Laserschneiden CO2
Laserschneiden mit CO2-Lasern
Das Laserschneiden mit CO2-Lasern ist ein hochpräzises thermisches Trennverfahren, bei dem ein fokussierter Laserstrahl das Werkstückmaterial aufschmilzt und verdampft. CO2-Laser nutzen ein Gasgemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium als aktives Medium zur Erzeugung des Laserstrahls. Sie emittieren Licht im mittleren Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von typischerweise 10,6 μm.
CO2-Laser eignen sich besonders gut zum Schneiden von nichtmetallischen Werkstoffen wie Kunststoffen, Holz, Textilien und Papier. Aber auch dünne Metallbleche lassen sich damit bearbeiten. Gegenüber mechanischen Schneidverfahren bietet das Laserschneiden Vorteile wie berührungslose Bearbeitung, sehr genaue Konturen, schmale Schnittfugen und geringe thermische Belastung des Werkstücks.
Die ersten CO2-Laser wurden in den 1960er Jahren entwickelt. Seitdem hat sich die Technik kontinuierlich verbessert, sodass heute Laserleistungen von mehreren Kilowatt und Schneidgeschwindigkeiten von über 100 m/min möglich sind. Moderne CO2-Laserschneidanlagen arbeiten hochautomatisiert und CNC-gesteuert. Sie kommen in vielen Bereichen der industriellen Fertigung zum Einsatz, etwa im Automobil- und Flugzeugbau, in der Elektronikproduktion oder bei der Herstellung von Werbemitteln.
Die physikalischen Grundlagen des CO2-Laserschneidens basieren auf der stimulierten Emission von Photonen im aktiven Lasermedium. Durch elektrische Gasentladung oder HF-Anregung werden die CO2-Moleküle in einen angeregten Zustand versetzt. Beim Übergang in den Grundzustand emittieren sie kohärente Strahlung, die durch einen optischen Resonator verstärkt wird. Der resultierende Laserstrahl wird über ein Spiegelsystem geführt und mit einer Fokussieroptik auf das Werkstück fokussiert.
Physikalische und technische Grundlagen
Der CO2-Laser gehört zur Gruppe der Gaslaser. Das aktive Medium besteht typischerweise aus einem Gemisch von 10-20% CO2, 10-20% N2 und 60-80% He. Die Laseremission basiert auf Schwingungsübergängen der CO2-Moleküle. Durch Stöße mit angeregten N2-Molekülen werden die CO2-Moleküle in einen angeregten Zustand versetzt. Beim Übergang in den Grundzustand emittieren sie Photonen mit einer Wellenlänge von 10,6 μm.
Die Anregung des Lasermediums erfolgt durch eine elektrische Gasentladung oder durch Hochfrequenz-Anregung. In Hochleistungs-CO2-Lasern wird das Gasgemisch kontinuierlich umgewälzt und gekühlt, um eine stabile Laseremission zu gewährleisten. Der optische Resonator besteht aus zwei Spiegeln, von denen einer teildurchlässig ist, um den Laserstrahl auszukoppeln.
Die Strahlführung zum Werkstück erfolgt über ein System aus Umlenkspiegeln und Fokussieroptiken. Aufgrund der langen Wellenlänge können keine Glasfasern zur Strahlführung eingesetzt werden. Stattdessen kommen Hohlspiegel oder wassergekühlte Kupferspiegel zum Einsatz. Die Fokussierung auf das Werkstück erfolgt mit einer ZnSe-Linse, die für die CO2-Laserwellenlänge transparent ist.
Die Schneidwirkung basiert auf dem lokalen Aufschmelzen und Verdampfen des Werkstoffes durch die absorbierte Laserenergie. Ein koaxial zum Laserstrahl geführter Prozessgasstrom unterstützt die Ausblasung der Schmelze und schützt die Optik vor Verunreinigungen. Als Prozessgase kommen Sauerstoff (für reaktives Brennschneiden), Stickstoff (für Inertgasschneiden) oder Druckluft zum Einsatz.
Laser-spezifische Aspekte
CO2-Laser für das Laserschneiden weisen einige spezifische Eigenschaften auf, die sie von anderen Lasertypen unterscheiden:
Die Wellenlänge von 10,6 μm liegt im mittleren Infrarotbereich und wird von vielen nichtmetallischen Materialien sehr gut absorbiert. Dies ermöglicht das effiziente Schneiden von Kunststoffen, Holz, Textilien und Papier. Metalle reflektieren diese Wellenlänge stärker, sodass höhere Laserleistungen erforderlich sind.
CO2-Laser erreichen sehr hohe Ausgangsleistungen von bis zu 20 kW im Dauerstrichbetrieb. Dies ermöglicht hohe Schneidgeschwindigkeiten und die Bearbeitung dicker Materialien. Die Strahlqualität ist mit Beugungsmaßzahlen M² < 1,2 sehr gut, was eine scharfe Fokussierung und damit schmale Schnittfugen erlaubt.
