Drei Haupttypen von Lasern zum Schneiden

Laserschneiden gibt es schon seit den 1960er Jahren, aber heute ist es aufgrund seiner zunehmenden Verwendung in industriellen Prozessen aktueller denn je. Dieser berührungslose Prozess verwendet einen konstanten Lichtstrahl, um Wärme und Druck zu erzeugen, der dann verschiedene Materialien mit Präzision umformt/verformt, während sich der Schneidkopf über die Oberfläche des Materials bewegt. Die Lasertechnologie führt eine Vielzahl von Funktionen aus, darunter Schneiden, Bohren und Gravieren, abhängig von der Leistung des Lasers, dem Primärmaterial, das zur Erzeugung des Laserstrahls verwendet wird, und dem Material, auf das es einwirkt. Das Laserschneiden ist eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Blechteilen.

Jeder Laser bietet eine kontinuierliche Wellenlänge und kann für verschiedene Zwecke verwendet werden. Es gibt 3 Arten von Lasern: CO2 (Gaslaser), Faserlaser und Nd:YAG oder Nd:YVO (Vanadat-Kristalllaser). Jeder verwendet ein anderes Grundmaterial, um den Laser entweder elektrisch mit einem Gasgemisch oder über physikalische Dioden anzuregen.

Arten von Lasern zum Schneiden

CO2-Laser

Ein CO2-Laser leitet Strom durch eine mit einem Gasgemisch gefüllte Röhre und erzeugt dabei Lichtstrahlen. Die Röhren enthalten an jedem Ende Spiegel. Einer der Spiegel ist vollständig reflektierend und der andere teilweise, sodass etwas Licht durchgelassen wird. Das Gasgemisch besteht üblicherweise aus Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserstoff und Helium. CO2-Laser erzeugen unsichtbares Licht im fernen Infrarotbereich des Lichtspektrums.

Die leistungsstärksten CO2-Laser reichen für Industriemaschinen bis zu mehreren Kilowatt, aber das ist bei weitem die Ausnahme. Typische CO2-Bearbeitungslaser haben eine Leistung von 25 bis 100 Watt bei einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometern.

Dieser Lasertyp wird am häufigsten für die Bearbeitung von Holz oder Papier (und deren Derivaten), Polymethylmethacrylat und anderen Acrylkunststoffen verwendet. Es ist auch nützlich für die Arbeit mit Leder, Stoff, Tapeten und ähnlichen Produkten. Es wurde auch bei der Verarbeitung von Lebensmitteln wie Käse, Kastanien und verschiedenen Pflanzen angewendet.

CO2-Laser eignen sich im Allgemeinen am besten für nichtmetallische Materialien, obwohl sie mit einigen Metallen umgehen können. Es kann im Allgemeinen dünne Bleche aus Aluminium und anderen Nichteisenmetallen schneiden. Man kann die Leistung des CO2-Strahls erhöhen, indem man den Sauerstoffgehalt erhöht, aber dies kann in unerfahrenen Händen oder mit einer für solche Verbesserungen ungeeigneten Maschine riskant sein.

Faserlaser

Diese Maschinenklasse gehört zur Gruppe der Halbleiterlaser und verwendet den Seedlaser. Sie verstärken den Strahl durch speziell entwickelte Glasfasern, die ihre Energie aus den Pumpdioden beziehen. Ihre allgemeine Wellenlänge beträgt 1,064 Mikrometer, was einen extrem kleinen Fokusdurchmesser erzeugt. Sie sind auch im Allgemeinen die teuersten der verschiedenen Laserschneider.

Faserlaser sind in der Regel wartungsfrei und haben eine lange Lebensdauer von mindestens 25.000 Laserstunden. Daher haben Faserlaser eine viel längere Lebensdauer als die beiden anderen Typen und können starke und stabile Strahlen erzeugen. Sie können Intensitäten verarbeiten, die 100-mal höher sind als CO2-Laser mit der gleichen Durchschnittsleistung. Faserlaser können Dauerstrahl, Quasistrahl oder gepulste Einstellungen sein, die ihnen unterschiedliche Funktionalitäten verleihen. Eine Unterart des Faserlasersystems ist das MOPA, bei dem die Impulsdauer einstellbar ist. Dies macht den MOPA-Laser zu einem der flexibelsten Laser, der für vielfältige Anwendungen eingesetzt werden kann.

Faserlaser sind ideal zum Markieren von Metallen durch Glühen, Ätzen von Metallen und Markieren von Thermoplasten. Es funktioniert mit Metallen, Legierungen und Nichtmetallen, einschließlich Glas, Holz und Kunststoff. Faserlaser können je nach Leistung sehr vielseitig sein und eine Menge verschiedener Materialien bearbeiten. Beim Arbeiten mit dünnen Materialien sind Faserlaser die ideale Lösung. Dies gilt jedoch weniger für Materialien über 20 mm, obwohl eine teurere Faserlasermaschine, die über 6 kW laufen kann, ausreichen könnte.

Nd:YAG/Nd:YVO-Laser

Kristalllaser-Schneidprozesse können in nd:YAG (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat) erfolgen, häufiger werden jedoch nd:YVO-Kristalle (Neodym-dotiertes Yttrium-Ortho-Vanadat, YVO4) verwendet. Diese Geräte ermöglichen eine extrem hohe Schneidleistung. Der Nachteil dieser Maschinen ist, dass sie teuer sein können, nicht nur wegen ihres Anschaffungspreises, sondern auch, weil sie eine Lebenserwartung von 8.000 bis 15.000 Stunden haben (wobei Nd:YVO4 typischerweise niedriger ist) und die Pumpdioden a sehr stolzer preis.

Diese Laser bieten eine Wellenlänge von 1,064 Mikrometern und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, von Medizin und Zahnmedizin bis hin zu Militär und Fertigung. Beim Vergleich der beiden zeigt Nd:YVO eine höhere Pumpabsorption und Verstärkung, eine breitere Bandbreite, einen breiteren Wellenlängenbereich zum Pumpen, eine kürzere Lebensdauer des oberen Zustands, einen höheren Brechungsindex und eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Im Dauerbetrieb hat Nd:YVO bei Gehäusen mit mittlerer oder hoher Leistung ein insgesamt ähnliches Leistungsniveau wie Nd:YAG. Allerdings erlaubt Nd:YVO keine so hohen Pulsenergien wie Nd:YAG und die Lebensdauer des Lasers dauert kürzere Zeiträume.

Diese können sowohl mit Metallen (beschichtet und unbeschichtet) als auch mit Nichtmetallen, einschließlich Kunststoffen, verwendet werden. Unter Umständen kann er sogar ein paar Keramiken verarbeiten. Der Nd:YVO4-Kristall wurde mit Kristallen mit hohem NLO-Koeffizienten (LBO, BBO oder KTP) integriert, um die Ausgabe vom nahen Infrarot zu Grün, Blau oder sogar UV zu verschieben, was ihm eine Menge unterschiedlicher Funktionen verleiht.

Aufgrund der ähnlichen Größen können Yttrium-, Gadolinium- oder Lutetium-Ionen durch laseraktive Seltenerd-Ionen ersetzt werden, ohne die zur Strahlerzeugung benötigte Gitterstruktur stark zu beeinflussen. Dadurch bleibt die hohe Wärmeleitfähigkeit der dotierten Materialien erhalten.