Laserschneiden: Grundlagen, Verfahren & Alternativen

Das Laserschneiden ist ein Verfahren, welches in zahlreichen Industrien und Branchen verwendet wird. Bezeichnet wird mit diesem Prozess das Durchtrennen von verschiedenen Festkörpern, wobei diese aus ganz verschiedenen Werkstoffen bestehen können. Besonders häufig verwendet wird das Verfahren zum Beispiel dort, wo eine besonders schnelle und präzise Verarbeitung erforderlich ist. Wie genau das Laserschneiden funktioniert, welche Verfahren zum Einsatz kommen und wo die Vor- bzw. Nachteile liegen, erfährst du im Folgenden.

Das Wichtigste in Kürze

• Das Laserschneiden ist ein sogenanntes trennendes Fertigungsverfahren, welches auch als Laserstrahlschneiden bezeichnet wird
• Moderne Lasertechniken ermöglichen heutzutage das Trennen von nahezu allen erdenklichen Werkstoffen wie Metallen und organischen Materialien
• Beim Laserschneiden kommen verschiedene Lasertypen wie CO2-Laser, Festlaserkörper oder Faserlaser zum Einsatz
• Unterschieden wird bei diesem Prozess zwischen verschiedenen Verfahren wie dem 2D-Laserschneiden, der 3D-Laserbearbeitung oder dem Laserstrahl-Brennschneiden

Was ist Laserschneiden?

Wie eingangs erwähnt, handelt es sich beim Laserschneiden um ein trennendes Fertigungsverfahren. Durchtrennt werden hier mittels Laserstrahlung verschiedene Festkörper. Unterschieden wird dabei zwischen der kontinuierlichen Laserstrahlung und der gepulsten Laserstrahlung durch Materialablation. Mit Hilfe des Verfahrens können heutzutage zahlreiche unterschiedliche Werkstoffe wie Metalle oder auch organische Materialien durchtrennt werden. Hierfür sind meist lediglich geringe Anpassungen notwendig, die zum Beispiel in der Intensität der Strahlung oder der Wellenlänge vorgenommen werden müssen.

Eingesetzt wird das Laserschneiden in ganz verschiedenen Bereichen und Branchen. Meist immer dort, wo komplexe Strukturen schnell und präzise in Form gebracht werden müssen. Dabei charakterisiert sich das Laserstrahlschneiden vor allem durch eine geringe Kraftaufwendung bei der Bearbeitung aus. Das macht dieses Verfahren zu einer wirtschaftlicheren Methode als etwa das traditionelle Stanzen.

Lasertypen

Beim Laserschneiden kommen fokussierte Hochleitungslaser zum Einsatz. In Frage kommen dabei aber dennoch ganz unterschiedliche Lasertypen. So ist der CO2-Laser, auch Gaslaser genannt, besonders häufig verbreitet. Mittlerweile verstärkt im Einsatz sind aber auch die sogenannten ND:YAG-Laser bzw. Festkörperlaser und die besonders effizienten Faserlaser.

CO2-Laser

Die CO2-Laser bzw. Gaslaser sind bereits seit vielen Jahrzehnten im Einsatz und wurden erstmalig 1964 entwickelt. Neben den Festkörperlasern gehören die CO2-Laser zu den stärksten und gleichzeitig am meisten genutzten Lasergeräten in der Industrie. Der große Unterschied zum Festkörperlaser liegt vor allem darin, dass dieser Laser mit einer tatsächlichen kinetischen Molekülschwingung arbeitet. Beim Festkörperlaser hingegen wird dies durch die Anregung von Elektrononen in den Atomen gewährleistet. Je nach Intensität des Lasers eignen sich diese Strahlen unter anderem zum Schneiden von dünnen und organischen Materialien wie Textilien, Holz oder Kunststoffen. In der Glasbearbeitung kommen die CO2-Laser aber ebenfalls zum Einsatz.

Nd:YAG-Laser (Festkörperlaser)

Auch der Nd:YAG-Laser wurde bereits 1964 entwickelt. Die vollständige Bezeichnung lautet eigentlich Neodym-dotierter Yttrium Aluminium-Granat-Laser. Zweifelsohne ein cooler Name, aber auch ein wenig „unhandlich“. Bei Lasern dieser Art handelt es sich um Festkörperlaser, die einen YAG-Kristall verwenden mit einer geringeren Wellenlänge als die CO2-Laser ausgestattet sind. Dadurch ist es möglich, den Laserstrahl durch ein Glasfaserkabel zu leiten und nicht auf Umlenkspiegel angewiesen zu sein. Eingesetzt werden die Nd:YAG-Laser unter anderem bei Mikrobohrungen, dem Präzisionsschneiden von Blechen, der Werkstoffprüfung und sogar in der Medizin.

