Detaillierte Analyse des Laserschneidprozesses und seiner Vorteile | Janee Präzisions-Hardware

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Detaillierte Analyse des Laserschneidprozesses und seiner Vorteile | Janee Präzisions-Hardware

27. Februar 2024

Was ist Laserschneiden?
Das Laserschneiden ist ein Verfahren, mit dem sowohl metallische als auch nichtmetallische Materialien unterschiedlicher Dicke geschnitten werden. Der Laserstrahl, geführt, geformt und fokussiert, ist der Schlüssel zum Schneiden des Materials. Wenn der Laserstrahl auf das Werkstück trifft, erhitzt er das Material bis zum Schmelzen oder Verdampfen. Die Laserleistung konzentriert sich auf einen Punkt, der typischerweise kleiner als ein halber Millimeter im Durchmesser ist. Übersteigt der Wärmeeintrag an dieser Stelle die durch Wärmeleitung verlorene Wärme, durchdringt der Laserstrahl das Material vollständig und startet den Schneidprozess. Im Gegensatz zu anderen Verfahren müssen beim Laserschneiden keine nennenswerten äußeren Kräfte auf das Blech ausgeübt werden, da der Laser berührungslos arbeitet. Das bedeutet, dass das Werkzeug selbst nicht verschleißt und das Werkstück frei von Verformungen oder Beschädigungen bleibt.



Vorteile des Laserschneidens:

Diversifizierte Materialien


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Freiheit der Kontur


Durch die Verwendung eines fokussierten Laserstrahls wird nur ein lokalisierter Bereich des Materials erwärmt, und das verbleibende Werkstück wird nur minimal bis gar nicht thermisch belastet. Dadurch ist die Schnittfuge fast so breit wie der Balken selbst, was das glatte und gratfreie Schneiden von sehr filigranen und detaillierten Konturen ermöglicht. In den meisten Fällen entfällt eine aufwändige Nachbearbeitung. Aufgrund seiner Flexibilität wird dieses Schneidverfahren häufig in der Kleinserien-, Mehrsorten- und Prototypenfertigung eingesetzt.

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Mit ultrakurzen Pulsen hochwertige Schneidkanten erzeugen.


Ultrakurzpulslaser können nahezu jedes Material schnell verdampfen, wodurch signifikante thermische Effekte vermieden werden, wodurch hochwertige Schneidkanten ohne Schmelzeauswurf erzeugt werden. Daher eignet sich dieser Lasertyp besonders für die Herstellung von feinmetallischen Produkten, wie z.B. Stents im Bereich der Medizintechnik. In der Displayindustrie können Ultrakurzpulslaser zum Schneiden von chemisch gehärtetem Glas eingesetzt werden.

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Laserschneidverfahren:
Die Wechselwirkung zwischen dem fokussierten Laserstrahl und dem Werkstück ist die Grundlage des Laserschneidens. Um diesen Prozess sicher und präzise durchzuführen, muss eine Vielzahl von Komponenten und Hilfsstoffen über und um den Laserstrahl herum verwendet werden, wie in der folgenden Grafik dargestellt.

1. Fokussierlinse: Die Linse und der optische Reflektor fokussieren den Laserstrahl an der Bearbeitungsposition.
2. Laserstrahl: Der Laserstrahl trifft auf das Werkstück und erhitzt es, bis es schmilzt oder verdampft.
3. Schneidgas: Die erzeugte Schmelze wird durch das Schneidgas, das koaxial mit dem Laserstrahl aus der Düse strömt, aus dem Schnitt ausgestoßen.
4. Schneidnut: Beim Laserschneiden bildet sich an der Schnittkante ein typisches Rillenmuster. Wenn die Schnittgeschwindigkeit langsam ist, sind diese Rillen nahezu parallel zur Verlängerung des Laserstrahls.
5. Geschmolzenes Material: Der Laserstrahl in Form eines gebündelten Lasers wird entlang der Kontur gerichtet und schmilzt das lokale Material.
6. Vorgeschnittene Leiterbahn: Der Schnitt am Werkstück ist kaum breiter als der fokussierte Laserstrahl.
7. Düse: Der Laserstrahl und das Schneidgas werden durch die Schneiddüse auf das Werkstück gerichtet.
8. Schnittrichtung: Der Schnitt wird erreicht, indem der Schneidkopf oder das Werkstück in eine bestimmte Richtung bewegt wird.
 

Ein umfassender Überblick über alle Laserschneidverfahren:

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Brennschneiden

In vielen Fällen ist der Laser ein ideales universelles Werkzeug zum Schneiden von metallischen und nichtmetallischen Materialien. Mit dem Laserstrahl kann nahezu jede Kontur schnell und flexibel geschnitten werden – egal wie filigran oder komplex die Form oder wie dünn das Material ist. Unterschiedliche Schneidgase und Drücke können den Verarbeitungsprozess und die Ergebnisse beeinflussen.

