Was Sie über das Laserschneiden von Rohren wissen müssen

Mar 24, 2023

Wenn Hersteller über Faserlaserschneidtechnologie nachdenken, denken sie möglicherweise zuerst an das Hochgeschwindigkeitsschneiden. Das mag zwar stimmen, aber beim Rohrschneiden ist Geschwindigkeit relativ. Es geht mehr um die Zeit, die benötigt wird, um ein Rohr gemäß den Spezifikationen zu bearbeiten, als um die tatsächliche Schnittgeschwindigkeit am Rohr. Fotos mit freundlicher Genehmigung der BLM Group USA Corp.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel ist eine Adaption einer Präsentation, die auf dem FABRICATOR's Leadership Summit auf der FMA-Jahrestagung am 6. März 2019 in Nashville gehalten wurde.

Die meisten Metallverarbeiter wissen gut, was die Faserlaser-Schneidetechnologie für die Bearbeitung von Flachblechen geleistet hat, aber was hat der Faserlaser genau für das Rohrschneiden getan? Eigentlich ziemlich viel.

Manche Dinge fallen durchaus auf. Der Laser-„Generator“ eines Faserlasers ist im Vergleich zu einem herkömmlichen CO2-Resonator viel kleiner. Tatsächlich besteht der Faserlaser aus Diodenbänken, die in einem taschentaschengroßen Modul zusammengefasst sind und eine Leistung von 600 bis 1.500 Watt haben können. Mehrere Module werden zusammengefügt, um den endgültigen angetriebenen Resonator zu schaffen, der normalerweise die Größe eines kleinen Aktenschranks hat. Das erzeugte Licht wird über Glasfaserkabel kanalisiert und verstärkt. Wenn das Licht das Glasfaserkabel verlässt, ist es dasselbe wie bei der Erzeugung, ohne Leistungs- oder Qualitätsverlust. Anschließend wird es auf die Art des zu schneidenden Materials eingestellt und fokussiert.

Der CO2-Resonator ist viel größer und benötigt mehr Energie, da Strom in eine Kombination von Gasen eingespeist wird, um den Laserstrahl zu erzeugen. Spiegel helfen dem Licht, an Intensität zu gewinnen und bereiten es darauf vor, den Resonator zu verlassen. Nach dem Verlassen des Resonators muss der Strahl einen Weg aus mehreren gekühlten Spiegeln durchlaufen, bis er die Linse erreicht. Dieser Weg führt zu einem Leistungs- und Qualitätsverlust des Laserstrahls.

Aufgrund der Menge an Energie, die für die Erzeugung eines CO2-Lasers erforderlich ist, ist er weniger effizient und weist im Vergleich zu einem Faserlaser einen viel geringeren Wirkungsgrad auf. Daraus folgt, dass auch die großen Kühler, die für die CO2-Laser erforderlich sind, insgesamt mehr Leistung benötigen. Da der Faserlaser-Resonator einen Wirkungsgrad von mehr als 40 Prozent hat, verbrauchen Sie nicht nur weniger Strom, sondern auch weniger von Ihrer stark beanspruchten Stellfläche.

Manche Dinge werden erst deutlich, wenn man einen Faserlaser im Betrieb genauer betrachtet. Da sein Strahldurchmesser oft ein Drittel der Größe eines CO2-Strahls beträgt, hat ein Faserlaser eine höhere Leistungsdichte als ein CO2-Laserstrahl. Dadurch kann die Faser nicht nur schneller geschnitten, sondern auch schneller durchstochen werden. Diese kleinere Strahlgröße verleiht der Faser auch die Fähigkeit, komplizierte Formen zu schneiden und scharfe Kanten zu hinterlassen. Stellen Sie sich vor, Sie schneiden ein Firmenlogo aus einer Röhre aus, wenn der Abstand zwischen den Buchstaben des Logos 0,035 Zoll beträgt. Eine Faser kann diesen Schnitt ausführen, ein CO2-Laser hingegen nicht.

Faserlaser haben eine Wellenlänge von 1,06 Mikrometern, was 10 Prozent kleiner ist als die eines CO2-Laserstrahls. Mit seiner viel kleineren Wellenlänge erzeugt der Faserlaser einen Strahl, der vom reflektierenden Material viel leichter absorbiert wird; Es ist viel wahrscheinlicher, dass ein CO2-Laser von der Oberfläche dieser Materialien reflektiert wird. Aus diesem Grund können Faserlaserschneidmaschinen Messing, Kupfer und andere reflektierende Materialien schneiden. Es ist zu beachten, dass ein vom Material reflektierter CO2-Laserstrahl nicht nur die Schneidlinse der Maschine, sondern den gesamten Strahlengang beschädigen kann. Durch die Verwendung eines Glasfaserkabels für den Strahlengang wird dieses Risiko beseitigt.

