Zu den aktuellen Laserbearbeitungsverfahren zählen Schneiden, Schweißen, Wärmebehandlung, Plattieren, Aufdampfen, Gravieren, Ritzen, Trimmen, Glühen und Stoßhärten. Laserbearbeitungsverfahren stehen sowohl technisch als auch wirtschaftlich im Wettbewerb mit konventionellen und unkonventionellen Fertigungsverfahren wie der mechanischen und thermischen Bearbeitung, dem Lichtbogenschweißen, der elektrochemischen Bearbeitung, der Funkenerosion (EDM), dem Abrasivwasserstrahlschneiden, dem Plasmaschneiden und dem Brennschneiden.
Wasserstrahlschneiden ist ein Verfahren zum Schneiden von Materialien mithilfe eines Hochdruckwasserstrahls mit einem Druck von bis zu 60.000 Pfund pro Quadratzoll (psi). Häufig wird dem Wasser ein Abrasivmittel wie Granat beigemischt, wodurch sich mehr Materialien sauber, präzise und mit guter Schnittkantenqualität schneiden lassen. Wasserstrahlschneiden eignet sich für viele Industriematerialien, darunter Edelstahl, Inconel, Titan, Aluminium, Werkzeugstahl, Keramik, Granit und Panzerstahl. Dieses Verfahren erzeugt erhebliche Lärmbelästigung.
Die nachfolgende Tabelle enthält einen Vergleich des Metallschneidens mittels CO2-Laserschneidverfahren und Wasserstrahlschneidverfahren in der industriellen Materialbearbeitung.
§ Grundlegende Prozessunterschiede
§ Typische Prozessanwendungen und Verwendungszwecke
§ 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 für CO2-Laser geeignet | Starre Hochdruckschläuche übertragen die Energie |
| Wie das Schnittmaterial ausgestoßen wird | Gasstrahl und zusätzliches Gas verdrängen das Material | Ein Hochdruckwasserstrahl entfernt Abfallmaterial |
| Abstand zwischen Düse und Material und maximal zulässige Toleranz | Ungefähr 0,2″ 0,004″, Abstandssensor, Regelung und Z-Achse erforderlich | Ungefähr 0,12″ 0,04″, Abstandssensor, Regelung und Z-Achse erforderlich |
| Physische Maschineneinrichtung | Die Laserquelle befindet sich immer im Inneren der Maschine. | Arbeitsbereich und Pumpe können separat angeordnet werden. |
| Auswahl an 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 Verwendungszwecke
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Typische Prozessverwendungen | Schneiden, Bohren, Gravieren, Abtragen, Strukturieren, Schweißen | Schneiden, Ablation, Strukturieren |
| 3D-Materialzuschnitt | Schwierig aufgrund der starren Balkenführung und der Abstandsregelung | Teilweise möglich, da die Restenergie hinter dem Werkstück zerstört wird. |
| Materialien, die durch das Verfahren geschnitten werden können | Alle Metalle (ausgenommen hochreflektierende 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. | Begrenzte Fähigkeiten |
| Zuschneiden von Materialien mit eingeschränktem oder beeinträchtigtem Zugang | Aufgrund des geringen Abstands und des großen Laserschneidkopfes ist dies selten möglich. | Begrenzt aufgrund des geringen Abstands zwischen Düse und Material |
| Eigenschaften des geschnittenen Materials, die die Verarbeitung beeinflussen | Absorptionseigenschaften des Materials bei 10,6 m | Die Materialhärte ist ein Schlüsselfaktor |
| Materialstärke, bei der Schneiden oder Bearbeiten wirtschaftlich ist | Je nach Material etwa 0,12″ bis 0,4″. | ca. 0,4″ bis 2,0″ |
| Gängige Anwendungsgebiete für dieses Verfahren | Zuschneiden von Flachblechen mittlerer Dicke für die Blechbearbeitung | Schneiden von Stein, Keramik und Metallen größerer Dicke |
Anfangsinvestition und durchschnittliche Betriebskosten
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Erforderliche Anfangsinvestition | 300.000 US-Dollar mit einer 20-kW-Pumpe und einem 6,5′ x 4′ großen Tisch | Mehr als 300.000 US-Dollar |
| Teile, die verschleißen | Schutzglas, Gas Düsen sowie Staub- und Partikelfilter | Wasserstrahldüse, Fokussierdüse und alle Hochdruckkomponenten wie Ventile, Schläuche und Dichtungen |
| Durchschnittlicher Energieverbrauch des gesamten Schneidsystems | Angenommen, es handelt sich um einen 1500-Watt-CO2-Laser: Stromverbrauch: 24-40 kW Lasergas (CO2, N2, He): 2-16 l/h Schneidgas (O2, N2): 500-2000 l/h | Angenommen, es handelt sich um eine 20-kW-Pumpe: Stromverbrauch: 22-35 kW Wasser: 10 l/h Schleifmittel: 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 wird, abhängig von der Schnittgeschwindigkeit, wie sandgestrahlt aussehen. |
| Grad der Ausrichtung der Schnittkanten auf vollständige Parallelität | Gut; gelegentlich zeigen sich konische Kanten. | Gut; bei dickeren Materialien tritt ein „auslaufender“ Effekt in Kurven auf. |
| Bearbeitungstoleranz | Ungefähr 0,002 Zoll | ungefähr 0,008 Zoll |
| Grad der Gratbildung am Schnitt | Es erfolgt nur teilweises Entgraten | Es kommt zu keiner Gratbildung. |
| Thermische Spannung des Materials | Im Material können Verformungen, Anlassvorgänge und Strukturveränderungen auftreten. | Es tritt keine thermische Belastung auf |
| Kräfte, die während der Bearbeitung in Richtung des Gas- oder Wasserstrahls auf das Material wirken | Gasdruck stellt eine Herausforderung dar Probleme mit dünnen Werkstücke, Abstand kann nicht aufrechterhalten werden | Hoch: Dünne, kleine Teile können daher nur in begrenztem Maße bearbeitet werden. |
Sicherheitsaspekte und Betriebsumgebung
| Thema | CO2-Laser | Wasserstrahlschneiden |
| Persönliche SicherheitAusrüstungsanforderungen | Eine Laserschutzbrille ist nicht unbedingt erforderlich. | Schutzbrille, Gehörschutz und Schutz gegen Kontakt mit Hochdruckwasserstrahlen sind erforderlich. |
| Entstehung von Rauch und Staub bei der Verarbeitung | Das kommt vor; Kunststoffe und einige Metalllegierungen können giftige Gase freisetzen. | Nicht anwendbar für Wasserstrahlschneiden |
| Lärmbelästigung und Gefahr | Sehr niedrig | Ungewöhnlich hoch |
| Reinigungsbedarf der Maschinen aufgrund von Prozessverschmutzungen | Geringer Reinigungsaufwand | Hochreinigung |
| Schneiden der beim Prozess entstehenden Abfälle | Schneidabfälle fallen hauptsächlich in Form von Staub an, der abgesaugt und gefiltert werden muss. | Durch das Mischen von Wasser mit Schleifmitteln entstehen große Mengen an Schneidabfall. |