Moderne Technologien der Metallbearbeitung
Moderne Technologien der Metallbearbeitung
Das Laserschneiden ist eines der fortschrittlichsten Werkzeuge der Materialbearbeitung und nutzt einen gebündelten Lichtstrahl mit hoher Leistung. Dieser präzise Prozess basiert auf einer Reihe physikalischer Phänomene, die gemeinsam die Qualität und Effizienz des Schneidens bestimmen. Obwohl er auf den ersten Blick einfach erscheinen mag, verbirgt sich dahinter eine komplexe Dynamik der Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl und dem bearbeiteten Material.
Beim Kontakt des Laserstrahls mit der Metalloberfläche kommt es zur Absorption der Strahlung, wodurch die Lichtenergie in Wärme umgewandelt wird. Der Absorptionskoeffizient hängt von zahlreichen Faktoren ab, wie der Wellenlänge, der Temperatur des Materials, dem Zustand seiner Oberfläche und dem Einfallswinkel des Strahls. Mit steigender Temperatur nimmt auch die Absorption zu, was eine positive Rückkopplung erzeugt.
Die erzeugte Wärme führt zu schrittweisen Phasenübergängen im Material. Zunächst schmilzt das Material, anschließend führt die Erwärmung der Flüssigkeit bis zum Siedepunkt zur Verdampfung. Bei hohen Leistungsdichten kann es zur Sublimation kommen, also zum direkten Übergang von der festen in die gasförmige Phase. Die Dynamik dieser Übergänge hängt von den thermophysikalischen Eigenschaften des Materials und den Laserparametern ab.
Die Ausbildung der Schnittfuge ist ein dynamischer Prozess, der mit dem lokalen Schmelzen und Verdampfen des Materials beginnt. Die entstehende Schmelze wird mit Hilfe eines Prozessgasstroms entfernt, wodurch die Stabilisierung einer Fuge mit definiertem Profil ermöglicht wird. Die Geometrie der Schnittfuge hängt von den Laserstrahlparametern wie Leistung und Energiedichteverteilung, der Schneidgeschwindigkeit, der Art des Prozessgases und den Materialeigenschaften ab.
In der Schnittfuge treten auch hydrodynamische Phänomene auf, darunter die Bewegung der flüssigen Schmelze durch das Gas und Luftwirbel. Die Wechselwirkungen zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase sowie Temperatur- und Oberflächenspannungsgradienten tragen zur Stabilität des Prozesses bei.
Grat ist ein unerwünschter Effekt des Prozesses, der durch unzureichende Entfernung des geschmolzenen Materials entsteht. Seine Struktur hängt von Prozessparametern wie Gasdruck, Viskosität der Schmelze und Schneidgeschwindigkeit ab. Zur Minimierung der Gratbildung werden die Laserparameter optimiert, das Prozessgas sorgfältig ausgewählt und spezielle Düsen eingesetzt, die eine effiziente Entfernung der flüssigen Schmelze gewährleisten.
Die Wärmeeinflusszone umfasst den Bereich des Materials, in dem mikrostrukturelle Veränderungen durch hohe Temperaturen auftreten. Ihre Größe hängt von der Laserleistung, der Belichtungszeit und der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab. In der WEZ können Veränderungen der Härte, innere Spannungen und Modifikationen der mechanischen Eigenschaften des Materials auftreten, was sich auf dessen Haltbarkeit und Funktionalität auswirkt.
Das Laserschneiden von Metallen ist ein Prozess, bei dem die präzise Steuerung physikalischer Phänomene eine Schlüsselrolle spielt. Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl, dem Material und dem Prozessgas ermöglicht die Optimierung der Prozessparameter und das Erreichen höchster Oberflächenqualität. Die Weiterentwicklung dieser Technologie wird auf einer immer besseren Kenntnis und Kontrolle der beschriebenen Phänomene basieren, was zu noch größerer Effizienz und Präzision der Bearbeitung beitragen wird.