Moderne Technologien der Metallbearbeitung
Moderne Technologien der Metallbearbeitung
Das Laserschneiden ist ein hochenergetischer Prozess, bei dem ein konzentrierter Strahl elektromagnetischer Strahlung in sehr kurzer Zeit und auf einer sehr kleinen Fläche mit dem Material wechselwirkt. Die Folge sind komplexe physikalische und thermodynamische Phänomene, die über die Kantenqualität, die Geometrie der Schnittfuge, die Prozessstabilität sowie die Werkstoffeigenschaften nach der Bearbeitung entscheiden. Im Folgenden werden die wichtigsten Mechanismen beim Laserschneiden von Metallen erläutert, mit besonderem Fokus auf praxisrelevante Aspekte für die Industrie.
Die Grundlage des Laserschneidens ist die Absorption der Energie des Laserstrahls durch die Materialoberfläche. Der Absorptionsgrad hängt von der Wellenlänge des Lasers, der Materialart, dem Oberflächenzustand (Rauheit, Oxidation) sowie der Temperatur ab.
Nach Überschreiten der Schmelztemperatur geht das Material in den flüssigen Zustand über. Bei weiter steigender Leistungsdichte kann die Siedetemperatur erreicht werden, was zu lokalem Verdampfen führt. In der industriellen Praxis dominiert das Schmelzen als Hauptmechanismus, während das Verdampfen eine unterstützende Rolle spielt – insbesondere zu Beginn des Prozesses und bei sehr hohen Energiedichten.
Im Wirkungsbereich des Laserstrahls entsteht das sogenannte Keyhole – eine schmale Dampfkapillare, in der Mehrfachreflexionen der Strahlung die Energieabsorption erhöhen. Dieses Phänomen stabilisiert den Prozess und ermöglicht das Schneiden größerer Materialdicken bei gleichzeitig hoher Schnittgeschwindigkeit.
Die Schnittfuge, auch als Kerf bezeichnet, entsteht durch gleichzeitiges Schmelzen des Materials und das Abführen der flüssigen Phase aus dem Wirkungsbereich des Lasers. Eine entscheidende Rolle spielt dabei das Prozessgas (Stickstoff, Sauerstoff oder Druckluft), das:
Die Breite der Schnittfuge steht in direktem Zusammenhang mit dem Fokusdurchmesser des Strahls, dessen Qualität (M²-Parameter), der Fokuslage relativ zur Materialoberfläche sowie der Schnittgeschwindigkeit. Eine falsche Wahl dieser Parameter führt zu konischer Schnittfugenform, Gratbildung oder lokalen Anlauffarben.
Hochwertige Lasersysteme ermöglichen eine präzise Kontrolle der Fokuslage während des Schneidprozesses, wodurch eine konstante Kerf-Geometrie selbst bei variierenden Materialdicken gewährleistet werden kann.
Dross bezeichnet die Rückstände von geschmolzenem Material, die nicht vollständig aus der Schnittfuge entfernt wurden und sich an der Unterkante des Werkstücks ablagern. Ihre Bildung stellt eines der zentralen Qualitätsprobleme beim Laserschneiden dar.
Zu den Hauptursachen für Drossbildung zählen:
Die Kontrolle der Drossbildung erfolgt durch Optimierung der Prozessparameter, insbesondere durch die Abstimmung von Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Gasdruck. In modernen Fertigungslinien kommen adaptive Regelalgorithmen zum Einsatz, die die Parameter in Echtzeit korrigieren und so das Risiko übermäßiger Anhaftungen minimieren.
Die Wärmeeinflusszone (HAZ – Heat Affected Zone) ist der Bereich des Materials angrenzend an die Schnittkante, in dem kein Schmelzen stattgefunden hat, jedoch mikrostrukturelle Veränderungen infolge erhöhter Temperaturen auftreten. Bei Metallen kann dies zu folgenden Effekten führen:
Einer der größten Vorteile des Laserschneidens ist die im Vergleich zu thermischen Verfahren wie Plasma- oder Autogenschneiden sehr schmale HAZ. Eine Minimierung der Wärmeeinflusszone wird ermöglicht durch:
In der industriellen Praxis ist die Begrenzung der HAZ von entscheidender Bedeutung für Präzisionsteile, die nach dem Schneiden keine weitere mechanische oder thermische Nachbehandlung erfordern.
Die beim Laserschneiden auftretenden physikalischen Phänomene bilden ein komplexes, miteinander verknüpftes System aus thermischen, mechanischen und gasdynamischen Prozessen. Das Verständnis der Mechanismen von Schmelzen und Verdampfen, der Prinzipien der Schnittfugenbildung, der Ursachen der Drossentstehung sowie der Charakteristik der Wärmeeinflusszone ist Voraussetzung für eine bewusste und zielgerichtete Auswahl der technologischen Parameter.
In der modernen industriellen Fertigung entscheidet gerade die präzise Kontrolle dieser Phänomene über die Prozessstabilität, die Kantenqualität und die wirtschaftliche Effizienz des Laserschneidens.