Schmelzschneiden mit Laserstrahlung
Schmelzschneiden ist ein Fertigungsverfahren der Metallverarbeitung. Hierbei werden unter Einsatz thermischer Energie Metallbleche getrennt. Anstatt mechanischer Energie, wie sie beim Sägen oder Wasserstrahlschneiden verwendet wird, nutzt das Schmelzschneiden thermische Energie, um das Material zu schmelzen. Das verflüssigte Material an der Schnittkante wird anschließend mit hoher kinetischer Energie ausgeblasen. Die Vorteile des Schmelzschneidens sind die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit sowie saubere Schnittkanten, die keine oder nur wenig Nachbearbeitung erfordern. Bearbeitet werden können Metallbleche mit einer Dicke von 0,5 mm bis hin zu 160 mm.
Schmelzschneiden kommt in zwei Verfahren zur Anwendung: Laserschmelzschneiden und Plasma-Schmelzschneiden.
Funktionsweise Plasma-Schmelzschneiden
Materie wird in drei Aggregatzuständen definiert: fest, flüssig und gasförmig. Dabei verändert sich der Aggregatzustand durch die Zufuhr oder Entnahme von Energie, wie Wärme. Gefrorenes Wasser wird durch Wärmezufuhr zunächst flüssig, bis es bei weiterer Wärmezufuhr in den gasförmigen Zustand übergeht. Plasma wird in vereinfachter Ausdrucksweise als vierter Aggregatzustand definiert. Nachdem Materie einen gasförmigen Zustand angenommen hat, wird diese bei weiterer Energiezufuhr ionisiert und elektrisch leitfähig. Beim Schmelzschneiden wird dieses elektrisch leitfähige Gas genutzt, um Energie von einer Stromversorgung zu einem leitfähigen Material, dem zu schneidenden Metallblech, zu übertragen. Hierbei entstehen saubere, schnelle Schnitte im Metall.
Beim Schmelzschneiden wird mit einer externen Stromversorgung im Brenner ein Plasmabogen erzeugt. Dieser Plasmastrahl entsteht unter Zufuhr von Hilfsgasen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Argon, die durch eine kleine Düsenöffnung innerhalb des Brenners mit hohem Druck zugeführt werden. Der Strahl beim Plasma-Schmelzschneiden erreicht dabei Temperaturen von 20.000 ° C und bohrt sich schnell durch das Werkstück. Das geschmolzene Material wird vom Brenner weggeblasen, wodurch saubere Schnittkanten entstehen, die keine oder nur wenig Nachbearbeitung erfordern.
Systemkomponenten beim Plasma-Schmelzschneiden
Stromversorgung: Die Stromversorgung beim Plasma-Schmelzschneiden wandelt eine ein- oder dreiphasige Wechselstromspannung in eine konstante Gleichspannung von 200 bis 400 Volt um. Diese Gleichspannung hält den Plasmabogen während des Schnittes aufrecht. Die Stromzufuhr wird dabei je nach Materialtyp und -dicke gesteuert.
Steuerungseinheit: In der Steuerungseinheit wird eine Wechselspannung von ca. 5.000 Volt bei einer Frequenz von 2 MHz generiert. Mit dieser wird im Inneren des Plasmabrenners der Funken für den Plasmabogen erzeugt.
Plasmabrenner: Die Funktion des Plasmabrenners ist die richtige Ausrichtung und Kühlung der Systemkomponenten Elektrode, Drallring und Düse. Durch eine zusätzliche Abschirmkappe im Plasmabrenner kann die Schnittqualität weiter verbessert werden. Die Teile im Plasmabrenner werden durch innere und äußere Haltekappen zusammengehalten.
Plasmaschneidanlagen werden in konventionelle oder Präzisionsanlagen gruppiert.
Konventionelle Plasmaschneider
Konventionelle Systeme zum Plasma-Schmelzschneiden verwenden typischerweise Umgebungsluft als Plasmagas. Die Form des Plasmabogens wird hierbei durch die Öffnung der Düse definiert. Die Stromstärke dieser Art von Plasma-Bogen beträgt 1850 bis 3100 Ampere pro Quadratzentimeter. Konventionelle Plasmaschneider werden von Hand gesteuert und kommen in Anwendungen zum Einsatz, in denen höhere Toleranzen möglich sind und keine Reproduzierbarkeit vonnöten ist.
Präzisions-Plasmaschneidanlagen
Präzisions-Plasmaschneidanlagen arbeiten mit einer hohen Stromdichte und sind so konstruiert, dass sie äußerst saubere und reproduzierbare Schnitte erzeugen. Im Vergleich zu konventionellen Systemen sind der Brenner sowie Verschleißteile komplexer und beinhalten zusätzliche Komponenten, um den Plasmabogen weiter zu verengen und zu formen. Der Plasmabogen dieser Systeme liefert 6200 bis 7800 Ampere pro Quadratzentimeter. Als Plasmagas kommen Sauerstoff, hochreine Luft, Stickstoff und ein Wasserstoff / Argon / Stickstoffgemisch zum Einsatz.
