Grundlagen des Laserschneidens und seines Verarbeitungssystems —Laserschneidanlagen

II. Zusammensetzung der Laserschneidanlage

2.1 Komponenten und Funktionsprinzip der Laserschneidmaschine

Eine Laserschneidmaschine besteht aus einem Laseremitter, einem Schneidkopf, einer Strahlübertragungseinheit, einem Werkzeugmaschinentisch, einem numerischen Steuerungssystem (NC), einem Computer (Hardware und Software), einem Kühler, einer Schutzgasflasche, einem Staubabscheider und einem Lufttrockner.

Lasergenerator

Der Lasergenerator ist ein Gerät, das Laserlichtquellen erzeugt. Für Laserschneidanwendungen werden meist CO₂-Gaslaser eingesetzt, die sich durch hohe elektrooptische Umwandlungseffizienz und hohe Ausgangsleistung auszeichnen. Ausnahmen bilden wenige Fälle, in denen YAG-Festkörperlaser verwendet werden. Nicht alle Laser eignen sich zum Schneiden, da beim Laserschneiden hohe Anforderungen an die Strahlqualität gestellt werden.
Schneidkopf

Es besteht im Wesentlichen aus Komponenten wie einer Düse, einer Fokussierlinse und einem Fokusnachführungssystem.

Die Antriebseinheit für den Schneidkopf dient dazu, den Schneidkopf gemäß voreingestellter Programme entlang der Z-Achse zu bewegen. Sie besteht aus einem Servomotor und Getriebeteilen wie Gewindespindeln oder Zahnrädern.

(1) Düse: Es gibt drei Haupttypen von Düsen: Paralleldüsen, Konvergenzdüsen und Kegeldüsen.

(2) Fokussierlinse: Um mit Laserenergie zu schneiden, muss der Laserstrahl mithilfe einer Linse auf einen Lichtfleck mit hoher Energiedichte fokussiert werden. Linsen mit mittlerer und langer Brennweite eignen sich zum Schneiden dicker Platten und stellen geringere Anforderungen an die Stabilität des Nachführsystems. Linsen mit kurzer Brennweite sind nur zum Schneiden dünner Platten unter 3 mm geeignet; sie stellen zwar höhere Anforderungen an die Stabilität des Nachführsystems, können aber die benötigte Laserleistung deutlich reduzieren.

(3) Fokusnachführungssystem: Das Fokusnachführungssystem einer Laserschneidmaschine besteht im Allgemeinen aus einem Fokussierschneidkopf und einem Nachführungssensorsystem. Der Schneidkopf vereint die Funktionen der Strahlführung und -fokussierung, der Wasserkühlung, der Gaszufuhr und der mechanischen Justierung.

Der Sensor besteht aus Sensorelementen und einer Verstärkungssteuereinheit. Ortungssysteme unterscheiden sich grundlegend je nach Art der Sensorelemente. Es gibt zwei Haupttypen: kapazitive Ortungssysteme, auch berührungslose Ortungssysteme genannt, und induktive Ortungssysteme, auch Kontaktortungssysteme genannt.
Strahlübertragungseinheit

Externer Strahlengang: Reflektoren lenken den Laserstrahl in die gewünschte Richtung. Um Störungen im Strahlengang zu vermeiden, sind alle Reflektoren durch Abschirmungen geschützt und werden mit einem Schutzgas unter Überdruck versorgt, um Verunreinigungen zu verhindern. Eine Hochleistungslinse fokussiert einen nicht-divergenten Strahl auf einen unendlich kleinen Punkt. Üblicherweise wird eine Linse mit 5,0 Zoll Brennweite verwendet, während eine 7,5-Zoll-Linse nur zum Schneiden von Materialien mit einer Dicke von mehr als 12 mm geeignet ist.
Werkzeugmaschinen-Arbeitstisch

Hauptmaschinenkörper: Der Werkzeugmaschinenteil derLaserschneidmaschineist der mechanische Teil, der die Bewegung der X-, Y- und Z-Achse realisiert, einschließlich der Schneidearbeitsplattform.
Numerisches Steuerungssystem