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Schmelzschneiden

Beim Schmelzschneiden wird Stickstoff oder Argon als Schneidgas verwendet. Das Gas strömt mit einem Druck von 2 bis 20 bar durch die Schnittfuge. Im Gegensatz zum Brennschneiden reagiert es nicht mit der Metalloberfläche im Inneren der Schnittfuge. Der Vorteil dieses Schneidverfahrens besteht darin, dass die Schnittkanten grat- und oxidfrei sind und nur eine minimale Nachbearbeitung erforderlich ist.

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Sublimationsschneiden

Das Sublimationsschneiden wird vor allem für Präzisionsschneidaufgaben eingesetzt, die hochwertige Schnittkanten erfordern. Durch dieses Verfahren minimiert der Laser das Schmelzen und Verdampfen des Materials. Durch den im Schneidspalt entstehenden Materialdampf entsteht ein hoher Druck, der die Schmelze nach oben und unten schleudert. Prozessgase – Stickstoff, Argon oder Helium – schützen die Schneidfläche vor Umwelteinflüssen und sorgen dafür, dass die Schnittkanten nicht oxidieren.

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Präzises Laserschneiden

Beim präzisen Schneiden von Laserstrahlen werden gepulste Laserenergie genutzt, um einzelne Bohrlöcher zu verbinden und sie um 50 % bis 90 % zu Schneidnähten zu überlappen. Dies wird durch die Erzeugung einer sehr hohen Pulsspitzenleistung und einer extremen Leistungsdichte auf der Werkstückoberfläche durch kurze Pulse erreicht. Zu den Vorteilen gehört die minimale Erwärmung der Teile, wodurch relativ feine Teile ohne thermische Verformung geschnitten werden können.

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Faktoren, die den Laserschneidprozess beeinflussen:

1. Fokusposition und Fokusdurchmesser

Die Lage des Brennpunktes beeinflusst die Leistungsdichte und die Form der Schnittfuge auf dem Werkstück. Der Durchmesser des Brennpunktes bestimmt die Breite und Form der Schnittfuge.

2. Laserleistung

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3. Durchmesser der Düse

Die Wahl der passenden Düse ist entscheidend für die Qualität des Werkstücks. Die Form des Gasstrahls und das Volumen des Gases können durch den Düsendurchmesser bestimmt werden.

4. Funktionsweise

Der Laserenergieübertragungsmodus kann entweder durch Dauerstrich- oder Pulsbetrieb gesteuert werden, um zu bestimmen, ob der Laser das Werkstück kontinuierlich oder intermittierend bestrahlt.

5. Schnittgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit wird durch die jeweilige Schneidaufgabe und das zu bearbeitende Material bestimmt. Generell gilt: Je höher die Laserleistung, desto höher die Schnittgeschwindigkeit. Außerdem nimmt die Schnittgeschwindigkeit mit zunehmender Materialstärke ab. Ist die für ein bestimmtes Material eingestellte Drehzahl zu hoch oder zu niedrig, führt dies zu einer Erhöhung der Oberflächenrauheit und zum Auftreten von Graten.

6. Polarisationsgrad

Die meisten CO2-Laser emittieren linear polarisiertes Licht, das die Schnittqualität in Abhängigkeit von der Schnittrichtung beeinflusst. Um die Schnittqualität zu verbessern, wird linear polarisiertes Licht häufig in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt. Der Polarisationsgrad ist wichtig, um eine zirkulare Polarisation zu erreichen und qualitativ hochwertige Schnitte zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu benötigen Festkörperlaser keine Polarisationsänderungen, da sie unabhängig von der Richtung konsistente Schneidergebnisse liefern.

7. Schneidgas und Schneiddruck

Je nach Schneidverfahren kommen unterschiedliche Prozessgase zum Einsatz, die mit unterschiedlichen Drücken durch die Schneidnaht strömen. Die Vorteile von Argon und Stickstoff als Schneidgase liegen beispielsweise darin, dass sie nicht mit der Schmelze in der Schneidnaht reaktiv sind und gleichzeitig die Schneidfläche vor Umwelteinflüssen schützen.

8. Laserschneiden mit Mischgasen

Durch den Einsatz von Hochleistungslasern und der Mischung aus Stickstoff- und Sauerstoffgasen können Grate aus Baustahl und Aluminium reduziert werden. Die Verbesserung der Werkstückqualität ist abhängig von der Materialqualität, der Art und der Legierung von Blechen mit einer Dicke von sechs bis zwölf Millimetern.

Das oben Gesagte dreht sich alles um das Laserschneiden, ich hoffe, Ihnen helfen zu können. Wenn Sie mehr über CNC erfahren möchten, kontaktieren Sie uns bitte[email protected].

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