Laser werden für das industrielle Schneiden vieler Materialien eingesetzt, u. a. für Titan, Edelstahl, unlegierten Stahl, Aluminium, Kunststoff, Holz, Holzwerkstoffe, Wachs, Gewebe und Papier. YAG-Laser werden in erster Linie zum Schneiden und Gravieren von Metallen und Keramiken eingesetzt.

Welcher Laser-Cutter für welchen Gasfluss?

Neben der Energiequelle kann auch die Art des Gasflusses die Leistung beeinflussen. Gängige Varianten von CO2-Lasern sind schnelle axiale Strömung, langsame axiale Strömung, transversale Strömung und Slab. In einem Resonator mit schneller axialer Strömung wird das Gemisch aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff mit hoher Geschwindigkeit durch eine Turbine oder ein Gebläse umgewälzt.

Querstromlaser lassen das Gasgemisch mit geringerer Geschwindigkeit zirkulieren und benötigen ein einfacheres Gebläse. Platten- oder diffusionsgekühlte Resonatoren haben ein statisches Gasfeld, das keine Druckbeaufschlagung oder Glasgeräte erfordert, was zu Einsparungen bei Ersatzturbinen und Glasgeräten führt.

Hinweis: Der Lasergenerator und die externen Optiken (einschließlich der Fokuslinse) müssen gekühlt werden. Je nach Systemgröße und -konfiguration kann die Abwärme über ein Kühlmittel oder direkt an die Luft abgegeben werden. Wasser ist hier das am häufigsten verwendete Kühlmittel, das in der Regel durch einen Kühler oder ein Wärmeübertragungssystem zirkuliert.

Was macht ein wasserstrahlgeführter Laser?

Beim wasserstrahlgeführten Laser wird ein gepulster Laserstrahl in einen Niederdruckwasserstrahl eingekoppelt. Auf diese Weise werden Laserschneidfunktionen ausgeführt, wobei der Wasserstrahl den Laserstrahl ähnlich wie eine optische Faser durch Totalreflexion führt. Dies hat den Vorteil, dass das Wasser auch Ablagerungen entfernt und das Material kühlt. Weitere Vorteile gegenüber dem traditionellen (trockenen) Laserschneiden sind hohe Schnittgeschwindigkeiten, parallele Schnittfugen und omnidirektionales Schneiden.

Was ist ein Faserlaser?

Faserlaser stellen eine Art von Festkörperlasern dar, die in der Metallindustrie immer öfter zur Anwendung kommen. Im Gegensatz zu CO2 wird bei der Fasertechnologie ein festes Verstärkungsmedium verwendet, also kein Gas und keine Flüssigkeit. Der „Keimlaser“ erzeugt hier den Laserstrahl und wird dann in einer Glasfaser verstärkt.

Filigranität: Mit einer Wellenlänge von nur 1064 Nanometern erzeugen Faserlaser eine extrem kleine Punktgröße (bis zu 100-mal kleiner als CO2), was sie ideal zum Schneiden von verschiedenen Metallen macht.

Zu den Hauptvorteilen des Faserlaserschneidens gehören die schnellen Bearbeitungszeiten, der geringere Energieverbrauch bei steigenden Energiepreisen, sowie eine größere Zuverlässigkeit. Es gibt keine Optiken, die justiert oder ausgerichtet werden müssen, und keine Lampen, die von Zeit zu Zeit auszutauschen sind.

Lasergravuren und Oberflächenveredelung

Unter dem Begriff „Lasergravur“ versteht man die Verwendung von Lasern zur Gravur eines Objekts. Unterschieden werden muss diese von der Lasermarkierung – letztere umfasst eine breitere Kategorie von Methoden, um auf einem Objekt Markierungen zu hinterlassen, die in einigen Fällen auch Farbveränderungen aufgrund chemischer/molekularer Veränderungen, Verkohlung, Aufschäumen, Schmelzen, Ablation usw. umfassen.

Bei der Lasergravur werden weder Tinten noch Werkzeugköpfe verwendet, die mit der Gravuroberfläche in Kontakt kommen und sich abnutzen, was einen Vorteil gegenüber alternativen Gravur- oder Markierungstechnologien darstellt, bei denen Tinten oder Werkzeugköpfe regelmäßig ersetzt werden müssen. Die Auswirkungen der Lasermarkierung sind bei speziell entwickelten, laserfähigen Materialien und auch bei einigen Farben stärker ausgeprägt. Dazu gehören z. B. laserempfindliche Polymere und neuartige Metalllegierungen.

Der Begriff „Oberflächenveredelung“ wird als Oberbegriff für ein breites Spektrum von Oberflächentechniken verwendet, u. a. Drucken, Polieren und Laserkleben. Die verwendeten Maschinen für die Lasergravur und die Oberflächenveredelung sind teilweise gleich.

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