Durch die Strahlformung können Faserlaser dünne und dicke Metallteile schneiden

Jun 02, 2023

Bei Faserlasern kommt zunehmend eine Strahlformungstechnologie zum Einsatz, die das Energieprofil des Strahls an die Schneidanforderungen der Anwendung anpasst. Mazak Optonics

Metallverarbeiter, die schon länger im Geschäft sind, können gegenüber dem CO2-Laser sentimental sein. Natürlich war die Wartung der Maschine nicht einfach, aber ein fein abgestimmtes System mit einem in der Düse zentrierten Strahl und einem Strahlweg ohne Rückstände konnte butterweiche, schlackenfreie Kanten liefern. In den letzten 10 Jahren haben sich Hersteller, die Kantenqualität (insbesondere bei Platten) wünschten, größtenteils für ein CO2-System entschieden, während diejenigen, die Geschwindigkeit brauchten, sich für den Faserlaser entschieden haben. Dieses Kalkül beginnt sich jedoch zu ändern.

„Brutale Stärke der gesamten Faserlaserleistung ist nicht die Antwort.“

Das sagte Al Bohlen, Präsident von Mazak Optonics, während eines Tages der offenen Tür Ende April im Werk des Unternehmens in Elgin, Illinois, bei einer Veranstaltung, bei der das Unternehmen seine 15-kW-Faserlaserschneidmaschine OPTIPLEX 3015 NEO offiziell vorstellte.

In den letzten Jahren haben Anbieter von Lasermaschinen Innovationen eingeführt, die die Strahleigenschaften verändern, mit dem Ziel, die Fähigkeiten des Faserlasers zum effektiven Schneiden einer Reihe von Materialqualitäten und -stärken – nicht nur dünner Bleche – zu erweitern. Auf seiner Veranstaltung im April stellte Mazak Optonics seinen Ansatz vor, den Faserlaser flexibler zu machen.

Wie Bohlen erklärte, nutzt das System mehr als die „rohe Kraft“ der hohen Faserlaserleistung. Seine nLight-Faserlaserquelle nutzt Strahlformungstechnologie, die zusammen mit einem Mazak-Schneidkopf unterschiedliche Wärmeprofile sowie unterschiedliche Strahldurchmesser und Brennweiten erzeugen kann, um sowohl bei dünnem als auch bei dickem Material eine hohe Kantenqualität zu erzeugen.

Der Laser wird nicht über ein einadriges Glasfaserkabel, sondern über ein mehradriges Kabel übertragen. Im Wesentlichen steuert die Technologie, wie die Energie auf die mehreren Kerne der Faser verteilt wird. „Wir können die Menge der Laserleistung, die durch jeden Kern fließt, proportional bestimmen“, sagte Bohlen. „Dadurch können wir einen kühleren Kern des Strahls erzeugen und mehr Energie auf die Außenkanten konzentrieren. Wir leiten die Wärme des Faserlasers durch verschiedene Elemente des Kerns und erzeugen so unterschiedliche Modi.“

In der Vergangenheit wurden die meisten Faserlaser-Schneidemaschinen mit Lasern verkauft, die ein Einzelstrahlprofil mit hoher Leistungsdichte in der Mitte und niedriger Leistungsdichte an den Rändern hatten. „Dadurch entsteht eine Form mit Wärme in der Mitte, wie eine Speerspitze. Mit der hohen Leistungsdichte geht eine unglaubliche Fähigkeit einher, sehr schnell in dünnes Material zu schneiden“, sagte Bohlen. Mit zunehmender Materialstärke wird das Schneiden mit einem solchen Strahlleistungsprofil jedoch anspruchsvoller. „Das Hilfsgas muss sehr hart arbeiten, um geschmolzenes Material aus dem Schnitt herauszubekommen“, sagte Bohlen. „Es kämpft sich durch den Schneideprozess.“ Wenn das Material dicker wird, versucht der Gasstrom seine Richtung umzukehren, und der Schnitt bildet Schlacke, Schlacke und starke Streifenbildung.

Im Laufe der Jahre konnte die Optik den Durchmesser des Faserlaserstrahls vergrößern, wobei jedoch das gleiche Wärmeprofil verwendet wurde – hoch in der Mitte, niedrig an den Rändern. Durch Ändern des Strahlprofils an der Quelle, bevor das Licht den Schneidkopf erreicht, entsteht eine Strahlenergieverteilung mit mehr Energie an den Rändern und weniger Energie in der Mitte.