Natürlich benötigt der Faserlaser hinsichtlich der Wartung nicht so viel Aufmerksamkeit. Es sind keine Spiegelreinigung und Faltenbalgprüfungen erforderlich, die bei einer CO2-Laserschneidmaschine erforderlich sind. Solange der Faserlaser selbst sauberes Kühlwasser zur Kühlung erhält und die Luftfilter regelmäßig ausgetauscht werden, ist keine vorbeugende Wartung erforderlich.

Ein weiterer Gesichtspunkt sind die aktentaschengroßen Module des Faserlasers – sie ermöglichen Redundanz. Wenn ein Modul ein Problem hat, schaltet der Resonator nicht vollständig ab. Der Faserlaser ist redundant, sodass die anderen Module vorübergehend mehr Leistung erzeugen können, um das heruntergefahrene Modul zu unterstützen, bis Reparaturen abgeschlossen werden können – was übrigens auch vor Ort durchgeführt werden kann. In anderen Fällen kann der Faserresonator weiterhin reduzierte Leistung erzeugen, bis eine Reparatur durchgeführt werden kann. Wenn ein CO2-Resonator ein Problem hat, ist leider der gesamte Resonator ausgefallen, nicht nur im Modus mit reduzierter Leistung.

Früher dachten viele, dass Faserlaser nur für dünne Materialien eingesetzt werden könnten. Das CO2 mit seiner größeren Wellenlänge erzeugte beim Schneiden dicker Materialien genügend Schnittfugen, sodass genügend Platz für die Materialentfernung blieb; Der Faserlaser konnte bei dickeren Materialien nicht die gleiche Schnittfuge oder die gleichen Ergebnisse erzielen. In den letzten Jahren wurde dieses Problem jedoch mit der Kollimationstechnologie gelöst, die einen breiteren, durch einen Faserlaser erzeugten Strahl erzeugen kann, der eine Materialtrennung und Raum für die Materialentfernung in dicken Materialien schafft. Und da die Strahlbreite umschaltbar ist, kann die Maschine den schmaleren Strahl zur Bearbeitung dünner Materialien verwenden, was eine schnellere Bearbeitung unterschiedlich großer Materialien auf derselben Faserlaser-Schneidemaschine ermöglicht.

Blechlaserschneidmaschinen werden mittlerweile mit Lasererzeugungstechnologie verkauft, die eine Leistung von bis zu 12 kW liefern kann. Eine Laser-Rohrschneidemaschine erreicht in der Regel eine Höchstleistung von 5 kW, da jede weitere Leistung gleichzeitig die gegenüberliegende Seite des Rohrs durchschneiden würde.

Sie haben vielleicht bemerkt, dass wir die Schnittgeschwindigkeit noch nicht besprochen haben. Es ist möglich, bis zu 500 Zoll pro Minute an einem Rohr zu schneiden, aber das ist nicht immer realistisch. Beim Laser-Rohrschneiden sollte der eigentliche Fokus darauf liegen, wie lange es dauert, ein Rohr zu laden, es in die richtige Position zum Schneiden zu bringen, es zu durchstechen und zu schneiden und das Teil zu entladen. Bei Laser-Rohrschneidemaschinen kommt es eher auf die Teilbearbeitungszeit als auf die Schnittgeschwindigkeit an.

Eine Laserschneidmaschine, die Blech schneidet, kann ein Blech in Sekundenschnelle auswechseln. Das Gleiche kann mit einer Laser-Rohrschneidemaschine durchgeführt werden, die Vorgehensweise ist jedoch eine ganz andere.

Es gibt keine Standard-Materialtürme mit einer Laser-Rohrschneidemaschine. Bündellader, die effizienteste Option zur Rohrmaterialhandhabung, führen über ein Vereinzelungssystem jeweils ein Rohr vom Bündel in den Rohrlaser ein. Diese Art von Vorschubmechanismus funktioniert nicht bei offenen Profilen wie Winkeln oder Kanälen, da diese im Bündel ineinandergreifen und sich nicht leicht lösen lassen. Für offene Profile werden Stufenlader verwendet, die einen Abschnitt nach dem anderen in die Maschine einführen und dabei die korrekte Ausrichtung dieses Abschnitts beibehalten.

Diese Röhren sind nicht klein. In den USA betragen die Standardlängen 24 Fuß. Einige an der Westküste arbeiten normalerweise mit 20 Fuß. Längen als Standardgrößen.

