LASER-AUSSCHNITT

Laser schneidenist eine Technologie, die aLaserMaterialien verdampfen, wodurch eine Schnittkante entsteht.Während es normalerweise für industrielle Fertigungsanwendungen verwendet wird, wird es heute von Schulen, kleinen Unternehmen, Architekturbüros und Hobbybastlern verwendet.LaserSchneidenFunktioniert, indem die Leistung eines Hochleistungslasers meist durch eine Optik geleitet wird.DerLaseroptikUndCNC(Computer Numerical Control) werden verwendet, um den Laserstrahl auf das Material zu richten.Ein kommerzieller Laser zum Schneiden von Materialien verwendet ein Bewegungssteuerungssystem, um einer CNC- oder CNC-Steuerung zu folgenG-Codedes zu schneidenden Musters auf das Material.Der fokussierte Laserstrahl wird auf das Material gerichtet, das dann entweder schmilzt, verbrennt, verdampft oder von einem Gasstrahl weggeblasen wird. Hinterlässt eine Kante mit einer hochwertigen Oberflächenbeschaffenheit.

Geschichte

Im Jahr 1965 kam die erste serienmäßige Laserschneidmaschine zum EinsatzbohrenLöcher hineinDiamant stirbt.Diese Maschine wurde von der hergestelltWestliches Forschungszentrum für Elektrotechnik.Im Jahr 1967 leisteten die Briten Pionierarbeit beim laserunterstützten Sauerstoffstrahlschneiden von Metallen.In den frühen 1970er Jahren wurde diese Technologie zum Schneiden von Titan für Luft- und Raumfahrtanwendungen in die Produktion eingeführt.Gleichzeitig CO₂Laser wurden zum Schneiden von Nichtmetallen angepasst, zTextilien, weil damals CO₂Laser waren nicht stark genug, um das zu überwindenWärmeleitfähigkeitvon Metallen.

Verfahren

Der Laserstrahl wird in der Regel über eine hochwertige Linse auf den Arbeitsbereich fokussiert.DerQualität des Strahlshat einen direkten Einfluss auf die Größe des fokussierten Spots.Der schmalste Teil des fokussierten Strahls hat im Allgemeinen einen Durchmesser von weniger als 0,32 mm (0,0125 Zoll).Abhängig von der Materialstärke,SchnittfugeBreiten von nur 0,004 Zoll (0,10 mm) sind möglich. Um den Schnitt auch von einer anderen Stelle als der Kante aus starten zu können, wird vor jedem Schnitt ein Einstich vorgenommen.Beim Piercing wird normalerweise ein gepulster Hochleistungslaserstrahl verwendet, der langsam ein Loch in das Material bohrt. Bei einer Dicke von 13 mm (0,5 Zoll) dauert es etwa 5 bis 15 Sekunden.Edelstahl, Zum Beispiel.

Die parallelen kohärenten Lichtstrahlen der Laserquelle haben häufig einen Durchmesser zwischen 1,5 und 2,0 mm (0,06–0,08 Zoll).Dieser Strahl wird normalerweise durch eine Linse oder einen Spiegel auf einen sehr kleinen Punkt von etwa 0,001 Zoll (0,025 mm) fokussiert und verstärkt, um einen sehr intensiven Laserstrahl zu erzeugen.Um beim Konturschneiden ein möglichst glattes Finish zu erzielen, muss die Strahlrichtung angepasst werdenPolarisationmuss gedreht werden, während es sich um den Umfang eines konturierten Werkstücks bewegt.Beim Blechschneiden beträgt die Brennweite normalerweise 38–76 mm.

Vorteile des Laserschneidens gegenübermechanisches SchneidenDazu gehören ein einfacheres Halten des Werkstücks und eine geringere Kontamination des Werkstücks (da es keine Schneidkante gibt, die durch das Material verunreinigt werden oder das Material verunreinigen kann).Die Präzision ist möglicherweise besser, da der Laserstrahl während des Prozesses nicht verschleißt.Außerdem besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass sich das Material, das geschnitten wird, verzieht, da Lasersysteme einen kleinen Schnitt habenWärmeeinflusszone.Manche Materialien lassen sich auch mit herkömmlichen Mitteln nur sehr schwer oder gar nicht schneiden.