Das NC-System steuert die Werkzeugmaschine, um Bewegungen in der X-, Y- und Z-Achse zu realisieren und regelt gleichzeitig die Ausgangsleistung des Lasers.
Kühlsystem

Kühlaggregat: Es dient zur Kühlung des Lasergenerators. Ein Laser wandelt elektrische Energie in Lichtenergie um. Beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad eines CO₂-Gaslasers üblicherweise 20 %, die restliche Energie wird in Wärme umgewandelt. Kühlwasser führt die überschüssige Wärme ab und gewährleistet so den reibungslosen Betrieb des Lasergenerators. Das Kühlaggregat kühlt außerdem die externen optischen Strahlengänge und Fokussierlinsen der Werkzeugmaschine. Dadurch wird eine gleichbleibende Strahlqualität sichergestellt und Verformungen oder Risse der Linsen durch Überhitzung wirksam verhindert.
Gasflaschen

Zu den Gasflaschen gehören Arbeitsmediumflaschen und Hilfsgasflaschen für die Laserschneidmaschine, die zur Ergänzung der Industriegase für die Laseroszillation und zur Versorgung des Schneidkopfes mit Hilfsgasen verwendet werden.
Staubabsaugungssystem

Es saugt Rauch und Staub ab, die bei der Verarbeitung entstehen, und führt eine Filtrationsbehandlung durch, um sicherzustellen, dass die Abgasemissionen den Umweltschutzstandards entsprechen.
Luftkühlungstrockner & Filter

Es versorgt den Lasergenerator und den Strahlengang mit sauberer, trockener Luft und gewährleistet so den normalen Betrieb des Strahlengangs und der reflektierenden Spiegel.

2.2 Schneidbrenner für Laserschneiden

Das Strukturdiagramm eines Schneidbrenners für das Laserschneiden ist unten dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem Brennerkörper, einer Fokussierlinse, einem Reflektorspiegel und einer Hilfsgasdüse. Beim Laserschneiden muss der Schneidbrenner folgende Anforderungen erfüllen:

① Der Brenner kann einen ausreichenden Gasstrom ausstoßen.

② Die Ausstoßrichtung des Gases im Inneren der Fackel muss koaxial zur optischen Achse des reflektierenden Spiegels sein.

③ Die Brennweite der Taschenlampe lässt sich leicht einstellen.

④ Beim Schneiden dürfen Metalldämpfe und Spritzer vom geschnittenen Metall den reflektierenden Spiegel nicht beschädigen.

Die Bewegung des Schneidbrenners wird durch ein NC-Bewegungssystem gesteuert. Es gibt drei Szenarien für die Relativbewegung zwischen Schneidbrenner und Werkstück:

① Der Brenner bleibt stationär, während sich das Werkstück über den Arbeitstisch bewegt – hauptsächlich geeignet für kleine Werkstücke.

② Das Werkstück bleibt still, während sich der Brenner bewegt.

③ Sowohl der Brenner als auch der Arbeitstisch bewegen sich gleichzeitig.

2.2.1 Schneidkopf

Der Laserschneidkopf befindet sich am Ende des Strahlübertragungssystems, das aus einer Fokussierlinse und einer Schneiddüse besteht.

Fokussierlinsen werden hauptsächlich nach ihrer Brennweite klassifiziert. Die meisten Laserschneidanlagen sind mit mehreren Schneidköpfen unterschiedlicher Brennweiten ausgestattet. Beim CO₂-Laserschneiden beispielsweise sind gängige Brennweiten 127 mm (5 Zoll) und 190 mm (7,5 Zoll). Eine Linse mit kurzer Brennweite erzeugt einen kleinen Brennfleck und eine geringe Schärfentiefe, was die Schnittfugenbreite reduziert und feinere Schnitte ermöglicht. Eine Linse mit langer Brennweite erzeugt einen größeren Brennfleck und eine größere Schärfentiefe. Im Vergleich zu Linsen mit kurzer Brennweite liefern Linsen mit langer Brennweite einen fokussierten Strahl mit einer für die Materialbearbeitung nahe dem Brennpunkt ausreichenden Laserenergiedichte. Daher werden Linsen mit kurzer Brennweite hauptsächlich für das Präzisionsschneiden dünner Bleche eingesetzt, während für dickere Materialien Linsen mit langer Brennweite erforderlich sind, um eine ausreichende Schärfentiefe zu erzielen und so eine minimale Abweichung des Brennfleckdurchmessers sowie eine ausreichende Leistungsdichte im Bereich der Schnittdicke zu gewährleisten.