Faserlaser

Auch bei einem Faserlaser handelt es sich streng genommen um einen Festkörperlaser. In diesem Fall bildet der Kern einer Glasfaser das aktive Medium. Durch das Leiten des Strahls durch eine laseraktive Faser wird diese aufgrund der großen Länge enorm verstört. Dadurch verfügen die Faserlaser über einzigartige Eigenschaften wie eine besonders hohe Lebensdauer, einen nahezu wartungsfreien Aufbau und eine herausragende Strahlqualität. Eingesetzt werden die Faserlaser deshalb in zahlreichen unterschiedlichen Bereichen. So etwa beim Schweißen und Schneiden, aber auch für medizinische Zwecke, zum Beschriften von Bauteilen oder zur Signalregenerierung in der Datenübertragung via Glasfaser.

Funktionsweise

Für den Blick auf die Funktionsweise eines Laserstrahlschneiders ist erst einmal ein Blick auf die einzelnen Kompetenten erforderlich. Die wichtigsten Elemente einer Laserschneidemaschine haben wir im Folgenden aufgeführt:

• Laserstrahlquelle
• Laserstrahlführung
• Bearbeitungskopf (Fokussieroptik)
• Schneiddüse

Der Laserstrahl wird durch die Lichtquelle erzeugt und je nach Lasertyp auf verschiedene Art und Weise zur Fokussieroptik an der Bearbeitungsstelle geführt. Handelt es sich zum Beispiel um einen CO2-Laser, übernehmen diese Arbeit die sogenannten Umlenkspiegel. Bei einem Faserlaser wiederum wird hierfür ein Lichtleitkabel verwendet. In beiden Fällen identisch ist, dass die Fokussieroptik für die Bündelung der Laserstrahlen in einem Fokus sorgt. Auf diesem Wege wird letztendlich die Intensität erzeugt, die für das Schneiden der Materialien erforderlich ist. Ausgegeben wird dieser Strahl über die Schneiddüse, welche im traditionellen Sinne meist aus Kupfer hergestellt wird.

Laserschneidverfahren

Beim Laserstrahlschneiden lässt sich zwischen verschiedenen Schnellverfahren unterscheiden. Unterschiede gibt es dabei vor allem in der Art des genutzten Prozessgases oder mit Blick auf die mögliche Temperatur an der Oberfläche des jeweiligen Werkstoffs. Abhängig vom Aggregatzustand des Werkstoffs wird zum Beispiel vom Laserstrahl-Schmelzschneiden oder Laserstrahl-Brennschneiden gesprochen. Kurze Erläuterungen zu den einzelnen Verfahren findest du im Folgenden.

2D-Laserschneiden

Das 2D-Laserschneiden ist vor allem dann gut geeignet, wenn plattenförmige Materialien zum Einsatz kommen. In diesem Fall kann mit dem 2D-Laserschneiden nahezu jeder Werkstoff zu überschaubaren Kosten bearbeitet werden. Insbesondere beim Bearbeiten von kleinen Serien oder geringen Stückzahlen kann dieses Verfahren seine Stärke gegenüber konventionellen Verfahren ausspielen.

3D-Laserbearbeitung

Die 3D-Leaserbearbeitung ist ein Verfahren, welches vor allem dann genutzt wird, wenn absolute Präzision erforderlich ist. In diesem Fall werden also komplexe Geometrie hergestellt, bei denen die Maßgenauigkeit auf keinen Fall verschoben werden darf. In der Regel bieten die Maschinen zur 3D-Laserbearbeitung zusätzlich eine Stanzbearbeitung, so dass mehrere Schritte in einem Arbeitsgang ermöglicht werden können. Eingesetzt wird dieses Verfahren zum Beispiel beim erstellen von Rohkarossen oder auch bei der Herstellung dreidimensionaler Durchbrüche.

Rohrlasern

Beim sogenannten Rohrlasern kommen individuelle Laserschneidmaschinen zum Einsatz. Diese bieten den Vorteil, dass verschiedene Methoden der Verarbeitung in einem Arbeitsschritt kombiniert werden können. Möglich ist so die Bearbeitung von Rohren nahezu jeglicher Art und Form. Darunter rechteckige oder quadratische Rohre, aber auch runde und ovale Ausführungen.

Laserstrahl-Sublimationsschneiden

Handelt es sich beim Werkstoff um einen Stoff ohne einen besonders ausgeprägten schmelzflüssigen Zustand, wird das Laserstrahl-Sublimationsschneiden verwendet. Das Verfahren basiert im Prinzip auf dem Verdampfen des jeweiligen Werkstoffes. Dieses geht direkt vom festen in den dampfförmigen Zustand über und überspringt damit den schmelzflüssigen Zustand. Besonders gern genutzt wird das Sublimationsschneiden deshalb zum Beispiel beim Bearbeiten von faserverstärkten Kunststoffen, Leder, Textilien oder Holz.