„Bei alledem braucht man noch einen intelligenten Schneidkopf, der diesen Strahl aufnehmen und etwas damit machen kann“, erklärte Bohlen. Ein neuer Mazak-Schneidkopf verfügt über eine Optik, die den größeren Strahldurchmesser der Multicore-Faser aufnehmen und durch die Mitte einer kleinen Düsenöffnung schicken kann. „Wir können diesen Donut-Modus übernehmen und ihn jetzt kleiner machen und seinen Durchmesser steuern. Der [Schneidkopf] bleibt eine wichtige Zutat des Rezepts.“

Hohe Energie an der Außenseite des Laserstrahls trägt außerdem dazu bei, die Streifen zu glätten und Verjüngungen zu vermeiden, insbesondere beim Schneiden sehr dicker Bleche. Diese Verjüngung entsteht, wenn geschmolzenes Metall Schwierigkeiten hat, durch die schmale Schnittfuge zu entweichen, mit einem Strahlenergieprofil, das an den Rändern relativ kühl und in der Mitte heiß ist. Wasserstrahl- und Plasmasysteme können den Brenner neigen, um Konizitäten zu vermeiden. Mit dem Faserlaserschneiden im Strahlmodus und der Durchmessersteuerung „kann ich jetzt ein 1 Zoll dickes Teil absolut gerade schneiden“, sagte Bohlen.

Eine solche Strahlformungstechnologie ist nicht völlig neu. Mazak Optonics stellte vor vier Jahren seine OPTIPLEX S-Serie mit Strahlformungstechnologie vor (das „S“ steht für Strahlformung), darunter ein 4- und 7-kW-System. Bei der Veranstaltung im April wurde die Technologie in einem 15-kW-System vorgestellt.

Bei vielen Materialien steigt die Schnittgeschwindigkeit schneller als die Schnittleistung. Bei 0,25 Zoll dickem Weichstahl kann sich die Stickstoff-Schneidgeschwindigkeit von 10 kW auf 15 kW verdoppeln. „Es ist die doppelte Geschwindigkeit, aber nicht die doppelte Leistung“, sagte Bohlen. „Das liegt daran, dass es nicht nur auf die Leistung ankommt, sondern auch auf die Modussteuerung, die für ein sauberes, schlackenfreies Teil sorgt. Es ist nicht nur rohe Gewalt.“

Bohlen beschrieb Düsentechnologien, die den Verlust von Stickstoff-Hilfsgas reduzieren und den Hilfsgasfluss durch die Schnittfuge verbessern. Er diskutierte Fortschritte bei der Stickstofferzeugung und die neu entdeckten Möglichkeiten von Gasmischungen sowie Luftschneiden. „Mit höherer Leistung können wir mit Luft eine größere Bandbreite an Materialien und eine größere Bandbreite an Dicken schneiden“, sagte Bohlen, „nicht mit Stickstoff.“ Er fügte hinzu, dass Laser saubere, ultratrockene Hochdruckluft (400 PSI) benötigen, die von speziellen Systemen erzeugt wird – ganz anders als herkömmliche Werkstattluft. „Wenn Sie jedoch in solche Systeme investieren, können Sie bei vielen Vorgängen fast alles, was Sie zum Schneiden benötigen, mit Luft schneiden.“

Bohlen beschrieb außerdem eine neue Steuerungstechnologie, mit der wechselnde Strahlprofile im Handumdrehen verwaltet werden können – dazu gehört die Verwendung eines Strahlprofils zum Lochen und eines anderen zum Schneiden. Es bietet auch das sogenannte „Kamera-Nesting“, bei dem eine Overhead-Kamera den verfügbaren Platz auf einem Blatt identifiziert, der zum Schneiden verfügbar ist, und dann aus verfügbaren Teilen schöpft, um ihn zu füllen. Bediener können die Bestückung des Raums durch die Steuerung zulassen oder die Teile manuell platzieren.

Ein neues oberes Bedienfeld an der Maschinensteuerung kann verschiedene Aspekte der Planung und Produktionssteuerung verwalten, die für Systeme mit integrierter Automatisierung besonders wichtig sein können. Der Aufstieg der Automatisierung beim Laserschneiden war vor allem in den letzten drei Jahren kaum zu ignorieren. Laut Bohlen kaufen viele Betriebe im Mazak-Kundenstamm zwar immer noch Stand-alone-Laser, die meisten bleiben jedoch nicht so.

„Etwa 50 % jeder zweiten Maschine, die wir verkaufen, sind von Anfang an automatisiert“, sagte Bohlen. „Wenn wir eigenständige Maschinen einbeziehen, die innerhalb eines Zweijahreszeitraums um Automatisierung erweitert werden, steigt diese Zahl auf 70 %. Noch vor fünf Jahren lag diese Zahl bei 30 %.“