Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Verfahren

Laserschmelzschneiden von Metallen

Video: Schmelzaustrieb eines Laserschmelzschneidverfahrens. © Fraunhofer IWS

Das Laserschmelzschneiden ist für nahezu alle Metalle geeignet und basiert auf einer lokalen Erwärmung über Schmelztemperatur und dem Austrieb des flüssigen Materials mit einem gerichteten Gasstrahl. Die Schneidbarkeit und resultierende Performanz wird durch das Absorptionsvermögen der genutzten Laserwellenlänge, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur und Schmelzenthalpie bestimmt. Durch einen hohen Gasdruck besitzt die Schnittkante ein charakteristisches Riefenbild und eine kleine Wärmeeinflusszone. Das inerte Gas minimiert die Oxidbildung im Bereich der Schnittkante. Mittels dieser Verfahrensvariante sind je nach Werkstoff und Laserleistung Materialdicken von bis zu 60 mm schneidbar.
 

Unsere Forschungsarbeiten zur Optimierung des Laserschmelzschneidens konzentrieren sich u. a. auf: 

  • die Steigerung der effektiven Schneidgeschwindigkeit im Dünnblechbereich durch Prozessoptimierung und systemtechnische Entwicklungen
  • die Steigerung der Qualität unter Beibehaltung der Schnittqualität im Dickblechbereich unter anderem durch den Einsatz der dynamischen Strahloszillation (Dynamische Strahlformung)
  • die Weiterentwicklung von Prozesssensorik und
  • neue Gaskonzepte für Schnittgeschwindigkeiten größer 150 m/min (schnelles Längstrennen). 

Laserbrennschneiden von Metallen

Das Laserbrennschneiden ist für alle Metalle geeignet, welche durch Sauerstoffzufuhr keine sauerstoffdichten Oxidschichten bilden. Hierzu zählen beispielsweise niedrig legierte Baustähle. Das Verfahren basiert auf einer lokalen Erwärmung auf Zündtemperatur in deren Folge durch den zugeführten Sauerstoff eine exotherme Reaktion in dünnflüssiges Metalloxid erfolgt. Der Austrieb der Schmelze wird durch den koaxialen Gasstrahl unterstützt. Die Schneidbarkeit und resultierende Prozessperformanz werden durch die Abstimmung von Temperatur der Schneidfront und Sauerstoffzufuhr bestimmt.

Aktueller Forschungsgegenstand ist die sensorgestützte Optimierung der Prozesszonentemperatur und Reaktionsfläche mittels dynamischer Strahloszillation zur Steigerung von Qualität, Geschwindigkeit und schneidbarer Materialdicke.

Laserremoteschneiden von Metallen

Laserremotegeschnittene Dichtung.
© Frank Hoehler
Laserremotegeschnittene Dichtung.
Schnittkante eines remotelasergeschnittenen Kupferschaums.
© Fraunhofer IWS
Schnittkante eines remotelasergeschnittenen Kupferschaums.

Das Laserremoteschneiden von Metallen ist eine Form des Sublimierschneidens, bei dem zusätzlich ein hoher Anteil Schmelze aus der Schneidzone ausgetrieben wird. Durch die Nutzung von hochbrillanten cw- Festkörperlasern wird das Material geschmolzen. Ein geringer Anteil der Schmelze wird darüber hinaus verdampft. Der expandierende Dampf sorgt für den Austrieb der Schmelze. Das Verfahren kann für metallische Werkstoffe im Dickenbereich zwischen 0,01 und 0,5 mm sinnvoll eingesetzt werden. Dabei werden Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 1200 m/min erzielt. Charakteristisch für das Laserremoteschneiden ist der zyklische Abtrag ab ca. 0,1 mm Dicke. 
 

Unsere Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf:

  • Prozessentwicklung für kundenspezifische Applikationen
  • Soft- und Hardwareentwicklung zur bahntreuen Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
  • Auslegen angepasster Bearbeitungssysteme
     

Anwendungen und Vorteile

Typische Anwendungen sind Prototypen- und Kleinserien im Vorfeld von Stanzprozessen, Schneidaufgaben hoher geometrischer Varianz und nicht stanzbare Geometrien.

Die Vorteile des Verfahrens zeigen sich zudem beim Schneiden von offenporigen Metallschäumen für medizinische Implantate, Wärmetauscher oder Batteriesysteme. Die sehr schnelle, stark fokussierte Wärmeeinbringung und die kraftfreie Arbeitsweise ermöglichen hochpräzise und nahezu gratfreie Schnitte, ohne thermische oder mechanische Verformungen. Die in den hohen Schneidgeschwindigkeiten begründete sehr kurze Wechselwirkung zwischen weichmagnetischem Werkstoff und Laserstrahl ermöglicht den Konturschnitt mit einer sehr geringen Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften.

Laserschneiden von Nichtmetallen

Laserbeschnitt von dreidimensionalem glasfaserverstärktem Kunststoff-Bauteil mit dem C02-Laser.
© Fraunhofer IWS
Laserbeschnitt von dreidimensionalem glasfaserverstärktem Kunststoff-Bauteil mit dem C02-Laser.
Zuschnitt von Kartonagen und Erstellen von Falzkanten mittels CO2-Laser.
© Fraunhofer IWS
Zuschnitt von Kartonagen und Erstellen von Falzkanten mittels CO2-Laser.

Das Laserschneiden von Nichtmetallen ist gekennzeichnet durch einen sehr hohen Anteil sublimierten Materials. Für die meisten Materialien wird die Schmelztemperatur schnell überschritten und die Verdampfung erreicht. Die Spezifika des Trennprozesses sind so vielfältig wie das Materialspektrum. Der Prozess kann durch einen koaxialen Gasstrahl unterstützt sein oder zyklisch abtragend erfolgen. Neben Festkörperlasern kommen häufig CO2-Laser zum Einsatz. Ein Fokus unserer Entwicklungen liegt in der Anwendung von cw-Lasern in Kombination mit der schnellen Strahlablenkung über Scanner. Die prozesstechnischen Entwicklungen, die stark durch die Beherrschung der eingebrachten Wärme getrieben sind, wird durch die Entwicklung systemtechnischer Komponenten und Steuerungslösungen unterstützt.

Das Trennen stark heterogener Werkstoffe, wie beispielsweise kohlenfaserverstärkter Kunststoffe, gelingt durch den zyklischen Abtrag mit sehr kurzen Wechselwirkungszeiten infolge hoher Bewegungsgeschwindigkeiten des cw-Laserstrahls mit minimalen Wärmeeinflusszonen. Dabei werden resultierende Bearbeitungsgeschwindigkeiten, in Abhängigkeit der Materialdicke, von einigen Metern pro Minute erreicht. 

Unsere Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf:

  • die Prozessentwicklung für kundenspezifische Applikationen,
  • Soft- und Hardwareentwicklung zur bahntreuen Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und
  • das Auslegen angepasster Bearbeitungssysteme

Das bearbeitbare Werkstoffspektrum umfasst u. a.:

  • Glaswerkstoffe
  • Naturfaserwerkstoffe (Holz, Papier, Zellulose)
  • Polymere (verstärkt, unverstärkt, thermoplastisch, duroplastisch, …)
  • Keramiken und Naturstein
  • Textile Materialien