Laserstrahl-Brennschneiden

Sollen eisenhaltige Metalle geschnitten werden, ist das Laserstrahl-Brennschneiden in der Regel das Verfahren der Wall. In diesem Fall wird der Werkstoff nicht geschmolzen, sondern eher verbrannt. Hierfür wird der jeweilige Stoff auf die Entzündungstemperatur gebracht. Der Vorteil gegenüber dem Laserstrahl-Schmelzschneiden liegt hier vor allem in der höheren Geschwindigkeit. Zusätzlich dazu sind die Schnittkanten meist vollkommen gratfrei.

Laserstrahl-Schmelzschneiden

Das wichtigste beim Laserstrahl-Schmelzschneiden ist das jeweilige Prozessgas. Hierbei muss es sich um ein sehr reaktionsträges oder inertes Gas handeln, welches die Oxidation des jeweiligen Werkstoffes verhindert soll. Gleichzeitig dient dieses dafür die Fokussieroptik während des Schneidens zu schützen. Im weiteren Verlauf erfolgt eine Schmelzung des Materials mit einer anschließenden Ausblasung der Flüssigkeit. Besonders häufig genutzt wird dieses Verfahren zum Beispiel bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen oder Edelstahl.

Ritzen

Ein weiteres laserstrahlinduziertes Trennverfahren ist das sogenannte Ritzen. Beim Ritzen handelt es sich um eines der ältesten Verfahren dieser Art. Genutzt wird der Prozess zum Beispiel, um eine Ritzspur in eher spröde Materialien zu bringen. Anhand dieser Ritzspur wird der jeweilige Werkstoff dann gebrochen. Einsatzbereiche sind unter anderem das Schneiden von Glas oder das Bearbeiten von Halbleiter-Scheiben.

Thermisches Laserstrahl-Separieren (TLS)

Ebenfalls genutzt werden kann für die Trennung von Werkstoffen das thermische Laserstrahl-Separieren, kurz TLS. Bei diesem Verfahren werden thermische Spannungen am Werkstoff entlang der jeweiligen Trennungslinie erzeugt. Auf diesem Wege wird ein thermisch induzierter Bruch herbeigeführt. Auch dieses Verfahren kommt vor allem bei der Bearbeitung von spröden Materialien wie Keramik, Glas und Halbleiter-Scheiben zum Einsatz.

Welche Materialien können gelasert werden?

Die Entwicklung im Bereich des Laserschneidens ist in den vergangenen Jahren beeindruckend gewesen. Heutzutage ist es problemlos möglich, mit diesem Verfahren verschiedene Materialien zu schneiden und zu gravieren. Darunter verschiedene Metalle wie Edelmetalle, Stahl oder Edelstahl. Aber auch das Bearbeiten von Glas, Keramik, Holz, Textilien und Leder ist möglich. Ebenso die Verarbeitung von Silikon, ABS, Polyester, Acryl und zahlreichen weiteren Werkstoffen.

• Glas
• Keramik
• Holz
• Textilien
• Aluminium
• Stahl
• Edelstahl
• Leder
• Edelmetalle
• Acryl
• Polyester
• ABS
• Silikon
• uvm.

Alternativen zum Laserschneiden

Neben dem Laserschneiden gibt es im Bereich der Trennverfahren noch einige andere Optionen. Die bekanntesten und traditionellsten Alternativen haben wir hier aufgeführt.

Stanzen

Beim Stanzen handelt es sich um ein Trennverfahren, welches für die Fertigung von Flachteilen verwendet wird. In Frage kommen hierfür verschiedene Werkstoffe wie Bleche, Textilien oder Pappe. Mit Hilfe einer Stanzpresse oder einem Hammerkopf werden die einzelnen Ausstanzungen vom restlichen Werkstoff getrennt.

Nibbeln

Das Nibbeln ist dem Stanzen ähnlich. Allerdings kommt hier keine Presse oder Hammer zum Einsatz. Stattdessen übernimmt die Arbeit ein Stanzwerkzeug, welches auch als Knabber bezeichnet wird. Dieses kann sich zum Ausschneiden von komplexen Formen in alle Richtungen bewegt werden und wurde traditionell von Hand gesteuert. Mittlerweile werden aber auch elektrisch angetriebene Werkzeuge verwendet.

Wasserstrahlschneiden

Eine sehr bekannte Alternative zum Laserschneiden ist das sogenannte Wasserstrahlschneiden. In diesem Fall wird ein Hochdurckwasserstrahl erzeugt und unter Beimischung eines Abrasiv das Material bearbeitet. Beim Abrasiv handelt es sich in den meisten Fällen um scharfkantigen Schneidsand. Besonders gut geeignet ist dieses Verfahren unter anderem beim Bearbeiten von gehärtetem Stahl, aber auch in der Lederbearbeitung, Steinbearbeitung oder Kunststoffbearbeitung.

