Schneidlaser
Bei einem Laserstrahl, kurz auch Laser als Kunstwort für „Light Amplification by stimulated Emission of Radiation“ genannt, handelt es sich um einen stark gebündelten Lichtstrahl, der innerhalb einer grundsätzlich zweiteiligen Apparatur, bestehend aus einem optisch aktiven Bestandteil, der den eigentlichen Laser erzeugt und einem Resonator, der dem entstehenden Strahl seine Form und andere spezifische Eigenschaften verleiht. Der Begriff ist seit dem Jahr 1957 gebräuchlich und wurde von Gordon Gould, einem amerikanischen Physiker geprägt, der auch als Erfinder der Technologie gilt.
Die Einsatzmöglichkeiten der Schneidlaser sind umfangreich und er ist innerhalb der modernen Technik in viele Prozesse innerhalb der Bereiche Materialbearbeitung, Medizin, Datentechnik, Mess- und Steuerungstechnik, sowie in zahlreiche wissenschaftliche und auch militärische Anwendungen integriert.
Schneiden mit dem Laser
Innerhalb der Materialbearbeitung nimmt der Einsatz von Laserwerkzeugen zum Schneiden von Werkstoffen eine zentrale Rolle ein. Hierbei sind fokussierte, also besonders konzentrierte und stark gebündelte Hochleistungslaser in der Lage, mit sehr hohen Geschwindigkeiten, von bis zu 30 Metern pro Minute, Materialien in Plattenform, Profile und auch Rohre sowie andere Hohlkörper präzise und sauber zu trennen. Dabei spielt die Stärke des Werkstückes eine untergeordnete Rolle. Da der Schnitt selber berührungslos erfolgt, werden die zu trennenden Werkstoffe nicht stärker belastet, als dies unbedingt notwendig ist, wodurch die Technologie sich auch auf hochempfindliches Material anwenden lässt. Im Gegensatz zu anderen Trennverfahren, wie zum Beispiel dem Stanzen von starkem Plattenmaterial, ist die Einrichtung einer laserbasierten Schneidemaschine vergleichsweise unkompliziert, wodurch auch bei kleinen Auflagen kostengünstig gearbeitet werden kann. Hinzu kommt, dass zum Trennen starker Bleche per Stanzung erhebliche Kräfte auf das Material einwirken, so dass es hier im Kantenbereich verstärkt zu Unregelmäßigkeiten kommen kann.
Die meisten Einrichtungen zum Schneiden per Laserstrahl sind vergleichbar aufgebaut. Neben einer feststehenden Laserstrahlquelle wird eine Technik eingesetzt, die per Spiegelübertragung oder mithilfe flexibler Lichtleitkabel den Strahl über das zu trennende Werkstück führt. Eingesetzt werden entweder Gaslaser auf Basis von Kohlendioxid, oder, gerade in neuerer Zeit, auch so genannte Festkörperlaser.
Über die reine Erzeugung und Führung des Laserstrahles hinaus, ist in entsprechenden Einrichtungen ebenfalls eine Methode notwendig, die ein geeignetes Prozessgas parallel zur jeweiligen Schnittstelle per Düse auf die Linse und den Werkstoff abgibt. Die Linse wird damit vor Dampf und Spritzern geschützt, während gleichzeitig das Schnittmaterial aus der Trennungsfuge entfernt.
Die dezidierten Verfahren
Je nach Werkstoff, Lasertemperatur und technischem Verfahren, unterteilt an die Laserschneidetechnik in drei verschiedene Verfahren. Sie unterscheiden sich durch den Aspekt, in welchem Aggregatzustand sich das Fugenmaterial während des Schneidprozesses befindet. Möglich sind Zustände als Flüssigkeit, Dampf oder Oxidationsprodukt.
Im Falle eines flüssigen Zustandes des Fugenmaterials, bezeichnet man das Verfahren als Laserstrahlschmelzung. Hierbei wird mit einem Druck von bis zu 20 bar, wahlweise Stickstoff, Argon oder Helium auf die zu schneidende Oberfläche gestrahlt, während die Trennung erfolgt. Das Verfahren ist für den Werkstoff besonders schonend. So verhindert der Gasstrahl ein Oxidieren der Oberflächen. Zum Einsatz kommt die Laserstrahlschmelzung vor allem bei Edelstahl und Aluminiumlegierungen. Die Schnittgeschwindigkeit liegt im langsamen Bereich.
Entsteht im Rahmen des Schneidprozesses Dampf, als Fugenprodukt des Werkstoffes, so spricht man vom Schneiden mit Lasersublimierung. Hierbei wird der Laserstrahl eingesetzt, um bei extrem hohen Temperaturen eine Verdampfung des Werkstoffes zu erreichen, ohne das es vorher zur Verflüssigung kommt. Das Prozessgas wird hier wiederum zum Ausblasen der Fugen und zum Reinigen der Linsen verwendet. Zum Einsatz kommt das Verfahren meistens dann, wenn ein Werkstoff nicht über eine ausgeprägte flüssige Phase verfügt, also zum Beispiel in Bezug auf Holz, Leder, Textilien und faserverstärkte Kunststoffe.
Handelt es sich um ein Verfahren, bei dem der Schneidprozess durch die Verbrennung des Fugenmaterials durchgeführt wird, so handelt es sich um das Laserstrahlbrennschneiden. Hierbei erfolgt zunächst eine Erwärmung des Werkstoffes auf dessen Entzündungstemperatur. In der Folge wird dann Sauerstoff zugeleitet, das Fugenmaterial verbrennt, während die Schlacke gleichzeitig durch den Sauerstoffstrahl entfernt wird. Beinahe alle eisenhaltigen Materialien werden mit diesem Verfahren getrennt, wenn der Schnitt per Laser ausgeführt wird. Meist wird als optisch aktiver Bestandteil ein Gaslaser auf Basis von Kohlendioxid eingesetzt. Das Laserstrahlbrennschneiden zeichnet sich vor allem durch die hohe Schnittgeschwindigkeit aus, die im Vergleich zum Laserstrahlschmelzschneiden das 5-10fache ausmacht.
Gefahrenquellen beim Laserschneiden
Das Schneiden von Materialien per Laser birgt in Verfahren und Emissionen verschiedene Gefahrenquellen, die von den Ausführenden berücksichtigt werden müssen. Während das mechanische Verletzungsrisiko, zum Beispiel im Vergleich zu Stanzungen, eher gering ist, können haut- und augenschädigende Wirkungen von den Laserstrahlen ausgehen. Augenschäden werden von den Betroffenen oft zunächst nicht wahrgenommen und entwickeln ihre Folgen erst nach einiger Zeit. Die zugelassenen Laserschneidmaschinen sind von daher mit umfangreichen Schutzvorrichtungen ausgestattet. Eine weitere Gefahrenquelle besteht in den Verbrennungsprodukten meist organischer Werkstoffe. Gerade im Falle von Kunststoffen können im Zuge der Verbrennung giftige, explosive oder korrosive Gase entstehen.