Die Effektivität des Laserschneidens hängt stark davon ab, wie verschiedene Materialien Energie aufnehmen und verteilen. Nehmen wir Metalle als Beispiel: Edelstahl und Aluminium verhalten sich hierbei ganz unterschiedlich, da ihre thermischen Eigenschaften einfach nicht identisch sind. Edelstahl leitet Wärme relativ schlecht (etwa 15 W/mK), was bedeutet, dass sich die Wärme an einer Stelle staut. Aluminium verhält sich hingegen ganz anders, denn aufgrund seiner deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit (rund 205 W/mK) verteilt sich die Wärme schnell, wodurch es schwieriger wird, gleichmäßige Schmelzen zu erzielen. Kupfer ist wieder eine ganz andere Herausforderung. Bei einer Wellenlänge von 1 Mikron reflektiert Kupfer fast das gesamte Licht – konkret etwa 95 %. Dieses Reflexionsproblem erfordert erhebliche Anpassungen des Laserstrahls, um stabile Schnitte zu ermöglichen. Bei modernen Faserlasern kann beinahe die gesamte Energie von Stahl aufgenommen werden – nahezu 99 % Absorption – doch bei Kupfer sinkt die Absorption auf lediglich 60–70 %. Deshalb benötigen Betriebe, die mit Kupfer arbeiten, oft spezielle Techniken und Ausrüstung, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Beim Schneiden von Edelstahl und Baustahl setzen Faserlaser ganz klar CO2-Systeme außer Gefecht, insbesondere bei dünnwandigen Rohren, bei denen sie bis zu 30 % schneller schneiden können. Der Grund? Faserlaser arbeiten mit einer deutlich kürzeren Wellenlänge von etwa 1,08 Mikron, die von Metallen wie Stahl besser absorbiert wird, wodurch weniger Energie verloren geht und sich insgesamt kürzere Zykluszeiten ergeben. CO2-Laser hingegen verfügen über längere Wellenlängen von 10,6 Mikron, die bei bestimmten Anwendungen besser funktionieren. Sie reflektieren beim Schneiden von nichtferrometallischen Metallen wie Messing weniger stark, weshalb Hersteller sie für spezifische Aufgaben immer noch einsetzen, bei denen Stabilität im Vordergrund steht. Laut aktuellen Zahlen aus dem Luftfahrtsektor aus dem Jahr 2023 konnten Unternehmen, die Faserlaser einsetzen, ihre Kosten für das Schneiden von Edelstahl um etwa 18,50 US-Dollar pro Meter gegenüber herkömmlichen CO2-Systemen senken. Den Großteil dieser Einsparung erzielten sie durch einen geringeren Zusatzgasbedarf während des Betriebs sowie eine verbesserte elektrische Effizienz.
Drei Variablen haben entscheidenden Einfluss auf die Schneidequalität:
Bei Kohlenstoffstahl ist es wichtig, den Gasdruck zwischen 1,2–1,5 bar zu halten, um Schlackenbildung zu vermeiden und eine gleichbleibende Schneidequalität sicherzustellen.
Edelstahl und Baustahl repräsentieren über 65 % der Anwendungen beim industriellen Rohrlaserschneiden (IMTS 2023) und sind aufgrund ihres ausgewogenen Verhältnisses von Festigkeit, Schweißbarkeit und Reaktion auf Laserenergie geschätzt. Diese Materialien können mit Stärken von 0,5 mm bis 25 mm verarbeitet werden, wobei minimale wärmegeschädigte Zonen entstehen, was sie ideal für Hochpräzisionsfertigung macht.
Edelstähle der austenitischen Familie wie 304 und 316 kommen häufig zum Einsatz, da sie etwa 18 bis 20 Prozent Chrom enthalten. Das verleiht ihnen einen hervorragenden Schutz gegen Rost und chemische Einflüsse. Bei der Bearbeitung dieser Materialien ermöglicht die heutige Faserlasertechnologie äußerst präzise Schnitte. Damit sind Nahtbreiten von nur 0,1 Millimetern möglich, bei einer Maßgenauigkeit von ± 0,05 mm – und das sogar bei Rohren mit einer Wandstärke von 15 mm. Hersteller von medizinischen Geräten sowie von Rohren für die Lebensmittelverarbeitung sind auf eine solche Präzision angewiesen. Ihre Produkte benötigen Oberflächen, die absolut glatt sind, ohne rauen Kanten oder Graten. Nur fortschrittliche Lasersysteme können diese Qualität konstant über ganze Serien hinweg gewährleisten.
