Hohe Leistung = hoher Profit?

Die Laserquelle hat maßgeblichen Einfluss auf die Produktivität einer Laserschneidanlage. Doch Leistungsstärke allein führt nicht automatisch zu höheren Gewinnen. Mit entscheidend ist das perfekte Zusammenspiel des Gesamtsystems.

19. Dezember 2005

Laserschneiden ist nicht gleich Laserschneiden. Auch heute, nach unzähligen Innovationsschritten, die diese Technologie erlebt hat, unterscheiden sich entsprechende Anlagen signifikant. Die Ausgangslage auf Seiten der Kunden ist unzweifelhaft: Sie benötigen Anlagen, mit denen sie ihre Schneidteile in hoher Güte sowie mit geringen Kosten fertigen können und die eine hohe Verfügbarkeit aufweisen, damit Aufträge termingerecht erledigt werden können. Dabei sollen möglichst viele Aufträge pro Zeiteinheit bearbeitet werden können, damit sich die Maschineninvestition in möglichst kurzer Zeit amortisiert. Kurz: Der Kundennutzen einer Laserschneidanlage fällt umso höher aus, je produktiver sie arbeitet.

Ein wichtiger Faktor, der die Produktivität einer Laserschneidanlage beeinflusst, ist die eingesetzte Laserquelle. Hinsichtlich der Laserleistung deckt Bystronic als einer der führenden Anbieter von Komplettlösungen in der Blechbearbeitung das gesamte Bedürfnisspektrum ihrer Kunden mit Laserleistungen von 2,2 bis 6 Kilowatt ab (der neue Hochleistungslaser „Bylaser 6000“ wird ab dem Frühjahr 2006 ausgeliefert). Doch es zählt nicht nur die in Kilowatt ausgedrückte Leistung eines Lasers, sondern auch dessen optimale Abstimmung auf die Anlage. Dies ist dann der Fall, wenn Maschine und Laserquelle vom selben Anbieter stammen und Hand in Hand entwickelt wurden, wie dies bei Bystronic der Fall ist. Der Nutzen aus einer solch optimalen Abstimmung soll an zwei Beispielen deutlich gemacht werden.

Entscheidend ist das Zusammenspiel

Beispiel 1: Höchste Anforderungen an das Pulsverhalten eines Lasers stellt die von Bystronic entwickelte neuartige Einstechmethode des Controlled Pulsed Piercing (CPP). Sie ermöglicht dem Anwender bei der Bearbeitung von Blechen zwischen vier und 25 Millimeter Dicke eine Verringerung der Teileschneidzeiten bis zu 50%. In einem zweistufigen Verfahren wird zunächst mit hohem Düsenabstand vorgestochen, um Düse und Linse vor übermäßiger Verschmutzung zu bewahren. Anschließend wird das Einstechloch mit kleinem Abstand fertiggestochen. Dabei befindet sich im Schneidkopf eine Sensorik, die anhand der Lichtreflexionen den exakten Zeitpunkt des Durchstichs feststellt und meldet. Ohne zeitliche Verzögerung beginnt die Anlage mit dem Schneidprozess.

Dank dieses Verfahrens wird nicht nur Zeit eingespart, sondern entsteht ein minimales Einstechloch, das bei zehn Millimeter dickem Stahl gerade mal einen Millimeter im Durchmesser beträgt (Abbildung 1). Die Oberfläche wird dadurch nur noch unwesentlich verschmutzt und außerdem erhöht das CPP die Prozesssicherheit der Anlage, weil das Blech deutlich geringer erhitzt wird.

Beispiel 2: Eine maximale Zuverlässigkeit der Laserquelle, die die Leistung punktgenau sowie verzögerungsfrei auf- und abzubauen vermag, ist beim Lead-In mit Einstechzeit Null gefordert. Hier handelt es sich um ein Direktanschnittverfahren ohne Zeitverlust für Materialdicken bis acht Millimeter.

Abbildung 2 zeigt, wie der Schneidkopf in einem Bogen (1) den Startpunkt der Anschnittfahne (2) anfährt. Dort beginnt die Maschine unverzüglich mit dem Schneiden. Dieser rote Abschnitt ist voll parametrisierbar. Am Kontur-Startpunkt(3) erfolgt ebenfalls verzögerungsfrei das Umschalten auf die effektiven Schneidparameter, mit denen der Schneidprozess durchgeführt wird. Anschließend fährt die Anlage in einem Bogen zur nächsten Kontur. Gegenüber dem traditionellen Einstechen ermöglicht die konsequente Anwendung dieses Verfahrens eine Reduktion der Teileschneidzeiten bis zu 35 %. Bei der Realisierung ihrer Laserkonzepte setzt Bystronic auf CO2-Gas als laseraktives Material, weil dieser Lasertyp neben der hohen Ausgangsleistung für den industriellen Einsatz eine Vielzahl von Vorteile aufweist, wie beispielsweise eine optimale Qualität des Laserstrahls, Zuverlässigkeit und kompakte Bauweise. Die Anregung des CO2-Gases erfolgt bei Bystronic Laserquellen bis 5,2 Kilowatt durch die Speisung mit Gleichstrom (DC). Anders verhält es sich beim neuen Hochleistungslaser Bylaser 6000: Hier erfolgt das Einbringen der Energie über Elektroden, die an der Außenseite der Keramikrohre angebracht sind, in denen sich das Gas befindet. Die Energie fließt dabei in Form hochfrequenter Wellen, die von den Elektroden abgestrahlt wird, weshalb man hier von Hochfrequenz- oder kurz HF-Anregung spricht.