Das Laserschneiden von Metallen hat gegenüber dem Plasmaschneiden den Vorteil, dass es beim Schneiden von Blechen präziser ist und weniger Energie verbraucht.Die meisten Industrielaser können jedoch nicht durch die größere Metalldicke schneiden, die Plasma erreichen kann.Neuere Lasermaschinen, die mit höherer Leistung arbeiten (6000 Watt, im Gegensatz zu den 1500-Watt-Leistungen früherer Laserschneidmaschinen), nähern sich Plasmamaschinen in ihrer Fähigkeit, dicke Materialien zu schneiden, aber die Kapitalkosten solcher Maschinen sind viel höher als die von Plasmaschneidmaschinen, die dicke Materialien wie Stahlplatten schneiden können.

Typen

Es gibt drei Haupttypen von Lasern, die beim Laserschneiden verwendet werden.DerCO2Lasereignet sich zum Schneiden, Bohren und Gravieren.DerNeodym(Nd) und NeodymYttrium-Aluminium-Granat(Nd:YAG) Laser sind im Stil identisch und unterscheiden sich nur in der Anwendung.Nd wird zum Bohren und dort verwendet, wo hohe Energie, aber geringe Wiederholungen erforderlich sind.Der Nd:YAG-Laser wird dort eingesetzt, wo sehr hohe Leistungen benötigt werden, sowie zum Bohren und Gravieren.Beide CO2und Nd/Nd:YAG-Laser können verwendet werdenSchweißen.

CO2Laser werden üblicherweise „gepumpt“, indem ein Strom durch die Gasmischung geleitet wird (DC-angeregt) oder Hochfrequenzenergie verwendet wird (RF-angeregt).DerRF-Methodeist neuer und beliebter geworden.Da Gleichstromkonstruktionen Elektroden innerhalb des Hohlraums erfordern, kann es zu Elektrodenerosion und Aufplattierung von Elektrodenmaterial kommenGlaswarenUndOptik.Da HF-Resonatoren über externe Elektroden verfügen, treten diese Probleme nicht auf.CO2Laser werden zum industriellen Schneiden vieler Materialien verwendet, darunter Titan, Edelstahl, Weichstahl, Aluminium, Kunststoff, Holz, Holzwerkstoffe, Wachs, Stoffe und Papier.YAG-Laser werden hauptsächlich zum Schneiden und Ritzen von Metallen und Keramik verwendet.

Neben der Stromquelle kann auch die Art des Gasflusses die Leistung beeinflussen.Häufige Varianten von CO2Zu den Lasern gehören schnelle axiale Strömung, langsame axiale Strömung, transversale Strömung und Plattenlaser.In einem schnellen Axialströmungsresonator wird die Mischung aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff durch eine Turbine oder ein Gebläse mit hoher Geschwindigkeit zirkuliert.Querstromlaser zirkulieren das Gasgemisch mit einer geringeren Geschwindigkeit, was ein einfacheres Gebläse erfordert.Platten- oder diffusionsgekühlte Resonatoren verfügen über ein statisches Gasfeld, das weder Druckbeaufschlagung noch Glasgeräte erfordert, was zu Einsparungen bei Ersatzturbinen und Glasgeräten führt.

Der Lasergenerator und die externe Optik (einschließlich der Fokuslinse) müssen gekühlt werden.Abhängig von der Systemgröße und -konfiguration kann die Abwärme durch ein Kühlmittel oder direkt an die Luft übertragen werden.Wasser ist ein häufig verwendetes Kühlmittel, das normalerweise durch einen Kühler oder ein Wärmeübertragungssystem zirkuliert.

ALaser-Mikrostrahlist ein wasserstrahlgeführtesLaserbei dem ein gepulster Laserstrahl in einen Niederdruck-Wasserstrahl eingekoppelt wird.Damit werden Laserschneidfunktionen ausgeführt, während der Wasserstrahl den Laserstrahl ähnlich wie eine optische Faser durch Totalreflexion führt.Der Vorteil besteht darin, dass das Wasser auch Schmutz entfernt und das Material kühlt.Weitere Vorteile gegenüber dem herkömmlichen „trockenen“ Laserschneiden sind hohe parallele SchnittgeschwindigkeitenSchnittfugeund omnidirektionales Schneiden.