Um oxidationfreie Schnitte zu erzielen, wird für 3–8 mm Edelstahlrohre Stickstoff als Zusatzgas mit 12–16 bar empfohlen. Für dickere Materialstärken (10–15 mm) sorgt ein 4 kW Faserlaser, der mit 0,8–1,2 m/min arbeitet, für spuckfreie Ergebnisse bei gleichzeitiger Minimierung von Wärmeverzug. Diese Parameter unterstützen eine hohe Wiederholgenauigkeit in automatisierten Produktionsumgebungen.
Der relativ geringe Kohlenstoffgehalt in Baustahl (weniger als 0,3 %) bedeutet, dass er sich beim Erhitzen auf etwa 1.500 Grad Celsius schnell verdampft. Diese Eigenschaft macht Baustahl besonders gut geeignet für Faserlaser-Schneidanwendungen. Mit einem Standard-Lasersystem mit 6 kW Leistung können Bediener Rohre aus Baustahl mit einer Dicke von 20 mm mit beeindruckenden Geschwindigkeiten von etwa 2,5 Metern pro Minute durchtrennen. Die Schnitte ergeben nahezu senkrechte Kanten mit minimalem Winkelabfall (etwa plus oder minus ein halbes Grad), was für Schweißer eine gute Nachricht ist, da so kein zusätzlicher Aufwand für die Nachbearbeitung entsteht. Aus wirtschaftlicher Sicht bieten diese Lasersysteme zudem erhebliche Einsparungen. Laut Branchendaten von FMA 2023 sinken die Betriebskosten um etwa 23 %, wenn man von herkömmlichen Plasmaschneidemethoden wechselt.
Bei Kohlenstoffstahlrohren mit einer Dicke von mehr als 25 mm helfen gepulste Lasermodes (1–2 kHz), die Wärmezufuhr zu kontrollieren und Verformungen zu vermeiden. Der Einsatz von Sauerstoff-basierten Hilfsgasgemischen verbessert die Schlackenentfernung und reduziert Rückstände in 30-mm-Abschnitten um 40 %. Dies gewährleistet die Maßgenauigkeit für Strukturbauteile im Bauwesen und in schweren Maschinen.
Ein Automobilzulieferer der ersten Tier-Stufe setzte 3D-Rohrlaserschneiden ein, um täglich 5.000 Kraftstoffeinspritzrohre mit einer Maßgenauigkeit von 99,7 % herzustellen. Das gleiche System erreichte eine Wiederholgenauigkeit von 0,12 mm an SS304 Flugzeug-Hydraulikhaltern und reduzierte die Nachbearbeitungszeit um 62 % im Vergleich zu konventionellen Bearbeitungsmethoden.
Aluminium reflektiert Licht tatsächlich sehr gut, etwa 90 % bei den typischen Laserwellenlängen, mit denen wir arbeiten, und es kühlt auch relativ schnell ab. Diese Eigenschaften erschweren es, während des Bearbeitungsvorgangs eine gleichmäßige Absorption der Laserenergie zu erreichen. Was passiert dann? Naja, das Schmelzbad verhält sich unkontrolliert und die Schnittkante wirkt unregelmäßig, besonders bei den dünnwandigen Rohren, die in der Fertigung sehr verbreitet sind. Ein weiteres Problem ist die Wärmeleitfähigkeit, denn Aluminium leitet Wärme etwa fünfmal besser als Edelstahl. Aus diesem Grund müssen die Bediener ihre Parameter äußerst sorgfältig anpassen, um saubere Schnitte ohne die lästige Schlackenbildung zu erzielen, die niemand später entfernen möchte.
Die Verwendung von Stickstoff als Hilfsgas reduziert die Oxidation um bis zu 70 % im Vergleich zu Sauerstoff. In Kombination mit Hochfrequenz-Pulslasermodes (≥ 2.000 Hz) und optimierten Düsenabständen (0,8–1,2 mm) verbessert sich die Kantenglättung um 25 %. Diese Anpassungen sind entscheidend, um in hochwertigen Anwendungen saubere, schweißfertige Oberflächen zu erzielen.