Fokussierlinsen bündeln den parallelen Laserstrahl, der in den Schneidbrenner einfällt, und erzielen so einen kleineren Fokusdurchmesser und eine höhere Leistungsdichte. Die Linsen bestehen aus Materialien, die die Laserwellenlänge durchlassen. Optisches Glas wird üblicherweise für Festkörperlaser verwendet, während für CO₂-Gaslaser Materialien wie ZnSe, GaAs und Ge zum Einsatz kommen (da gewöhnliches Glas für CO₂-Laserstrahlen nicht transparent ist). ZnSe ist dabei das am weitesten verbreitete Material.

Beim Laserschneiden ist ein möglichst kleiner Brennfleckdurchmesser wünschenswert, um die Leistungsdichte zu erhöhen und hohe Schnittgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Eine kürzere Brennweite führt jedoch zu einer geringeren Schärfentiefe, was das Erreichen einer senkrechten Schnittfläche beim Schneiden dicker Platten erschwert. Zudem verringert eine kürzere Brennweite den Abstand zwischen Linse und Werkstück, wodurch das Risiko einer Kontamination der Linse durch Schmelzspritzer während des Schneidvorgangs steigt und der normale Betrieb beeinträchtigt wird. Daher sollte die geeignete Brennweite unter Berücksichtigung von Faktoren wie Schnittdicke und Schnittqualitätsanforderungen sorgfältig bestimmt werden.

2.2.2 Reflektierender Spiegel

Die Funktion des Reflektors besteht darin, die Richtung des vom Laser emittierten Strahls zu ändern. Bei Festkörperlasern können Reflektoren aus optischem Glas verwendet werden. Im Gegensatz dazu bestehen Reflektoren in CO₂-Gaslaserschneidanlagen üblicherweise aus Kupfer oder Metallen mit hoher Reflektivität. Um Schäden durch Überhitzung während des Betriebs zu vermeiden, werden Reflektoren typischerweise mit Wasser gekühlt.

2.2.3 Düse

Die Düse dient zum Einsprühen von Hilfsgas in die Schneidzone, und ihre Struktur beeinflusst die Schneidleistung und -qualität. Abbildung 4.11 zeigt gängige Düsenformen für das Laserschneiden; die Düsenöffnungsformen umfassen zylindrische, konische und konvergent-divergierende Typen.

Die Düsenwahl erfolgt in der Regel durch Tests, die auf dem Material und der Dicke des Werkstücks sowie dem Druck des Hilfsgases basieren. Beim Laserschneiden werden üblicherweise Koaxialdüsen eingesetzt (bei denen der Gasstrom koaxial zur optischen Achse verläuft). Sind Gasstrom und Laserstrahl nicht koaxial, kann es beim Schneiden zu starkem Spritzen kommen. Die Innenwand der Düsenöffnung sollte glatt sein, um einen ungehinderten Gasstrom zu gewährleisten und Turbulenzen zu vermeiden, die die Schnittfugenqualität beeinträchtigen könnten. Um eine stabile Schnittführung zu gewährleisten, sollte der Abstand zwischen Düsenstirnfläche und Werkstückoberfläche minimiert werden und liegt typischerweise zwischen 0,5 mm und 2,0 mm. Der Düsenöffnungsdurchmesser muss einen ungehinderten Durchgang des Laserstrahls ermöglichen und verhindern, dass dieser die Innenwand der Öffnung berührt. Je kleiner der Öffnungsdurchmesser, desto schwieriger ist die Kollimation des Strahls. Für einen gegebenen Hilfsgasdruck existiert ein optimaler Bereich für den Düsenöffnungsdurchmesser. Eine zu kleine oder zu große Öffnung behindert den Abtransport des geschmolzenen Materials aus der Schnittfuge und beeinträchtigt die Schnittgeschwindigkeit.

