Laserschneiden von Dickblechen mit Hochleistungsdiodenlasern: Mit Brillanz glänzen

Fachveröffentlichung zum BMBF-Verbundprojekt „BRILAMET“ aus der Werkstoffe in der Produktion 3/2014
Bearbeitungsanlage im graunen Kasten links, die Lasermaschine selbst befindet sich in einem hochkanten grauen Kasten in der Mitte.

Bild 1: Schneiduntersuchungen: Im Laserzentrum der FH Münster kommt ein 2,5kW-Hochleistungsdiodenlaser von LIMO (hochkant Mitte) an einer industriellen CNC-Bearbeitungsanlage (links) zum Einsatz. Bildquelle: LFM

Zwei viereckige Werkstücke zur Anschauung. Sie sind gut verarbeitet. Die Kantenlänge der beiden Werkstücke entsprechen in etwa der eines Streichholzes.

Bild 2: Schneidergebnisse: Der 2,5 kW-Hochleistungsdiodenlaser von LIMO schnitt 6 mm-Dickbleche (links: Edelstahl mit 1,1 m/min; rechts: Baustahl mit 2,0 m/min) mit hoher Geschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Qualität. Bildquelle: LFM

Ein Laser funkensprühend in Aktion, er lasert gerade Vierecke aus einem Blech heraus.

Bild 3: Projektresultat: Der mit hoher Brillanz arbeitende Hochleistungsdiodenlaser von LIMO eignet sich als Feinschneidwerkzeug für 6 mm dicke Stahlbleche. Bildquelle: LIMO / Markus-Steur.de

26.06.14

Werkstoffe in der Fertigung / LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH

Der Fachbegriff „hohe Brillanz“ steht für Laserstrahlquellen, die zugleich hohe Strahlleistung und gute Strahlqualität bieten. Selten traf dieser Begriff bisher auf Hochleistungsdiodenlaser (HLDL) zu: Anwender setzen HLDL bisher nicht ein, um bis zu einige Millimeter dickes Stahlblech bei guter Schnittqualität und akzeptabler Geschwindigkeit zu schneiden.

Doch es bahnt sich in Sachen Feinschneiden eine Trendwende an: Im Mittelpunkt steht die Kooperation der LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH aus Dortmund mit dem Laserzentrum der Fachhochschule Münster (LFM), die in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt BRILAMET (Brillante Hochleistungsdiodenlaser zur Metallbearbeitung) zusammenarbeiten. Das Projekt beruht auf einem 2,5kW-Hochleistungslaser mit hoher Brillanz, der auf neuentwickelten  HLDL-Modulen basiert, die LIMO mit Hilfe spezieller Mikrooptiken optisch zusammengeschaltet hat.

Die Dortmunder Spezialisten für Laserstrahlformung nahmen zusammen mit den Wissenschaftlern aus Münster das Anwendungspotential der Neuentwicklung unter die Lupe. Dazu koppelte das Projektteam den 2,5kW-Hochleistungsdiodenlaser an eine industrielle CNC-Bearbeitungsanlage (Bild 1). Die HLDL-Strahlung wurde über eine optische Faser (400 µm) in einen ebenfalls von LIMO entwickelten Schneidkopf (f = 120 mm) gelenkt. LIMO und LFM optimierten das Schneidverfahren mit den Methoden des „Design of Experiments“ (DOE), indem sie unter anderem mit verschiedenen Düsengeometrien und -durchmessern experimentierten.

Die Versuche wurden mit 5 mm dickem Baustahl (1.0038) und 6 mm dickem Edelstahl (1.4301) durchgeführt, die Werkstücke besaßen eine quadratische Grundfläche (50 mm x 50 mm) und abgerundete Kanten. Die Versuche ergaben, dass das Schneidergebnis mit Blick auf Grathöhe und Oberflächenrauheit entscheidend von fünf Faktoren abhängt:

  1. Düsendurchmesser
  2. Schneidgeschwindigkeit
  3. Gasdruck
  4. Position des Laserfokus
  5. Entfernung der Düse von der Werkstückoberfläche.