Vielfalt ist die Realität in jedem Job-Shop, und das gilt auch für diejenigen, die einen Rohrlaser bedienen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Teile unterschiedlicher Größe aus einer Röhre stammen. Die Maschine muss in der Lage sein, lasergeschnittene Teile mit einer Größe von bis zu 2 Zoll und einer Länge von bis zu 15 Fuß direkt nacheinander zu entladen. Außerdem muss es in der Lage sein, diese Teile zu entladen, ohne sie zu beschädigen, was bei weicheren Metallen wie Aluminium eine Herausforderung sein kann.

Die Beschaffenheit einer Röhre macht eine Maschine mit einem sehr leistungsstarken Laser überflüssig. Während Flachblech-Laserschneidmaschinen inzwischen mit Lasergeneratoren bis zu 12 kW erhältlich sind, benötigen Rohrlaserschneidmaschinen in der Regel nur maximal 5 kW Leistung. Bei einem Rohr müssen Sie immer an die gegenüberliegende Seite des Rohrs denken, die Sie schneiden. Ein leistungsstärkerer Laser würde beim Schneiden einfach durch die andere Seite des Rohrs blasen. (Wenn Sie einen Strahl oder einen Kanal auf dem Rohrlaser bearbeiten, müssen Sie sich natürlich nicht um eine andere Seite kümmern.)

Ein weiterer Aspekt beim Rohrschneiden ist die Schweißnaht. Dieses Material wird rollgeformt und zusammengeschweißt. Dies wirft zwei Punkte auf, die typischerweise angegangen werden müssen:

Bedenken Sie, dass es keine perfekte Röhre gibt. Sie haben Bögen. Schweißnähte können nicht nur außen, sondern auch innen am Rohr hervorstehen. Es ist eine echte Herausforderung, dieses Material konsistent und schnell zu verarbeiten, wenn solche Inkonsistenzen von einem Produktdurchlauf zum anderen bestehen.

Stellen Sie sich vor, Sie müssten ein Durchgangsloch mittig auf einem Rohr platzieren. Es muss auf die tatsächliche Abmessung zentriert sein, nicht nur auf eine Seite des Rohrs. Wenn das Rohr gebogen ist, wird es schwieriger. Das ist das Leben der Rohrherstellung.

Wie kompensiert man das? Traditionell kommt man herunter und berührt das Gesicht mit einem Sensor, der den Kontaktpunkt markiert. Anschließend wird die Röhre gedreht und die gegenüberliegende Seite der Röhre berührt. Dadurch erhält die Steuerung eine Vorstellung davon, wie gebogen das Rohr ist. Diese Methode ist genau und kann sicherstellen, dass diese Durchgangslöcher für die Anwendung geeignet sind. Beachten Sie jedoch, dass sich mit jeder Drehung des Rohrs die Fähigkeit, sehr hohe Toleranzen einzuhalten, verringert.

Der andere zu berücksichtigende Faktor ist, dass die herkömmliche Methode zur Prüfung auf Krümmungen und Verdrehungen im Rohr bis zu fünf oder sieben Sekunden dauern kann, bevor mit dem Schneiden begonnen wird. Bei den herkömmlichen Mitteln der Berührungserkennung müssen Sie Produktivität gegen Genauigkeit eintauschen. Auch dies kann im Zeitalter des Faserlaserschneidens wie ein Leben lang erscheinen, aber die Arbeit mit Rohren ist nicht so einfach wie die Arbeit mit Blech.

Um die Zeitlücke bei der Rohrkontrolle zu schließen, setzen einige Maschinenhersteller für diese Kontrollen Kameras ein. Sie verkürzen die Qualitätsprüfung auf etwa eine halbe Sekunde und reduzieren zudem die Anzahl der erforderlichen Umdrehungen. Dadurch bleibt die Produktivität und Genauigkeit der Maschine erhalten.

Faserlaser sind praktisch wartungsfrei, weisen im Vergleich zu herkömmlichen CO2-Laserschneidmaschinen eine überlegene Steckdoseneffizienz auf, können reflektierende Materialien schneiden und bieten präzises Schneiden. Außerdem sind sie beim Schneiden bestimmter Metallstärken schneller als CO2-Maschinen. Allerdings ist die Geschwindigkeit beim Schneiden von Rohren relativ. Die tatsächliche Zeitersparnis ergibt sich aus der Beschleunigung der Bearbeitungszeit des Rohrs und der Herstellung fertiger Teile.

Robert Adelman ist nordamerikanischer Laserproduktmanager, BLM Group USA Corp., 46850 Cartier Drive, Novi, MI 48377, 248-560-0080, www.blmgroup.com.