Faserlasersind eine Art Festkörperlaser, der in der Metallschneideindustrie schnell wächst.Im Gegensatz zu CO₂Die Fasertechnologie nutzt ein festes Verstärkungsmedium im Gegensatz zu einem Gas oder einer Flüssigkeit.Der „Seed-Laser“ erzeugt den Laserstrahl und wird anschließend in einer Glasfaser verstärkt.Mit einer Wellenlänge von nur 1064 Nanometern erzeugen Faserlaser eine extrem kleine Punktgröße (bis zu 100-mal kleiner im Vergleich zum CO).₂) und eignet sich daher ideal zum Schneiden von reflektierendem Metallmaterial.Dies ist einer der Hauptvorteile von Ballaststoffen im Vergleich zu CO₂.

Zu den Vorteilen des Faserlaserschneiders gehören:

• Schnelle Bearbeitungszeiten.
• Reduzierter Energieverbrauch und geringere Kosten – durch höhere Effizienz.
• Höhere Zuverlässigkeit und Leistung – keine Optiken, die angepasst oder ausgerichtet werden müssen, und keine Lampen, die ausgetauscht werden müssen.
• Minimaler Wartungsaufwand.
• Die Fähigkeit, stark reflektierende Materialien wie Kupfer und Messing zu verarbeiten
• Höhere Produktivität – niedrigere Betriebskosten bieten eine höhere Kapitalrendite.

Methoden

Es gibt viele verschiedene Methoden zum Schneiden mit Lasern, wobei unterschiedliche Typen zum Schneiden unterschiedlicher Materialien verwendet werden.Einige der Methoden sind Verdampfen, Schmelzen und Blasen, Schmelzblasen und Brennen, thermische Spannungsrisse, Ritzen, Kaltschneiden und brennstabilisiertes Laserschneiden.

Verdampfungsschneiden

Beim Verdampfungsschneiden erhitzt der fokussierte Strahl die Oberfläche des Materials bis zum Flammpunkt und erzeugt ein Schlüsselloch.Das Schlüsselloch führt zu einem plötzlichen AnstiegAbsorptionsfähigkeitdas Loch schnell vertiefen.Wenn sich das Loch vertieft und das Material kocht, erodiert der erzeugte Dampf die geschmolzenen Wände, bläst Auswurf aus und vergrößert das Loch weiter.Mit dieser Methode werden in der Regel nicht schmelzende Materialien wie Holz, Kohlenstoff und Duroplaste geschnitten.

Schmelzen und blasen

Beim Schmelz- und Blasschneiden oder Schmelzschneiden wird Hochdruckgas verwendet, um geschmolzenes Material aus dem Schneidbereich zu blasen, wodurch der Energiebedarf erheblich gesenkt wird.Zuerst wird das Material bis zum Schmelzpunkt erhitzt, dann bläst ein Gasstrahl das geschmolzene Material aus der Schnittfuge, sodass die Temperatur des Materials nicht weiter erhöht werden muss.Bei den mit diesem Verfahren geschnittenen Materialien handelt es sich in der Regel um Metalle.

Thermische Spannungsrisse

Spröde Materialien sind besonders empfindlich gegenüber thermischem Bruch, ein Merkmal, das bei der thermischen Spannungsrissbildung ausgenutzt wird.Ein Strahl wird auf die Oberfläche fokussiert und verursacht eine lokale Erwärmung und Wärmeausdehnung.Dadurch entsteht ein Riss, der dann durch Bewegen des Balkens geführt werden kann.Der Riss kann in der Größenordnung von m/s bewegt werden.Es wird üblicherweise beim Schneiden von Glas verwendet.

Heimliches Würfeln von Siliziumwafern

Die Trennung vonMikroelektronikChips wie in zubereitetHerstellung von HalbleiterbauelementenausSiliziumscheibekann durch das sogenannte Stealth-Dicing-Verfahren erfolgen, das mit einem Impuls arbeitetNd:YAG-Laser, dessen Wellenlänge (1064 nm) gut an die Elektronik angepasst istBandabstandvonSilizium(1.11e.Voder 1117 nm).

Reaktives Schneiden

Reaktives Schneiden wird auch „brennend stabilisiertes Lasergasschneiden“ und „Brennschneiden“ genannt.Reaktives Schneiden ähnelt dem Sauerstoffbrennschneiden, jedoch mit einem Laserstrahl als Zündquelle.Wird hauptsächlich zum Schneiden von Kohlenstoffstahl mit einer Dicke über 1 mm verwendet.Mit diesem Verfahren können sehr dicke Stahlplatten mit relativ geringer Laserleistung geschnitten werden.