Betriebswirtschaftslehre

Welche Werkstoffe lassen sich wirtschaftlich mit dem CO2-Laser schneiden?

Mit dem Laser wird nicht geschnitten, weil es modern ist, sondern dann, wenn es wirtschaftlich ist. Deshalb muß sich der Laser im Wettbewerb mit anderen thermischen und mit mechanischen Schneidverfahren behaupten. Ein Vorteil des CO2-Lasers ist die Einsetzbarkeit an vielen Werkstoffen - nicht nur Metallen - im unteren Werkstückdicken-Bereich mit Schnittgeschwindigkeiten von etwa 2 bis 6 m/min, ein weiterer - in der Kleinserienfertigung - die geringen „Werkzeug“-Kosten.

04. April 2002

Schneidgeeignet sind außer Stählen und Nichteisenmetallen - auch beschichtete - Nichtmetalle wie Kunststoff, Holz, Textilien und Keramik. Aluminium besitzt für die Wellenlänge des CO2-Lasers ein hohes Reflexionsvermögen. Dies und seine hohe Wärmeleitfähigkeit wirken sich auf die wirtschaftlich mit CO2-Lasern bis 1000 W Strahlleistung schneidbare Blechdicke ungünstig aus. Gleiches gilt für Kupfer.

Bei dünnen Blechen steht das Laserstrahlschneiden überwiegend in Wettbewerb zum Brennschneiden, Plasmaschneiden und den mechanischen Trennverfahren. Bei der Serienfertigung zwischen 5 und 10 mm Werkstückdicke hat der Laserstrahl bei ebenen Formschnitten einen Konkurrenten im Stanzen. Seinen Vorteil der leichten Automatisierbarkeit kann er hier nur bei Kleinserien ins Feld führen, weil die Werkzeugherstellung für das Stanzen sehr lohn- und damit kostenaufwendig ist. Seit kurzem sind in diesem Bereich ernstzunehmende Mitbewerber das Feinstrahl-Plasmaschneiden sowie das Knabberschneiden oder Knabberstanzen.

Wirtschaftlichkeit

Die Frage nach der Wirtschaftlichkeit des Laserstrahlschneidens läßt sich nur nach Würdigung sämtlicher Umstände hinreichend genau beantworten. Hierbei spielt unter anderem eine wesentliche Rolle, ob eine Laserstrahlanlage bereits vorhanden ist oder erst angeschafft werden muß. Wirtschaftlich und produktiv ist beispielsweise die Verfahrenskombination „Laser-/Plasmaschneiden“, wenn sie in einem Schneidsystem integriert ist.

Ebenso spielt die Flexibilität der Laserstrahl-Schneidanlage eine große Rolle. Eine automatische Blechladestation sowie ein Wechseltisch, der das Abräumen der geschnittenen Teile sowie das Beladen während des Schneidens gestattet, sorgen für die bestmögliche Ausnutzung der Maschinenkapazität. Die quergestellte Schneidbrücke garantiert eine optimale Zugänglichkeit zum Schneidtisch, was vor allem bei der Rohrbearbeitung von Bedeutung ist. Die CNC-Drehachse mit einem Durchlaß bis zu etwa 130 mm ist seitlich im Maschinenrahmen integriert. Je nach den zu bearbeitenden Materialien werden die Laser abgestimmt. Der kombinierte Schnellwechselschneidkopf, der sowohl für die mechanische als auch für die berührungslose kapazitive Abtastung zum Einsatz kommt, kann optimal für die entsprechende Schneidanwendung eingesetzt werden. Die optischen Komponenten im Schneidkopf sind sowohl zum Niederdruck- als auch zum Hochdruckschneiden ausgelegt. Ein optimales Schachteln der Bauteile sorgt für sparsamen und wirtschaftlichen Umgang mit dem Rohstoff Blech. Ein neuentwickelter fünfachsiger Laserschneidkopf ermöglicht beispielsweise das Schneiden von Schrägschnitten bis zu 45°.

Auch die durch den Werkstoff gestellten Randbedingungen müssen bei der Entscheidung für oder gegen das Laserstrahlschneiden berücksichtigt werden. Spröde Werkstoffe können zum Beispiel nicht gestanzt werden; zu groß ist die Gefahr, daß dabei die Schnittkanten ausbrechen. Beim berührungslos arbeitenden Laserstrahl besteht dieses Problem nicht; außerdem braucht man bei ihm keinen Werkzeugverschleiß einzukalkulieren. Sein Konkurrent wäre in diesem Fall der Wasserstrahl, der in einem späteren Teil dieser Beitragsreihe behandelt werden soll.