Der Einfluss des Düsenöffnungsdurchmessers auf die Schnittgeschwindigkeit bei konstanter Laserleistung und konstantem Hilfsgasdruck ist in den Abbildungen 4.12 und 4.13 dargestellt. Es zeigt sich, dass ein optimaler Düsenöffnungsdurchmesser existiert, der die maximale Schnittgeschwindigkeit ermöglicht. Dieser optimale Wert liegt unabhängig davon, ob Sauerstoff oder Argon als Hilfsgas verwendet wird, bei etwa 1,5 mm.

Versuche zum Laserschneiden von Hartmetallen (die schwer zu schneiden sind) zeigen, dass der optimale Düsendurchmesser sehr nahe an den oben genannten Ergebnissen liegt, wie in Abbildung 4.14 dargestellt. Der Düsendurchmesser beeinflusst auch die Schnittfugenbreite und die Breite der Wärmeeinflusszone (WEZ). Wie in Abbildung 4.15 gezeigt, nimmt die Schnittfugenbreite mit zunehmendem Düsendurchmesser zu, während die WEZ-Breite abnimmt. Der Hauptgrund für die Verringerung der WEZ ist die verbesserte Kühlwirkung des Hilfsgasstroms auf das Grundmaterial in der Schnittzone.

2.3 Parameter der Laserschneidanlage

2.3.1 Brennschneidgeräte

Bei brennergetriebenen Schneidanlagen ist der Schneidbrenner auf einem beweglichen Portal montiert und bewegt sich horizontal entlang des Portalstrahls (Y-Achse). Das Portal treibt den Brenner entlang der X-Achse an, während das Werkstück auf dem Arbeitstisch fixiert ist. Da Laser und Schneidbrenner getrennt angeordnet sind, werden die Laserübertragungseigenschaften, die Parallelität entlang der Strahlabtastrichtung und die Stabilität der Reflektoren während des Schneidprozesses beeinträchtigt.

Brennschneidanlagen eignen sich zur Bearbeitung großformatiger Werkstücke. Sie benötigen relativ wenig Stellfläche im Bearbeitungsbereich und lassen sich problemlos in eine Produktionslinie mit anderen Anlagen integrieren. Ihre Positioniergenauigkeit beträgt jedoch nur ±0,04 mm.

Die typische Struktur einer brennergetriebenen Schneidanlage ist in Abbildung 4.19 dargestellt. Es wird eine CO₂-Laserschneidanlage mit kontinuierlichem Wellenbetrieb eingesetzt, wobei der Abstand zwischen Laser und Schneidbrenner 18 m beträgt. Um sicherzustellen, dass die Änderung des Strahldurchmessers über diese Übertragungsstrecke die Schneidvorgänge nicht beeinträchtigt, muss die Kombination der Oszillatorspiegel sorgfältig ausgelegt sein.

Die wichtigsten technischen Parameter von brennergetriebenen Schneidgeräten sind wie folgt:

Laser-Ausgangsleistung: 1,5 kW (Einzelmodus), 3 kW (Mehrmodus)
Brennerhub: X-Achse 6,2 m, Y-Achse 2,6 m
Fahrgeschwindigkeit: 0–10 m/min (einstellbar)
Z-Achsen-Hub des Brenners (schwebend): 150 mm
Verstellgeschwindigkeit der Z-Achse des Brenners: 300 mm/min
Maximale Größe der bearbeiteten Stahlplatte: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Steuerungssystem: Integrierter NC-Steuerungsmodus

