Noch vor einem Jahrzehnt galten Faserlaserschneider als Dünnblechspezialisten. Die Geschäfte stellten schnell fest, dass sie in sie investieren mussten, um konkurrenzfähig zu sein, oder zumindest ihre Materialstärke reduzieren mussten. Für qualitativ hochwertiges Plattenschneiden sind CO2-Laser nach wie vor die beste Wahl. Sicher, Faserlaser könnten dickere Rohlinge schneiden, aber die Qualität war nicht besonders gut und ihr Geschwindigkeitsvorteil verschwand beim Schneiden sehr dicker Platten fast. Heute hat sich die Welt verändert.
Die Hilfsgastechnologie hat in nur wenigen Jahren große Fortschritte gemacht und ist einer der Schlüsselfaktoren für den sich schnell verändernden Bereich des Laserschneidens. Linsenmaterialien und deren Design wurden ebenso verbessert wie Schneidköpfe und Düsen. Es zeigt sich, dass moderne Faserlaser-Strahlführungssysteme große Photonenleistungen problemlos bewältigen können. Ultrahochleistungslaser mit 20, 30 und sogar 50 kW können jetzt dicke Platten schnell und sauber schneiden.
„Sauber“ ist hier das entscheidende Wort. Ob ein Laser wirtschaftlich sinnvoll ist, hängt von den Kosten pro Teil ab. Hochleistungslaser boomen heute im Bereich des Präzisionsplattenschneidens. Wurde ein Teil früher mit Plasma geschnitten und dann auf einer Fräsmaschine entgratet oder nachbearbeitet, kann dies heute möglicherweise mit einem Faserlaser erfolgen.
Das Mischen von Hilfsgasen macht es möglich. Selbst die dicksten Platten werden heute nicht mit Sauerstoff, sondern mit einem Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch bearbeitet. Der Hilfsgasstrom besteht immer noch hauptsächlich aus Stickstoff, einem Inertgas, das das geschmolzene Metall aus der Schnittfuge austreibt, aber ein kleiner Teil Sauerstoff sorgt für die chemische Reaktion, die dabei hilft, die Schnittfuge auf den Boden zu bringen und so eine schlackenfreie Kante zu erzeugen.
Der Abstand zwischen der Oberfläche und der Düse wurde so klein gemacht, dass er fast nicht existiert, um einen laminaren Fluss von Hilfsgasen durch die Schnittfuge zu ermöglichen, damit das Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch wie vorgesehen funktionieren kann. Beim Präzisionsschneiden von Platten sind übermäßige Hilfsgasturbulenzen der Feind eines sauberen Laserschneidens.
Erste Gasmischanwendungen erschienen vor mehr als einem Jahrzehnt, nicht für dicken Stahl, sondern zum schlackenfreien Schneiden von Aluminium. Steve Albrecht, Präsident von Liberty Systems mit Sitz in Pewaukee, Wisconsin, einem Anbieter von Stickstofferzeugung und Gasmischung, erinnert sich an die Verwendung von Stickstoff-Sauerstoff-Gemischen in den frühen 2{7}}10er Jahren, nicht für Faserlaser, sondern für 4 kW CO2 System zum Schneiden von 0,125-Zoll dickem Aluminium.
„Aluminium hat oben eine Oxidschicht“, sagt Albrecht, „und man muss sie abbrennen, um Schlacken und Grate zu vermeiden. Wie die Anwendungstechniker herausfanden, hilft ein stickstoffunterstützter Luftstrom mit einer Dosis Sauerstoff dabei, die harten – zum Entfernen von Schaum an den Kanten von lasergeschnittenem Aluminium.
„Als weicheres Material weist Aluminium einige einzigartige Eigenschaften für das Laserschneiden auf“, sagt David Bell, Präsident von Witte Gas Control in Alpharetta, Georgia. „Die Gasmischung ist hilfreich. Wenn Sie Aluminium mit Sauerstoff schneiden, verbrennen Sie es. Wenn Sie Schneiden Sie es mit Stickstoff, Sie erhalten Randstreifen. Mischen Sie beides und Sie erhalten einen saubereren Schnitt.
Als Faserlaser begannen, den Markt zu erobern und die verfügbare Leistung weiter zunahm, entwickelten sich Hilfsgasstrategien weiter. Anwendungsingenieure begannen mit verschiedenen Kombinationen von Stickstoff und Sauerstoff zu experimentieren.
Albrecht erinnert sich: Als die Ingenieure begannen, mit einem Sauerstoffgehalt von nahezu 20 Prozent gute Ergebnisse zu erzielen, öffnete sich die Tür für die Verwendung ultratrockener Luft zum Schneiden. Dies sparte dem Hersteller viel Geld, insbesondere angesichts der Menge an Hilfsgas, die die frühen Faserlaser verbrauchten.
„Als die ersten 6-kW- und 8-kW-Fasern auf den Markt kamen“, sagt Albrecht, „hat das Ultra-Trockenluftschneiden richtig Fahrt aufgenommen.“
Mit der weiteren Steigerung der Faserlaserleistung änderte sich jedoch die Hilfsgasstrategie. Die Schneidbedingungen für Faserlaser mit der höchsten Leistung basieren auf präzisen Stickstoff-Sauerstoff-Mischungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt.
OEMs von Laserschneidern begannen mit verschiedenen Düsen und unterschiedlichen Ansätzen zu experimentieren, um einen gleichmäßigen laminaren Strom von Hilfsgasen um einen stärkeren Strahl zu erreichen. Düsendesigns wurden optimiert. Einige Düsengeometrien fangen das Gas oben auf dem Metall ein. Andere Techniken verwenden Luftschleier um die Hilfsgassäule. Wie Albrecht erklärt, hängen diese Methoden vom Maschinenbauer ab, aber alle arbeiten auf das gleiche Ziel hin: die beste Schnittqualität bei den niedrigsten Kosten pro Stück zu erreichen. Dazu gehört der Einsatz von Hilfsgasen und insbesondere das Finden der optimalen Mischung zur Verbesserung der Schnittqualität und -geschwindigkeit.