Die 28 individuellen Experimente und die Anwendung der DOE-Methodik boten dem Projektteam aus Dortmund und Münster einen tieferen Einblick, wie die jeweiligen Parameter und Randbedingungen das Schneidergebnis beeinflussen. So hat es sich gezeigt, dass sich mit höheren Schnittgeschwindigkeiten ein thermisch stabiler Schneidprozess erzielen lässt, der eine Überhitzung des Werkstückes vermeidet. Zu niedriges Schneidtempo führt dagegen eventuell zu lokalen Bränden, die das Fließen des geschmolzenen Werkstoffes unterbrechen und das geschmolzene Material an der unteren Schneidkante unregelmäßig erstarren lassen.

Beim Schneiden von Baustahl hat es sich bewährt, den Fokus des Lasers oberhalb der Oberfläche des Werkstückes zu positionieren, um zu hohe Laserbestrahlung des Schneidbereiches zu vermeiden. Bei Edelstahl sollte der Anwender dagegen den Laserstrahl deutlich tiefer ausrichten, um eine glattere Oberfläche zu erhalten. Interessant fielen auch die Versuche mit unterschiedlichen Düsen aus: Schmalere Düsen erhöhen den Gasdruck und senken die Grathöhen. Größere Düsen dagegen erhöhen die Rauheit.

Die Studien des im Rahmen des BMBF-Programms „KMU-Innovativ, Optische Technologien“ (FKZ: 13N12282) unterstützten Projektes ergaben, dass die neuen mit hoher Brillanz arbeitenden Hochleistungsdiodenlaser sich als konventionelles Schneidwerkzeug für 6 mm dicken Edelstahl eignen (Bild 3). Für den modifizierten und per DOE optimierten HLDL von LIMO sprechen die gratfreien Schneidkanten (< 20 µm) und die minimale Rauheit (Rz < 30 µm).

Auch die Schneidgeschwindigkeit kann sich sehen lassen: Das Projektteam schnitt 6 mm dickes Edelstahlblech (1.4301) oxidfrei mit 1,1 m/min und 5 mm dicken Baustahl mit 2 m/min. In beiden Fällen fielen die gute Schnittqualität (Rz < 35 µm) und der vernachlässigbare Grat (< 30 µm) an der Schnittunterkante (Bild 2) positiv auf. Im weiteren Verlauf des Kooperationsprojektes wird LIMO diese Untersuchungen auf HLDL mit gesteigerter Ausgangsleistung bis zu 4 kW bei gleichzeitig hoher Brillanz ausdehnen.

Weitere Informationen unter www.limo.de

Über LIMO

Die LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH gehört seit ihrer Gründung 1992 zu den international führenden Spezialisten für Laserstrahlformung. Im LIMO Hauptsitz in Dortmund entwickelt, produziert und vertreibt ein internationales Team aus 240 spezialisierten Fachkräften innovative Mikrooptiken und Lasersysteme. Weltweit sind wir das einzige Unternehmen, dessen Kernkompetenzprofil auf einzigartige Weise Mikrooptik-Design mit Diodenlasersystemen und dem Know-How in der Materialbearbeitung vereint. Dies macht LIMO zu einem wichtigen und verlässlichen Partner für Unternehmen unterschiedlichster Branchen, z.B. in der Halbleiterfertigung, Flachbildschirmindustrie, bei der Herstellung von Medizingeräten oder in der Automobilbranche, die auf der Suche nach individuellen Laser-Lösungen sind.

Ansprechpartner

LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH
Dr. Jens Meinschien
Leiter Forschung und Entwicklung
Tel.: +49 - 231 - 22 24 1 - 130
Fax: +49 - 231 - 22 24 1 - 140
j.meinschien@limo.de

Presse- und Medienkontakt

LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH
Susanna Siebels-Bracht
Marketing & PR
Tel.: +49 - 231 - 22 24 1 – 317
Fax: +49 - 231 - 22 24 1 - 140
s.siebels-bracht@limo.de

Projektpartner

Laserzentrum Fachhochschule Münster (LFM)
Jürgen Gröninger
Tel.: +49 - 2551 - 962 - 323
Fax: +49 - 2551 - 962 - 490
groening@fh-muenster.de
www.lfm-online.de

Weitere Informationen


Veröffentlichung des Artikels auf dieser Website mit freundlicher Genehmigung des HW-Verlags.

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