2.3.2 XY-Tisch-angetriebene Schneideausrüstung

Bei der XY-Tisch-angetriebenen Schneidanlage ist der Schneidbrenner am Rahmen befestigt, und das Werkstück wird auf dem Schneidtisch platziert. Der Schneidtisch bewegt sich gemäß NC-Befehlen entlang der X- und Y-Achse mit einer einstellbaren Antriebsgeschwindigkeit, typischerweise im Bereich von 0–1 m/min oder 0–5 m/min. Da der Schneidbrenner relativ zum Werkstück stationär bleibt, werden die Auswirkungen auf die Laserstrahlausrichtung und -zentrierung während des Schneidprozesses minimiert, wodurch ein gleichmäßiges und stabiles Schneidergebnis gewährleistet wird. Ausgestattet mit einem kleinen Schneidtisch mit hoher mechanischer Präzision erreicht die Maschine eine Positioniergenauigkeit von ±0,01 mm.hervorragende SchnittpräzisionDadurch eignet sie sich besonders für das Präzisionsschneiden kleiner Bauteile. Für die Bearbeitung großformatiger Werkstücke sind außerdem größere Schneidtische mit einem Verfahrweg in X-Richtung von 2300–2400 mm und in Y-Richtung von 1200–1300 mm erhältlich.

Die wichtigsten technischen Parameter der XY-Tisch-angetriebenen Schneidemaschine sind wie folgt:

Laserquelle: CO₂-Gaslaser (halbgeschlossener, geradliniger Laser)
Laser-Netzteil: Eingangsspannung 200 V AC; Ausgangsspannung 0–30 kV; maximaler Ausgangsstrom 100 mA
Laser-Ausgangsleistung: 550 W
Verfahrweg des Schneidetisches: X-Achse 2300 mm, Y-Achse 1300 mm
Antriebsgeschwindigkeit des Schneidetisches (stufenweise einstellbar): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Z-Achsen-Hub des Brenners (schwebend): 180 mm
Maximale Größe der bearbeiteten Platte: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Steuerungssystem: Numerischer Steuerungsmodus (NC)

2.3.3 Doppelt angetriebene Schneidausrüstung (Brenner & Tisch)

Die dual angetriebene Schneidanlage (Brenner & Tisch) stellt konstruktionstechnisch eine Zwischenlösung zwischen brennergetriebenen und XY-tischgetriebenen Schneidmaschinen dar. Der Schneidbrenner ist an einem Portal montiert und bewegt sich horizontal entlang des Portalträgers (Y-Achse), während der Schneidtisch längs angetrieben wird. Diese Hybridkonstruktion vereint die Vorteile hoher Schnittpräzision und platzsparender Effizienz. Mit einer Positioniergenauigkeit von ±0,01 mm und einem einstellbaren Schnittgeschwindigkeitsbereich von 0–20 m/min zählt sie zu den am weitesten verbreiteten Schneidmaschinen auf dem Markt. Größere Modelle dieser Maschine bieten einen Verfahrweg von 2000 mm in Y-Richtung und 6000 mm in X-Richtung und ermöglichen so die Bearbeitung großformatiger Werkstücke.

Der Laseroszillator ist neben dem Schneidbrenner am Portal montiert. Diese Konfiguration ermöglicht eine außergewöhnliche Präzision beim Schneiden von Kreislöchern. Die Maschine zeichnet sich zudem durch eine hohe Produktionseffizienz aus: Sie kann 46 Kreislöcher (10 mm Durchmesser) pro Minute in eine 1 mm dicke Stahlplatte schneiden.

2.3.4 Integrierte Schneideausrüstung

In einemintegrierte SchneidemaschineDie Laserquelle ist am Rahmen montiert und bewegt sich mit diesem in Längsrichtung, während der Schneidbrenner mit seinem Antriebsmechanismus integriert ist und sich horizontal entlang des Rahmenträgers bewegt. Die Maschine schneidet Bauteile unterschiedlicher Form mittels numerischer Steuerung. Um die durch die horizontale Bewegung des Schneidbrenners verursachte Änderung der optischen Weglänge auszugleichen, ist üblicherweise ein Modul zur optischen Weglängenkorrektur vorhanden. Dieses Modul gewährleistet einen homogenen Laserstrahl im Schneidbereich und sorgt für eine gleichbleibende Schnittqualität.

Veröffentlichungsdatum: 17. Dezember 2025

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