Zu den Laserfertigungsaktivitäten zählen derzeit Schneiden, Schweißen, Wärmebehandeln, Plattieren, Aufdampfen, Gravieren, Ritzen, Trimmen, Glühen und Schockhärten. Laserfertigungsverfahren konkurrieren sowohl technisch als auch wirtschaftlich mit konventionellen und nicht-konventionellen Fertigungsverfahren wie mechanischer und thermischer Bearbeitung, Lichtbogenschweißen, elektrochemischer und elektrischer Entladung (EDM), abrasivem Wasserstrahlschneiden, Plasmaschneiden und Brennschneiden.
Wasserstrahlschneiden ist ein Verfahren zum Schneiden von Materialien mit einem Wasserstrahl unter Druck von bis zu 60.000 Pfund pro Quadratzoll (psi). Oft wird dem Wasser ein Schleifmittel wie Granat beigemischt, wodurch sich mehr Materialien sauber, mit engen Toleranzen, rechtwinklig und mit einer guten Kantenbearbeitung schneiden lassen. Wasserstrahlen können viele Industriematerialien schneiden, darunter Edelstahl, Inconel, Titan, Aluminium, Werkzeugstahl, Keramik, Granit und Panzerplatten. Dieser Prozess erzeugt erheblichen Lärm.
Die folgende Tabelle enthält einen Vergleich des Metallschneidens mittels CO2-Laserschneidverfahren und Wasserstrahlschneidverfahren in der industriellen Materialbearbeitung.
§ Grundlegende Prozessunterschiede
§ Typische Prozessanwendungen und -verwendungen
§ Anfangsinvestition und durchschnittliche Betriebskosten
§ Präzision des Prozesses
§ Sicherheitsaspekte und Betriebsumgebung
Grundlegende Prozessunterschiede
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Methode der Energieübertragung | Licht 10,6 m (Ferninfrarotbereich) | Wasser |
| Energiequelle | Gaslaser | Hochdruckpumpe |
| Wie Energie übertragen wird | Strahlführung durch Spiegel (fliegende Optik); Glasfaserübertragung nicht machbar für CO2-Laser | Starre Hochdruckschläuche übertragen die Energie |
| Wie Schnittmaterial ausgestoßen wird | Gasstrahl und zusätzliches Gas treiben das Material aus | Ein Hochdruckwasserstrahl treibt Abfallmaterial aus |
| Abstand zwischen Düse und Material und maximal zulässige Toleranz | Ca. 0,2″ 0,004″, Abstandssensor, Regelung und Z-Achse erforderlich | Ca. 0,12″ 0,04″, Abstandssensor, Regelung und Z-Achse erforderlich |
| Physischer Maschinenaufbau | Laserquelle immer in der Maschine platziert | Der Arbeitsbereich und die Pumpe können getrennt voneinander aufgestellt werden |
| Verschiedene Tischgrößen | 8′ x 4′ bis 20′ x 6,5′ | 8′ x 4′ bis 13′ x 6,5′ |
| Typische Strahlleistung am Werkstück | 1500 bis 2600 Watt | 4 bis 17 Kilowatt (4000 bar) |
Typische Prozessanwendungen und -verwendungen
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Typische Prozessanwendungen | Schneiden, Bohren, Gravieren, Abtragen, Strukturieren, Schweißen | Schneiden, Abtragen, Strukturieren |
| 3D-Materialschneiden | Schwierig durch starre Strahlführung und Abstandsregelung | Teilweise möglich, da Restenergie hinter dem Werkstück vernichtet wird |
| Mit dem Verfahren schneidbare Materialien | Alle Metalle (außer stark reflektierende Metalle), alle Kunststoffe, Glas und Holz können geschnitten werden | Alle Materialien können mit diesem Verfahren geschnitten werden |
| Materialkombinationen | Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten lassen sich kaum schneiden | Möglich, aber es besteht die Gefahr der Delamination |
| Sandwichstrukturen mit Hohlräumen | Dies ist mit einem CO2-Laser nicht möglich | Eingeschränkte Fähigkeit |