Gefahren des Laserschneidens für den Nutzer

Das Laserschneiden ist für den Nutzer nicht vollkommen unbedenklich. Eingesetzt wird hier unsichtbare Laserstrahlung, die zum Teil mit atemberaubend hoher Leistung emittiert wird. Dies kann nicht nur bei einem direkten Kontakt zu Haut- und Augenschäden führen, sondern auch durch gestreute oder reflektierte Strahlenteile. Insbesondere bei den Nd:YAG-Lasern besteht zudem die Gefahr, dass Augenschäden nicht erkannt werden. Beschäftigt wird nicht die Linse, sondern die Netzhaut, so dass sich etwaige Schäden oft erst nach langer Zeit bemerkbar machen.

Je nach genutztem Werkstoff sollte zudem auf mögliche Gase oder Schmauch geachtet werden, der bei der Bearbeitung entstehen kann. Aus Gründen des Arbeits- und Umweltschutzes sollte die Absaugung deshalb direkt am jeweiligen Schneidspalt durchgeführt werden.

Vor- und Nachteile des Laserschneidens

Wie jedes Trennverfahren, ist auch das Laserschneiden sowohl mit Vorteilen als auch mit Nachteilen verbunden. Welche das sind, siehst du im Folgenden.

Vorteile

• Hohe Flexibilität dank leichter Anpassungen
• Geeignet für Kleinstserien und Prototypen
• Je nach Anlage Verarbeitung zahlreicher Materialien möglich
• Wirtschaftlicher im Vergleich zum Stanzen, dank hoher Materialausnutzung
• Schneiden und Kennzeichnen oft mit einer Strahlquelle möglich

Hohe Flexibilität

Das Laserschneiden gewährt eine hohe Flexibilität. Oftmals können zum Beispiel das Schneiden und die Kennzeichnung mit nur einer Strahlquelle durchgeführt werden. Da schon nach kleinen Anpassungen oftmals zusätzliche Werkstoffe verarbeitet werden können, ist dieses Verfahren auch für kleine Serien und Prototypen geeignet.

Hohe Wirtschaftlichkeit

Ein deutlicher Vorteil des Laserstrahlschneidens ist zudem die hohe Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu konventionellen Verfahren. Die überschüssigen Materialien können vermieden werden. Gleichzeitig werden vorhandene Werkstoffe effizienter genutzt.

Anlagen ermöglichen Verarbeitung vieler Materialien

Anlagen für das Laserschneiden ermöglichen in der Regel die Verarbeitung verschiedener Materialien. So ist es möglich, unterschiedliche Kunden zu bedienen und diesen jeweils präzise Schnittmodelle zu liefern.

Nachteile

• Kosten für Anlagenbau können hoch sein
• Intensive Maßnahmen im Arbeitsschutz notwendig
• Möglicherweise hoher Energieverbrauch und Elektroenergieeinsatz

Errichtung der Anlagen mit hohen Kosten verbunden

Der Aufbau von Laserschneid-Anlagen ist nicht nur mit einem gewissen Zeitaufwand verbunden. Auch die Kosten sind nicht zu vernachlässigen. Je nach Umfang und Funktionalität können die Kosten horrend sein und müssen über mehrere Jahre wieder herein gewirtschaftet werden.

Arbeitsschutz muss gewährleistet sein

Das Laserschneiden ist ein Verfahren, welches durchaus gewisse Risiken mit sich bringt. Aus diesem Grund ist es enorm wichtig, dass der Arbeitsschutz jederzeit gewährleistet wird. Entsprechende Schulungen sind notwendig, zudem müssen möglicherweise zusätzliche Investitionen in den Arbeits- und Umweltschutz getätigt werden.

Hoher Energieaufwand erforderlich

Je nach genutzten Komponenten ist das Laserschneiden ein sehr energieintensives Verfahren. So kann der Gasbedarf zum Aufblasen oder für das Prozessgas enorm hoch ausfallen. Ergänzend dazu ist für den Betrieb der Laserstrahlquelle möglicherweise ein hoher Einsatz von Elektroenergie erforderlich.

Fazit: Vielseitig und präzise

Beim Laserschneiden handelt es sich um ein weit verbreitetes Verfahren zur Trennung verschiedener Materialien. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen unter anderem in den geringen Kosten und der hohen Ausnutzung des jeweiligen Werkstoffes. Gerade im Vergleich mit konventionellen Methoden wie dem Stanzen schneidet das Laserschneiden so hervorragend ab. Allerdings ist der Aufbau von industriellen Anlagen mit horrenden Kosten verbunden. Diese sollten unbedingt genauestens kalkuliert werden.

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