Der Vorteil von DC- gegenüber HF-Anregung liegt im höheren Wirkungsgrad entsprechender Laserquellen. Andererseits kann bei HF-angeregten Lasern mehr Energie in ein gegebenes Gasvolumen eingebracht werden, oder anders ausgedrückt: Um eine bestimmte Laserleistung zu erzeugen, bedarf es weniger Gasvolumen. Somit konnte der Bylaser 6000 mit seinen 6 kW Ausgangsleistung ähnlich kompakt gebaut werden, wie die Laserquellen mit geringerer Leistung, und weist eine sehr hohe mechanische Stabilität auf. Überwiegen bei Laserleistungen bis 5,2 Kilowatt die Vorteile der DC-Anregung, wurde mit dem Bylaser 6000 der Moment erreicht, in dem die Vorteile der HF-Anregung stärker ins Gewicht fallen. Die Anregungsmodule, die für die Erzeugung der HF-Energie zuständig sind, wurden von Bystronic entwickelt und basieren auf Halbleitertechnologie. Der Kunde zieht daraus einen doppelten Nutzen: Weil diese Module im Gegensatz zu den sonst üblichen Endstufenverstärkern auf Röhrenbasis keinem Verschleiß unterliegen, verringern sich die Betriebskosten. Außerdem wird Platz gespart, weil kein weiterer Schrank für die Unterbringung solcher Senderöhren benötigt wird.

Leistung mit Augenmaß

Generell profitiert der Anwender durch die gesteigerte Laserleistung des Bylaser 6000 in mehrfacher Hinsicht: Die Einstechzeiten sind minimiert, was sich wiederum in kürzeren Teilezeiten und somit in einem höheren und Gewinn bringenden Teileausstoß niederschlägt.

Weil in aller Regel nicht sämtliche Aufträge mit maximaler Power gefertigt werden müssen, hält der Laser außerdem Leistungsreserven bereit, die wiederum die Prozesssicherheit des gesamten Systems erhöhen. Die maximale Blechdickengrenze wird nach oben verschoben, beispielsweise auf 25 mm bei Chromstahl und auf 15 mm bei Aluminium. Das heißt, es können Aufträge bearbeitet werden, die für den Anwender zuvor außer Reichweite lagen. Außerdem ist die Schneidleistung bei Stahl bereits ab 6 mm und bei Chromstahl ab 4 mm spürbar gesteigert.

Dies bedeutet konkret, dass die größere Laserleistung in erhöhte Vorschübe übersetzt wird, die unterhalb der Dynamikgrenzen von Bystronic Anlagen liegen. Somit schlägt sich das Mehr an Vorschub auch tatsächlich in kürzeren Teilezeiten und höherem Ausstoß nieder.

Doch Vorsicht: Höhere Laserleistungen führen nicht automatisch zu höheren Profiten. Wenn das Maschinenkonzept diese Leistung nicht umsetzen kann, bleibt diese ungenutzt. Höhere Gewinne bleiben auch aus, wenn die Leistung zu teuer erkauft werden muss. Allgemein lässt sich festhalten, dass Bystronic Laserquellen durch eine ausgezeichnete Energieeffizienz und hohe Zuverlässigkeit sowie einen äußerst geringen Stromverbrauch bestechen, so dass deren Betriebskosten auf ein notwendiges Minimum reduziert sind. Dies gilt auch für den Bylaser 6000, der zum Teil deutlich geringere Kosten verursacht als 6-kW-Laserquellen anderer Anbieter.

Dennoch generiert ein solcher Laser höhere Betriebskosten als ein weniger leistungsstarker, was in erster Linie auf den höheren Energiebedarf zurückzuführen ist. Abbildungen 4 und 5 verdeutlichen anhand der Margen repräsentativer Teile, dass entsprechende Gewinne nur bei ­einem „richtigen“ Teilemix eingefahren werden können, in erster Linie bei der Verarbeitung von mitteldicken und dicken Blechen beziehungsweise von Chromstahl. Andererseits zeigen die Zahlen großer Blechlieferanten, dass in den Betrieben in erster Linie Bleche zwischen 2 und 6 mm und vor allem herkömmlicher Stahl verarbeitet wird (Abbildung 6). In diesen Fällen wird in der Regel dem Maschinenkonzept eine höhere Bedeutung beizumessen sein als der Maximierung der Laserleistung.´

Fazit

Bei der Bestimmung der richtigen Laserleistung im Zusammenhang mit einer Maschineninvestition ist genau zu prüfen, für welchen Einsatz eine solche Anlage vorgesehen ist. Um die Vorzüge einer Anlage voll zur Geltung bringen zu können, sollten Maschine und Laserquelle vom selben Hersteller stammen. Dieser Hersteller sollte neben einer hohen Beratungskompetenz auch ein breites Spektrum an hochwertigen Anlagen und Laserquellen anbieten können.

Martin Engel

Erschienen in Ausgabe: 12/2005