| Schneiden von Materialien mit eingeschränktem oder beeinträchtigtem Zugang | Aufgrund der geringen Distanz und des großen Laserschneidkopfes selten möglich | Eingeschränkt durch den geringen Abstand zwischen Düse und Material |
| Eigenschaften des geschnittenen Materials, die die Verarbeitung beeinflussen | Absorptionseigenschaften des Materials bei 10,6 m | Die Materialhärte ist ein entscheidender Faktor |
| Materialstärke, bei der ein Zuschnitt oder eine Bearbeitung wirtschaftlich ist | ~0,12″ bis 0,4″, je nach Material | ~0,4″ bis 2,0″ |
| Gängige Anwendungen für diesen Prozess | Schneiden von flachen Stahlblechen mittlerer Dicke für die Blechbearbeitung | Schneiden von Stein, Keramik und Metallen größerer Dicke |
Anfangsinvestition und durchschnittliche Betriebskosten
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Anfängliche Kapitalinvestition erforderlich | 300.000 $ mit einer 20 kW-Pumpe und einem 6,5 x 4 Fuß großen Tisch | Über 300.000 USD |
| Verschleißteile | Schutzglas, Gas Düsen sowie Staub- und Partikelfilter | Wasserstrahldüse, Fokussierdüse und sämtliche Hochdruckkomponenten wie Ventile, Schläuche und Dichtungen |
| Durchschnittlicher Energieverbrauch des gesamten Schneidsystems | Gehen wir von einem 1500 Watt CO2-Laser aus: Stromverbrauch: 24-40 kW Lasergas (CO2, N2, He): 2-16 l/h Schneidgas (O2, N2): 500-2000 l/h | Gehen wir von einer 20 kW-Pumpe aus: Stromverbrauch: 22-35 kW Wasser: 10 l/h Strahlmittel: 36 kg/h Entsorgung von Schnittabfällen |
Präzision des Prozesses
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Mindestgröße des Schneidschlitzes | 0,006″, abhängig von der Schnittgeschwindigkeit | 0,02″ |
| Aussehen der Schnittfläche | Die Schnittfläche weist eine gestreifte Struktur auf | Die Schnittfläche wirkt je nach Schnittgeschwindigkeit wie sandgestrahlt |
| Grad der Schnittkanten bis zur völligen Parallelität | Gut; gelegentlich konische Kanten | Gut; bei dickeren Materialien gibt es einen „Schwanzeffekt“ in Kurven |
| Verarbeitungstoleranz | Ungefähr 0,002″ | Ungefähr 0,008″ |
| Grad der Gratbildung am Schnitt | Es kommt nur zu einer partiellen Gratbildung | Es entsteht kein Grat |
| Thermische Materialbelastung | Es können Verformungen, Temperierungen und Strukturveränderungen im Material auftreten | Es treten keine thermischen Spannungen auf |
| Kräfte, die während der Verarbeitung in Richtung des Gas- oder Wasserstrahls auf das Material wirken | Gasdruck stellt Probleme mit dünnen Werkstücke, Abstand kann nicht aufrechterhalten werden | Hoch: dünne, kleine Teile können daher nur bedingt bearbeitet werden |
Sicherheitsaspekte und Betriebsumgebung
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Persönliche SicherheitAusrüstungsanforderungen | Eine Laserschutzbrille ist nicht zwingend erforderlich | Schutzbrille, Gehörschutz und Schutz gegen Kontakt mit Hochdruckwasserstrahl sind erforderlich |
| Rauch- und Staubentwicklung bei der Verarbeitung | Kommt vor; Kunststoffe und einige Metalllegierungen können giftige Gase produzieren | Nicht anwendbar für Wasserstrahlschneiden |
| Lärmbelästigung und Gefahr | Sehr niedrig | Ungewöhnlich hoch |
| Reinigungsbedarf der Maschine aufgrund von Prozessverschmutzung | Geringer Reinigungsaufwand | Hohe Reinigungsleistung |
| Schneiden von Prozessabfällen | Schneidabfälle bestehen hauptsächlich aus Staub, der abgesaugt und gefiltert werden muss. | Durch die Vermischung von Wasser mit Abrasivmitteln entstehen große Mengen an Schneidabfällen |