Die Effizienz von CO2-Lasern liegt typischerweise bei 10-20%. Der Großteil der zugeführten elektrischen Energie wird in Wärme umgewandelt, was eine aufwendige Kühlung erfordert. Moderne Systeme nutzen die Abwärme teilweise zur Gebäudeheizung oder für andere Prozesse.
Die Strahlführung über Spiegelsysteme ermöglicht große Arbeitsbereiche von mehreren Quadratmetern. Durch den Einsatz von Galvanometer-Scannern sind sehr hohe Positioniergeschwindigkeiten möglich. Die Fokussieroptik muss jedoch an die jeweilige Materialstärke angepasst werden.
Funktionsweisen und Prozesse
Beim Laserschneiden mit CO2-Lasern können verschiedene Schneidmechanismen zum Einsatz kommen:
Schmelzschneiden: Der Laserstrahl schmilzt das Material lokal auf. Die Schmelze wird durch einen koaxialen Gasstrahl ausgeblasen. Dieser Prozess eignet sich für Metalle und wird mit Stickstoff oder Argon als Schneidgas durchgeführt.
Brennschneiden: Hier wird Sauerstoff als Schneidgas eingesetzt. Es kommt zu einer exothermen Oxidationsreaktion, die zusätzliche Energie liefert. Dies ermöglicht höhere Schneidgeschwindigkeiten bei Stahl und Titan.
Sublimationsschneiden: Bei Materialien wie Holz oder bestimmten Kunststoffen verdampft der Werkstoff direkt, ohne eine flüssige Phase zu durchlaufen. Der entstehende Dampfdruck unterstützt den Materialaustrag.
Chemisches Schneiden: Bei einigen Polymeren bewirkt die Laserstrahlung eine chemische Zersetzung des Materials. Die gasförmigen Zersetzungsprodukte werden ausgeblasen.
Die Wahl des optimalen Schneidverfahrens hängt vom Material, der Materialstärke und den Anforderungen an die Schnittqualität ab. Wichtige Prozessparameter sind die Laserleistung, die Vorschubgeschwindigkeit, der Fokusabstand, der Gasdruck und die Düsengeometrie.
Die Schnittqualität wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst:
- Die Schnittfugenbreite liegt typischerweise zwischen 0,1 und 0,5 mm und hängt vom Fokusdurchmesser ab. - Die Rauheit der Schnittflächen wird durch die Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit beeinflusst. - Wärmeeinflusszonen neben dem Schnitt können zu Gefügeveränderungen oder Verzug führen. - Bei dicken Materialien kann es zu Bartbildung an der Schnittunterkante kommen.
Moderne CO2-Laserschneidanlagen arbeiten mit adaptiver Prozessregelung, um eine gleichbleibend hohe Schnittqualität zu gewährleisten. Sensoren erfassen Prozessparameter wie die Plasmabildung oder die Rückreflektion und passen die Laserleistung und Fokusposition in Echtzeit an.
Industrielle und wissenschaftliche Anwendungen
CO2-Laserschneidanlagen finden in vielen Bereichen der industriellen Fertigung Anwendung:
In der Automobilindustrie werden Karosserieteile, Innenverkleidungen und Dichtungen mit CO2-Lasern geschnitten. Die berührungslose Bearbeitung ermöglicht die Verarbeitung bereits beschichteter oder verformter Teile.
Im Flugzeugbau kommen CO2-Laser zum Schneiden von Verbundwerkstoffen wie kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) zum Einsatz. Die geringe thermische Belastung verhindert Delaminationen.
In der Elektronikindustrie werden Leiterplatten und flexible Schaltungen mit CO2-Lasern bearbeitet. Die hohe Präzision ermöglicht feinste Strukturen.
In der Textilindustrie erlaubt das Laserschneiden die Herstellung komplexer Muster und verhindert das Ausfransen von Schnittkanten.
In der Werbetechnik und im Messebau werden Acrylglas, Holz und andere Materialien mit CO2-Lasern geschnitten und graviert. Die Flexibilität des Verfahrens ermöglicht die kostengünstige Fertigung von Einzelstücken und Kleinserien.
In der Verpackungsindustrie werden Kartonagen und Folien mit CO2-Lasern zugeschnitten und perforiert. Hohe Schneidgeschwindigkeiten ermöglichen die Integration in Produktionslinien.
In der Medizintechnik kommen CO2-Laser zum Schneiden von Implantaten und chirurgischen Instrumenten zum Einsatz. Die Kontaminationsfreiheit des Verfahrens ist hier von Vorteil.
In der Forschung werden CO2-Laser zur Herstellung von Mikrofluidik-Chips, zur Strukturierung von Oberflächen und zur Erzeugung von Nanopartikeln eingesetzt.
Weiterführende Links
Literatur
- Hügel, H. & Graf, T. (2009). Laser in der Fertigung: Strahlquellen, Systeme, Fertigungsverfahren. Springer-Verlag. ISBN 978-3-834-89259-5.
- Poprawe, R. (2005). Lasertechnik für die Fertigung: Grundlagen, Perspektiven und Beispiele für den innovativen Ingenieur. Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-26435-4.