Zu den Laserfertigungsaktivitäten gehören derzeit Schneiden, Schweißen, Wärmebehandeln, Plattieren, Aufdampfen, Gravieren, Ritzen, Beschneiden, Glühen und Schockhärten. Laserfertigungsverfahren konkurrieren sowohl technisch als auch wirtschaftlich mit konventionellen und nichtkonventionellen Fertigungsverfahren wie mechanischer und thermischer Bearbeitung, Lichtbogenschweißen, elektrochemischer und elektrischer Entladungsbearbeitung (EDM), abrasivem Wasserstrahlschneiden, Plasmaschneiden und Brennschneiden.
Beim Wasserstrahlschneiden handelt es sich um ein Verfahren zum Schneiden von Materialien mit einem unter Druck stehenden Wasserstrahl von bis zu 60.000 Pfund pro Quadratzoll (psi). Häufig wird dem Wasser ein Schleifmittel wie Granat beigemischt, wodurch mehr Materialien sauber, mit engen Toleranzen, gerade und mit einer guten Kantenbearbeitung geschnitten werden können. Wasserstrahlen können viele Industriematerialien schneiden, darunter Edelstahl, Inconel, Titan, Aluminium, Werkzeugstahl, Keramik, Granit und Panzerplatten. Dieser Vorgang erzeugt erheblichen Lärm.
Die folgende Tabelle enthält einen Vergleich des Metallschneidens mit dem CO2-Laserschneidverfahren und dem 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 zur Energieübertragung | Licht 10,6 m (ferner Infrarotbereich) | 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 geschnittenes Material ausgeworfen wird | Gasstrahl und zusätzliches Gas stoßen Material aus | Ein Hochdruck-Wasserstrahl stößt Abfallstoffe aus |
| Abstand zwischen Düse und Material und maximal zulässige Toleranz | Ca. 0,2″ 0,004″, Abstandssensor, Regelung und Z-Achse notwendig | Ca. 0,12″ 0,04″, Abstandssensor, Regelung und Z-Achse notwendig |
| Physischer Maschinenaufbau | Die Laserquelle befindet sich immer im Inneren der Maschine | Arbeitsbereich und Pumpe können getrennt angeordnet 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 -anwendungen
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Typische Prozessanwendungen | Schneiden, Bohren, Gravieren, Abtragen, Strukturieren, Schweißen | Schneiden, Abtragen, Strukturieren |
| 3D-Materialschneiden | Schwierig durch starre Strahlführung und Abstandsregulierung | Teilweise möglich, da Restenergie hinter dem Werkstück vernichtet wird |
| Materialien, die mit dem Verfahren geschnitten werden können | Alle Metalle (ausgenommen stark reflektierende Metalle), alle Kunststoffe, Glas und Holz können geschnitten werden | Alle Materialien können mit diesem Verfahren geschnitten werden |
| Materialkombinationen | Materialien mit unterschiedlichem Schmelzpunkt können kaum geschnitten werden | Möglich, es besteht jedoch die Gefahr einer Delaminierung |
| Sandwichstrukturen mit Hohlräumen | Dies ist mit einem CO2-Laser nicht möglich | Begrenzte Fähigkeit |
| Schneiden von Materialien mit eingeschränktem oder behindertem Zugang | Aufgrund des geringen Abstands und des großen Laserschneidkopfes selten möglich | Begrenzt durch den geringen Abstand zwischen Düse und Material |
| Eigenschaften des Schnittgutes, die die Verarbeitung beeinflussen | Absorptionseigenschaften des Materials bei 10,6 m | Die Materialhärte ist ein entscheidender Faktor |
| Materialstärke, bei der das Schneiden oder Bearbeiten wirtschaftlich ist | ~0,12″ bis 0,4″ je nach Material | ~0,4″ bis 2,0″ |
| Gängige Anwendungen für diesen Prozess | Schneiden von flachem Stahlblech mittlerer Dicke für die Blechbearbeitung | Schneiden von Stein, Keramik und Metallen mit größerer Dicke |
Anfangsinvestition und durchschnittliche Betriebskosten
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Anfangsinvestition erforderlich | 300.000 US-Dollar mit einer 20-kW-Pumpe und einem 6,5 x 4 Fuß großen Tisch | 300.000 $+ |
| Teile, die verschleißen | Schutzglas, Gas Düsen sowie Staub- und Partikelfilter | Wasserstrahldüse, Fokussierdüse und alle Hochdruckkomponenten wie Ventile, Schläuche und Dichtungen |
| Durchschnittlicher Energieverbrauch des kompletten 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 Sie 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 Schnittoberfläche | Die Schnittfläche weist eine gestreifte Struktur auf | Je nach Schnittgeschwindigkeit sieht die Schnittfläche wie sandgestrahlt aus |
| Grad der Schnittkanten bis völlig parallel | Gut; gelegentlich zeigen sich konische Kanten | Gut; Bei dickeren Materialien kommt es in Kurven zu einem „Tailed“-Effekt |
| Verarbeitungstoleranz | Ungefähr 0,002″ | Ungefähr 0,008″ |
| Grad der Gratbildung am Schnitt | Es kommt nur zu einer teilweisen Gratbildung | Es entsteht kein Grat |
| Thermische Belastung des Materials | Im Material können Verformungen, Verhärtungen und Strukturveränderungen auftreten | Es tritt keine thermische Belastung auf |
| Kräfte, die während der Verarbeitung in Richtung des Gas- oder Wasserstrahls auf das Material einwirken | Gasdruck entsteht Probleme mit dünn Werkstücke, Abstand nicht aufrechterhalten werden kann | Hoch: Dünne, kleine Teile können daher nur bedingt bearbeitet werden |
Sicherheitsaspekte und Betriebsumgebung
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Persönliche SicherheitAnforderungen an die Ausrüstung | Eine Laserschutzbrille ist nicht zwingend erforderlich | Schutzbrille, Gehörschutz und Schutz vor Kontakt mit Hochdruckwasserstrahl sind erforderlich |
| Entstehung von Rauch und Staub bei der Verarbeitung | Kommt vor; Kunststoffe und einige Metalllegierungen können giftige Gase erzeugen | Gilt nicht für Wasserstrahlschneiden |
| Lärmbelästigung und Gefahr | Sehr niedrig | Ungewöhnlich hoch |
| Maschinenreinigungsbedarf aufgrund von Prozessunordnung | Geringes Aufräumen | Hohe Sauberkeit |
| Reduzierung des durch den Prozess entstehenden Abfalls | Schneidabfälle liegen hauptsächlich in Form von Staub vor, der abgesaugt und gefiltert werden muss | Durch das Mischen von Wasser mit Schleifmitteln fallen große Mengen an Schneidabfall an |