Betriebsarten beim Plasma-Schmelzschneiden
Handbetrieb
In einem typischen Handplasma-System befinden sich die Elektroden- und Düsenteile im Aus-Zustand im Brenner. Wenn der Auslöser betätigt wird, erzeugt die Stromversorgung einen Gleichstrom, der durch diese Verbindung fließt. Hierdurch wird der Plasmagasfluss eingeleitet. Sobald das Plasmagas (Druckluft) genügend Druck aufbaut, werden Elektrode und Düse auseinandergezogen, was einen elektrischen Funken verursacht, der die Luft in einen Plasmastrahl umwandelt. Der Gleichstrom fließt dann von der Elektrode zur Düse am Werkstück. Dieser Strom und Luftstrom setzt sich fort, bis der Auslöser freigegeben wird.
Präzisions-Plasmabrenner
Innerhalb eines Präzisions-Plasmabrenners berühren sich die Elektrode und die Düse nicht, sondern sind voneinander durch einen Drallring isoliert, der kleine Entlüftungslöcher aufweist, die das Vorlauf- / Plasmagas zirkulierenden lassen. Wenn ein Startbefehl an die Stromversorgung erfolgt, werden bis zu 400 Volt Leerlaufspannung generiert und das Vorlaufgas durch eine auf den Brenner eingestellte Schlauchleitung eingeleitet. Die Düse ist vorübergehend über eine Pilotlichtbogenschaltung mit dem positiven Pol der Stromversorgung verbunden, die Elektrode ist negativ.
Funktionsweise Laserschmelzschneiden
Schmelzschneiden mithilfe eines Laserstrahls wird als Laserschmelzschneiden oder Laserstrahlschmelzschneiden bezeichnet. Hierbei werden Festkörper mit kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahlung bearbeitet, zum Schmelzen gebracht und an der Schnittkante abgetragen. Neben dem Schmelzschneiden von elektrisch leitfähigen Metallen kann das Laserschmelzschneiden auch in der Bearbeitung von nicht leitenden Werkstücken zum Einsatz kommen. Je nach Werkstoff und Materialdicke werden beim Laserstrahlschmelzschneiden die Parameter der Laserstrahlung Wellenlänge, Pulsenergie und -dauer sowie mittlere Leistung angepasst werden.
Systemkomponenten beim Laserschmelzschneiden
Laserstrahlquelle: Als Laserstrahlquelle können Gaslaser, Festkörperlaser oder Faserlaser zum Einsatz kommen.
Laserstrahlführung: Je nach Lasertyp wird der Laserstrahl über Lichtleitkabel (Festkörperlaser oder Faserlaser) oder Umlenkspiegel (CO2-Laser) zum Bearbeitungskopf geführt.
Bearbeitungskopf: Der Bearbeitungskopf besteht aus der Fokussieroptik und Schneiddüse. In der Fokussieroptik wird der Laserstrahl gebündelt und somit die zum Laserschmelzschneiden notwendige Intensität erzielt. Bei Festkörperlasern und Faserlasern besteht die Optik aus speziellem Glas, bei CO2-Lasern aus einkristallinem Zinkselenid oder Kupfer. Die Schneiddüse besteht in der Regel aus Kupfer und führt sowohl den Laserstrahl als auch das Prozessgas an die Schnittstelle.
Verfahren beim Laserschmelzschneiden
Das Laserschmelzschneiden untergliedert sich in zwei Verfahrensschritte: den eigentlichen Schmelzvorgang durch den Laserstrahl und das Austreiben des geschmolzenen Werkstoffs. Hierzu kommt ein reaktionsträges oder inertes Gas zum Einsatz, welches ein Oxidieren der Oberfläche des Werkstücks verhindert und zugleich den Bearbeitungskopf vor Verunreinigung durch Dämpfe und Spritzer schützt. Die Schnittfuge wird hierbei kontinuierlich aufgeschmolzen und der Schneidwerkstoff ausgeblasen.
Je nach Werkstoff, Materialdicke und weiterer Bearbeitungsschritte werden das Prozessgas, Gasdruck und Schneidgeschwindigkeit geregelt. Beim Schmelzschneiden mit Laser wird das Material nicht nur an der Schneidfront verflüssigt, sondern zugleich an den Schnittflanken. Hierdurch entsteht eine halbkreisförmige Schnittkante, die sich durch geringe Riefen und fehlende Gratbildung an der Unterseite des Schnittes auszeichnet und keine oder nur wenig Nachbearbeitung erforderlich macht.
Die Leistung der Laserstrahlen kann zu Augen- und Hautschäden führen. Daher erfolgt die Anwendung in geschlossenen Kabinen, die auch vor unsichtbarer Laserstrahlung abschirmen.