Laserschmelzschneiden mit dynamischer Strahlformung

  • 25. October 2016

Modifikation der Energiedeposition nutzt Vorteile hoher Fokus­inten­si­täten bei gleich­zeitiger Ver­stärkung der Ab­sorption.

Gute Schnittqualität und maximale Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei geringen Investi­tions- und Betriebs­kosten gelten bei Laser­schneid­anlagen als kauf­ent­schei­dendes Argu­ment. Faser- und Scheiben­laser haben sich in den letzten Jahren als Strahl­quelle für Schneid­anwen­dungen durch deutlich höhere Schneid­geschwin­dig­keiten im Dünn­blech­bereich bereits etabliert. Opti­mie­rungs­bedarf besteht beim Dick­blech ab fünf Milli­meter Blech­dicke, wo der Fest­körper­laser bisher im Vergleich zum Schneiden mit CO2-Lasern in der Schneid­qualität hin­sicht­lich Kanten­rauheit und Grat­bildung schlechter ab­schneidet.

Dynamische Strahlführung

Abb.: Beeinflussung der Schnittspaltgeometrie in Abhängigkeit der Oszillationsfunktion, verbesserte Parallelität der Schnittkanten durch dynamische Strahlführung. (Bild: Fh.-IWS)

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS arbeitet an inno­va­tiven Lösungen, die zur Opti­mierung der Prozesse beim Laser­schmelz­schneiden und damit einer verbes­serten Schneid­qualität führen. Damit kann die Vorrang­stellung des Fest­körper­lasers als univer­sell einsatz­bare Strahl­quelle auf dem Schneid­markt ausge­baut werden.

Die Qualifizierung neuartiger Schneidverfahren wie das Remote-Laser­schneiden für die Ferti­gungs­inte­gration sowie Verfahrens­entwick­lungen auf dem Gebiet des Laser­schmelz­schneidens sind neben grund­legenden Unter­suchungen zum Prozess­verständnis die wichtig­sten Forschungs­schwer­punkte des Fraun­hofer-IWS im Bereich des Laser­strahl­schneidens. Dafür stehen den Wissen­schaftlern alle gängigen Laser unter­schied­licher Wellen­länge, Leistung und Strahl­qualität in Kombi­nation mit hoch­dyna­mischen 2D- und 3D-Schneid­maschinen zur Verfügung. Für die Strahl­fokus­sierung und -formung werden neben kommer­ziellen Bear­beitungs­optiken auch Sonder­lösungen und Eigen­entwick­lungen, wie beispielsweise Scanner­systeme für die Remote-Bear­beitung, einge­setzt. Außerdem exis­tieren umfangreiche Möglich­keiten, die Bear­beitungs­ergeb­nisse zu charak­teri­sieren, ange­fangen von Rauheits­messungen an der Schnitt­kante bis hin zur Erfas­sung der Ummagne­tisierungs­verluste bei laser­geschnit­tenen Elek­tro­blechen.

Die Wissenschaftler des Fraunhofer-IWS haben einen neuen Ansatz für die Prozess­beein­flussung beim Schneiden von Dick­blech mittels dyna­mischer Strahl­führung entwickelt. Die Grund­idee besteht darin, mittels zeit­licher und räum­licher Modifi­kation der Energie­deposi­tion die Vorteile hoher Fokus­inten­sitäten weiterhin zu nutzen und die Absorp­tion positiv zu ver­stärken. Dazu wird ein konven­tioneller Schneid­kopf mit einem Hoch­leistungs­scanner­system kombi­niert. Mittels einer speziell entwickelten Ansteuer­lösung schafft man den Ausgangs­punkt für frei definier­bare Funktionen des Ablenk­systems im Kilo­hertz-Bereich. Eine Viel­zahl ansprech­barer Freiheits­grade steuert die Oszil­lation des Laser­strahles und bietet in Ergänzung zu den konven­tionellen Schneid­para­metern, wie beispiels­weise Laser­leistung, Vorschub, Fokus­lage und Gas­druck eine zusätz­liche Möglich­keit der Prozess­steuerung.

Ohne physische Anpassung der Brennweite, wie bei Standard­schneid­maschinen üblich, wird beim scanner­gestützten Schneiden mit einer Brenn­weite sowohl im Dünn­blech- als auch im Dick­blech­bereich eine sehr gute Schneid­performanz erreicht. Kunden­spezi­fische Opti­mierungen des Schneid­prozesses sind mittels verfüg­barer Prozess­sensorik ziel­ge­richtet möglich.

Fh.-IWS / RK

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