Ein Hersteller führte im Jahr 2023 einige Tests durch, bei denen sie eine Präzision von etwa plus oder minus 0,05 Millimeter erreichten, als sie mit ihrer 6-Kilowatt-Faserlaserausrüstung Elektrofahrzeug-Batterieträger herstellten. Sie stellten auch etwas Interessantes fest, als sie jene Aluminiumrohre der 6000er-Serie schnitten – indem sie die Temperaturveränderungen während des Schneidvorgangs überwachten, konnten sie den Materialabfall erheblich reduzieren, und zwar von ursprünglich etwa zwölf Prozent Ausschuss auf knapp über drei Prozent. Laut kürzlich in Fachzeitschriften wie dem Journal of Materials Processing Technology veröffentlichten Studien gibt es definitiv eine zunehmende Verwendung von Aluminium, um Fahrzeuge leichter zu bauen. Hersteller von Elektrofahrzeugen ersetzen mittlerweile etwa vierzig Prozent der Teile, die früher aus Stahl gefertigt wurden, durch speziell geschnittene Aluminiumbauteile.
Faserlaser dominieren mittlerweile das Schneiden von Aluminiumrohren und machen weltweit 68 % der Installationen aus. Ihre Wellenlänge von 1,08 μm wird besser absorbiert als die von CO₂-Lasern, wodurch Schneidgeschwindigkeiten von 1,2–1,8 m/min bei 8 mm Aluminium erreicht werden, und zwar ohne Anhaftungen. Diese Leistungsfähigkeit treibt die Einführung in den Branchen Heizungsbau, Verkehrstechnik und Erneuerbare Energien voran.
Bei der Arbeit mit Kupfer- und Messingmaterialien reflektieren diese laut aktueller Forschung des Laser Processing Institute aus dem Jahr 2023 etwa 95 % der Laserenergie bei diesen Infrarot-Wellenlängen. Diese Reflexion verursacht erhebliche Probleme für optische Komponenten und erschwert das Aufrechterhalten stabiler Prozessbedingungen erheblich. Messing bringt zudem eine zusätzliche Schwierigkeit mit sich, da beim Schneiden der Zinkanteil dazu neigt zu verdampfen, was zu unglemäßigen Schnitten mit unregelmäßigen Kanten und manchmal sogar winzigen Löchern im Material führt. Um diese Probleme zu umgehen, setzen die meisten Profis auf gepulste Lasereinstellungen in Kombination mit Stickstoffgasunterstützung. Die Pulse helfen dabei, das Schmelzen besser zu kontrollieren, während Stickstoff Oxidation verhindert, wodurch der gesamte Schneideprozess für Hersteller, die mit diesen anspruchsvollen Metallen arbeiten, deutlich vorhersagbarer und zuverlässiger wird.
Faserlaser können heute reine Kupferplatten mit einer Stärke von bis zu 3 mm durchschneiden, wenn sie mit einer Leistung von 1 kW oder höher arbeiten, und liefern dank verbesserter Strahlsteuerungstechnologie eine Genauigkeit von etwa 0,1 mm. Doch es gibt einen Haken, der hier erwähnt werden sollte: Diese Schnitte benötigen etwa 30 bis 40 Prozent mehr Zeit als beim Arbeiten mit Stahlmaterialien, da Kupfer Wärme äußerst effizient leitet. Möglich macht dies die 1,08 Mikrometer-Wellenlänge des Lasers, die von Kupfer zu etwa 22 % absorbiert wird, was fast dreimal besser ist als bei herkömmlichen CO2-Lasern. Diese Verbesserung hat den Weg für die Fertigung empfindlicher Komponenten wie elektrischer Leitungen mit dünnen Wänden und spezialisierter Wärmetauschsysteme geebnet, bei denen Präzision entscheidend ist.
Drei bewährte Ansätze verbessern die Bearbeitung von Kupfer und Messing:
Diese Methoden reduzieren die Schlackenbildung um 62 % und ermöglichen Schneidgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/min bei 2 mm Messingrohren.