Kostenvergleich der thermischen Trennverfahren

Trotz der hohen Investitionskosten für Laseranlagen und Führungsmaschinen ist das Laserstrahlschneiden für den Dünnblechbereich und beim Arbeiten im Mehrschichtbetrieb wirtschaftlich, zumal häufig erreicht wird, daß die geschnittenen Werkstücke ohne Nacharbeit weiterverwendet werden können.

Beim Plasmaschneiden im unteren Blechdickenbereich ist die Schneidgeschwindigkeit relativ hoch, die Schneidkosten sind verhältnismäßig gering. Mit zunehmender Blechdicke nimmt die Schneidgeschwindigkeit rasch ab und entsprechend steigen die Schneidkosten.

Der besondere Vorteil des autogenen Brennschneidens ist, daß ohne großen Aufwand mit mehreren Brennern gleichzeitig gearbeitet werden kann, So reduzieren sich die Lohn- und Maschinenkosten um den Faktor der Brennerzahl. Die Schnittkanten verlaufen parallel, so daß eine gute Schnittqualität erreicht wird. Allerdings lassen sich hochlegierte Stähle und NE-Metalle nicht Brennschneiden.

Technische und wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten werden mehr

Der Vorserien- und Prototypenbau der Automobilhersteller und deren Zulieferbetriebe ist die Domäne der Laserstrahltechnik. Schneiden läßt sich mit dem Laserstrahl ein breites Werkstoffspektrum, zum Beispiel Kunststoffe oder verzinkte Bleche für Lüftungsanlagen sowie das Schneiden von Formteilen aus Acrylglas in der Lichttechnik. Eine Markterhebung hat ergeben, daß der Stahl der am häufigsten geschnittene Werkstoff ist.

Der große Vorteil des Laserstrahlschneidens ist neben der guten Schnittqualität die hohe Schneidgeschwindigkeit. Um sowohl die Schneidgeschwindigkeit als auch die schneidbare Blechdicke beim Laserstrahl-Schmelzschneiden zu erhöhen, wurde vor einigen Jahren am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), Aachen, das Hochleistungs-Schmelzschneiden entwickelt. Mit diesem Verfahren werden heute bei Krupp-Thyssen-Nirosta am Standort Krefeld im Dreischichtbetrieb aus hochlegierten, großformatigen Edelstahlplatinen Zuschnitte mit metallisch glänzenden, rechtwinkeligen, oxid- und bartfreien Schnittflanken bis zu einer Materialdicke von 15 mm, in Sonderfällen bis 18 mm, im Lohnauftrag geschnitten. Die Gebrauchseigenschaften der Schnittflanken unterscheiden sich im Hinblick auf Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit (interkristalline und Lochkorrosion) nicht von mechanisch geschliffenen Vergleichsflächen.

Auf der Grundlage von Computersimulationen des Schneidprozesses und schlierenoptischen Untersuchungen der Schneidgasströmung wurde die Verfahrenstechnik entwickelt. Die hohen Laserleistungen im Bereich von 5 kW werden mit einer Spiegeloptik fokussiert. Die Erzeugung des Schneidgasstrahls erfolgt ohne transmittierendes Abschlußfenster in einer vom ILT patentierten „autonomen“ Düse koaxial zum Laserstrahl. Gute Schnittqualitäten wurden am ILT auch bei Aluminiumlegierungen bis zu einer Dicke von 15 mm erreicht.

Die industriellen Auftraggeber des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik kommen überwiegend aus den Branchen Metallbearbeitung, Maschinen- und Automobilbau, Anlagen- und Behälterbau sowie Kunststofftechnik. Einerseits werden die Verfahren an die speziellen Bedürfnisse der Auftraggeber angepaßt, andererseits plant, konstruiert und installiert das ILT komplette Laseranlagen. Zu den Highlights zählen die Verfahrens- und Anlagenentwicklung zum Laserstrahllängsteilen dünner Bleche mit Geschwindigkeiten über 75 m/min sowie die Verfahrensentwicklung zum Hochleistungs-Schmelzschneiden von Edelstahlplatinen bis 40 mm Dicke.

Erschienen in Ausgabe: 02/2001