Alu-Laserschneiden im Überblick
Das Laserschneiden von Aluminium stellt besondere Anforderungen an die Technik und den Prozessablauf. Der Grund hierfür ist der niedrige Schmelzpunkt von Aluminium im Vergleich zu anderen Metallen, die mit Lasertechnik bearbeitet werden können.
Physikalische Eigenschaften von Aluminium
Aluminium unterscheidet sich in zahlreichen physikalischen Eigenschaften von anderen Metallen. Im direkten Vergleich zu Eisenmetallen ist Alu relativ elastisch und besitzt einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt. Das Elastizitätsmodul von Aluminium beträgt lediglich 70 GPa, während Werkstoffe aus V2A-Stahl Werte von 180 GPa und Baustahl gar 210 GPa aufweisen. Mit einem Schmelzpunkt von 660,4 °C bei reinem Aluminium werden für die thermische Bearbeitung von Aluminium wesentlich niedrigere Temperaturen benötigt, als bei Eisen (1538 °C) oder anderen Nicht-Eisenmetallen wie Kupfer (1084,6 °C). Aufgrund seiner niedrigen Dichte von 2,70 g/cm³, die lediglich ein Drittel der Dichte von Stahl beträgt, wird Aluminium auch als Leichtmetall klassifiziert.
Bedingt durch den niedrigen Schmelzpunkt von Aluminium ist der Wärmeausdehnungskoeffizient vergleichsweise hoch. Die Oberfläche von Alu ist stark reflektierend. Bis zu einer Wellenlänge von circa 330 nm liegt der Reflexionsgrad von Aluminium über dem von Silber. Zugleich wird auch ultraviolette Strahlung von Aluminium reflektiert.
Die meisten Aluminiumlegierungen bilden nicht die für dieses Metall typische schützende Oxidschicht und sind daher stark von Korrosion gefährdet.
Besonderheiten beim Laserschneiden von Aluminium
Das Laserschneiden von Aluminium erfolgt aufgrund der starken Reflexion und des niedrigen Schmelzpunktes mit anderen Parametern als beim Laserschneiden von Eisenmetallen. Die Wahl des passenden Schneideverfahrens hängt dabei von der Blechstärke und den spezifischen Anforderungen des Bauteils ab. Die besten Ergebnisse im Alu-Laserschnitt lassen sich in der Regel im Schmelzschneidverfahren mit CW Lasern und im abtragenden Schneidverfahren mit gepulsten Lasern erreichen.
Abtragendes Schneidverfahren
Das abtragende Schneidverfahren bei Aluminium wird mit gepulsten Lasern durchgeführt. Dieses Verfahren zum Alu-Laserschneiden kommt bei dünnen Blechen zur Anwendung. Hierbei werden hohe Qualitäten der Schnitte erreicht, da das Pulsverfahren im Laserschnitt sehr hohe Präzision und Qualitäten ermöglicht. Die Wärmebelastung des Materials ist dabei nur sehr gering.
Schmelzschneidverfahren
Im Schmelzschneidverfahren wird das Aluminium je nach Blechstärke mit einem CO2 oder Faserlaser geschnitten. Die Variante mit einem Faserlaser kommt vor allem bei dünnen Blechen zum Einsatz, da die starken Reflexionen von Alu die Strahlung eines CO2 betriebenen Lasers stark reflektiert. CO2 betriebene Laser bieten hingegen bei dickeren Alublechen qualitativ bessere Schnitte.
Sublimationsschnitte bei Aluminium
Beim Alu Laserschneiden kann mithilfe von Sublimationsschnitten auf Schneidgas verzichtet werden. Hierbei wird das Aluminium an der Schnittkante direkt verdampft und abgetragen. Die Strahlbewegung der Faserlaser oder Kurzpulslaser wird dabei über Spiegel gelenkt.
Mikro und Makro Alu-Laserschneiden
Die Unterscheidung zwischen Mikro und Makro beim Alu-Laserschneiden hängt von der Lasertechnologie und der Verarbeitungsgeschwindigkeit ab. Als Mikro wird der Prozess bezeichnet, bei dem gepulste Laserstrahlen mit niedriger bis mittlerer Leistungsstärke eingesetzt werden. Das Makro Laserschneiden von Aluminium wird hingegen in hoher Geschwindigkeit bei kontinuierlichem Laserstrahl durchgeführt. Der Austrieb der Aluminiumschmelze erfolgt dabei durch die Zufuhr von Schneidgas auf die Schnittkanten.
Technische Spezifikationen
Die Breite der Schnittfuge beim Aluminium Laserschneiden hängt vom genutzten Verfahren sowie der Blechstärke ab und variiert in der Praxis von 50 bis 300 Mikrometer. Die Arbeitsgeschwindigkeit hängt direkt mit der Leistung der verwendeten Lasereinheit zusammen und kann Geschwindigkeiten von 0,5 m/min bei einem schwachen Laser und dem Pulsverfahren bis zu über 100 m/min bei leistungsstarken Lasern und kontinuierlichem Strahl erreichen.
Beim Laserschneiden von Aluminium liegt die technische Herausforderung im Energiemanagement. Dieses muss für eine hohe Qualität der Schnitte und schmale Spalte optimal auf das Alublech und die Schneidearbeiten abgestimmt sein, um ausreichend Material abzuschmelzen, ohne zugleich durch die starke Wärmeableitung von Aluminium Leistungsverluste zu erleiden. Zugleich müssen die Spalte genügend breit sein, um die Aluschmelze mit Schneidgas austreiben zu können.
Der Fokus des Lasers wird beim Alu-Laserschneiden auf die Blechunterseite gelegt, um die Schmelze schnellstmöglich auszutreiben. Zugleich muss die Strahlqualität besonderen Anforderungen genügen, um den Schneidvorgang auch an der Blechoberseite aufrechtzuerhalten. Die Düse der Schneidgaszufuhr liegt beim Alu-Laserschneiden in unmittelbarer Nähe der Schnittkante und erreicht somit einen hohen Staudruck, der zum Austrieb der Aluschmelze führt.