Laut der neuesten Global Industrial Cutting Survey 2023 ist die Nachfrage nach Präzisionsmessingteilen um fast die Hälfte gestiegen, allerdings gibt es nach wie vor erhebliche technische Hürden zu überwinden. Die Einhaltung sehr enger Toleranzen unter 0,2 mm, wie sie beispielsweise für Zierleisten, Bootszubehör oder medizinische Geräte benötigt werden, gelingt herkömmlichen Schneidesystemen nur schwer. Zwar können 6-kW-Faserlaser 8-mm-Messing mit einer Genauigkeit von etwa 0,25 Grad bearbeiten, doch der Betrieb solcher Anlagen schlägt mit rund 180 US-Dollar pro Stunde zu Buche. Solche Kosten bedeuten, dass die meisten Unternehmen diese Geräte nur im absoluten Notfall einsetzen – typischerweise für teure Luftfahrtanwendungen oder spezielle Messtechnik, bei denen extreme Präzision tatsächlich erforderlich ist.
Moderne Rohrlaserschneidmaschinen zeigen unterschiedliche Leistungen bei wichtigen Materialien:
| Material | Maximale Dicke (Faserlaser) | Schnittqualität | Wichtige Überlegungen |
|---|---|---|---|
| Edelstahl | 25 mm | Exzellent | Er benötigt Stickstoff als Zusatzgas |
| Weichstahl | 30 mm | Hohe Präzision | Optimal mit Sauerstoff als Zusatzgas |
| Aluminium | 15 mm | Gut | Antireflexbeschichtungen empfohlen |
| Kupfer | 6 MM | - Einigermaßen | Hochleistungslaser (>6 kW) bevorzugt |
| Messing | 12 mm | Konsistent | Impulsfrequenz-Anpassungen sind entscheidend |
Edelstahl und Baustahl sind weiterhin am besten für den Laserschnitt geeignet und erreichen zuverlässig Toleranzen unter ±0,1 mm. Aluminium benötigt 30 % höhere Schneidgeschwindigkeit als Stahl, um Schlacke zu vermeiden, während die Reflektivität von Kupfer den Erfolg begrenzt – laut Umfragen aus dem Jahr 2023 berichten nur 42 % der Hersteller von zuverlässigen Ergebnissen mit reinem Kupfer.
Die Luftfahrt- und Medizinbranche setzt zunehmend Faserlaser zum Schneiden von Titanrohren mit einer Stärke von bis zu 10 mm ein. Eine effektive Bearbeitung erfordert:
Nickelbasierte Superlegierungen wie Inconel verzeichnen jährlich ein Wachstum bei der Laserschneid-Anwendung von 19 %, insbesondere für Hochtemperatur-Abgaskomponenten, die eine Langlebigkeit bis 1.200 °C aufweisen müssen.
Vier Faktoren bestimmen die optimalen Lasereinstellungen:
Bediener sollten Probe-Schnitte durchführen, wenn sie mit neuen Legierungen arbeiten, da bereits eine 0,5-%ige Abweichung in der Zusammensetzung die Schnittgeschwindigkeit um 12–15 % verändern kann.
Das Laserschneiden hängt davon ab, wie die Materialien Energie aufnehmen und verteilen. Metalle wie Edelstahl und Aluminium weisen unterschiedliche thermische Eigenschaften auf, die ihre Reaktion auf das Laserschneiden beeinflussen.
Faserlaser bieten im Vergleich zu CO2-Lasern eine höhere Geschwindigkeit und Effizienz, insbesondere bei dünnwandigen Rohren, aufgrund ihrer kürzeren Wellenlänge und besseren Energieaufnahme.
Faserlaser können Kupfer und Messing mit bestimmten Anpassungen wie gepulsten Lasereinstellungen schneiden, benötigen dafür jedoch mehr Leistung und Zeit im Vergleich zu weicheren Metallen.
Hilfsgase wie Stickstoff und Sauerstoff werden verwendet, um die Schneidqualität zu verbessern, Oxidation zu verhindern und die Effizienz zu steigern – je nach Material.
Ja, Faserlaser werden aufgrund ihrer Effizienz zunehmend für das Schneiden von Aluminium eingesetzt, wobei Anpassungen aufgrund der Reflektivität und Wärmeleitfähigkeit von Aluminium erforderlich sind.
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