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In der heutigen Fertigungsindustrie Faserlaserschneidmaschinen sind zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Metallverarbeitung geworden. Unter ihnen sind die 2kW Faserlaser-Schneidemaschine zeichnet sich durch ein ausgewogenes Verhältnis von Leistung, Effizienz und Wirtschaftlichkeit aus. Doch wie genau funktioniert es und warum setzen so viele Werkstätten darauf?

1. Prinzip der Lasererzeugung

Lichtquelle: Als Verstärkungsmedium dient ein mit Ytterbium oder anderen Seltenerdelementen dotiertes Glasfaserkabel. Eine Halbleiter-Pumpquelle (z. B. ein Diodenlaser) regt die Seltenerdionen in der Faser an, wodurch hochenergetische Übergänge entstehen und Licht einer bestimmten Wellenlänge (typischerweise Nahinfrarotlicht bei 1070–1080 nm) freigesetzt wird.

Faserverstärker:

Der Laser wird innerhalb der flexiblen Faser wiederholt reflektiert und verstärkt, wodurch ein kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahl mit hoher Leistungsdichte und hoher Strahlqualität entsteht.

2. Laserübertragung und Fokussierung

Glasfaserübertragung:

Der Laser wird durch die flexible Faser zum Schneidkopf übertragen, wodurch komplexe Spiegelsysteme (im Gegensatz zu CO₂-Lasern) überflüssig werden und der Energieverlust minimal ist (<5 %) und Eignung zur Fernübertragung.

Fokussiersystem:

Kollimatorlinsen und Fokussierlinsen (typischerweise asphärische Linsen) im Schneidkopf fokussieren den Laserstrahl auf einen extrem kleinen Punkt (Durchmesser ca. 0,01–0,1 mm) und erreichen so Leistungsdichten von 10⁶–10⁸ W/cm².

3. Materialschneidemechanismus

Wichtigste physikalische Prozesse beim Metallschneiden:

Absorption und Erwärmung:

Metalloberflächen weisen hohe Absorptionsraten für Faserlaserwellenlängen auf (insbesondere bei stark reflektierenden Materialien wie Kupfer und Aluminium; Antireflexbeschichtungen können die Effizienz weiter steigern).

Lichtenergie wird von Elektronen absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch die lokale Temperatur des Materials sofort auf seinen Schmelz- oder Siedepunkt ansteigt (z. B. etwa 1500 °C bei Stahl).

Schmelzen und Verdampfen:

Schmelzschneiden (geeignet für Kohlenstoffstahl, Edelstahl): Laserenergie schmilzt das Material und Hilfsgase (wie Stickstoff, Sauerstoff) blasen das geschmolzene Metall weg.

Sublimationsschneiden (geeignet für dünne Bleche oder hohe Präzisionsanforderungen): Der Laser verdampft das Material direkt und ohne Hilfsgase (z. B. extrem dünne Metalle oder Nichtmetalle).

Rolle der Hilfsgase:

Sauerstoff (O₂): Reagiert exotherm mit geschmolzenem Metall (Oxidation), beschleunigt das Schneiden und verbessert die Qualität der Schnittflächen von Kohlenstoffstahl, kann jedoch eine Oxidschicht bilden.

Stickstoff (N₂): Inerter Schutz, der Oxidation verhindert, geeignet für Materialien, die saubere Schnitte erfordern, wie Edelstahl und Aluminium.

Ausbildung der Schnittnaht:

Der Laserstrahl bewegt sich relativ zum Material (gesteuert durch ein CNC-System), um eine durchgehende Schnittnaht zu bilden.

Dynamische Anpassung der Fokuslage (z. B. automatisch fokussierender Schneidkopf) zur Anpassung an unterschiedliche Materialstärken.

4. CNC-System und Bewegungssteuerung

CNC-Steuerung:

Voreingestellte Schneidpfade (z. B. DXF-Dateien) werden von einem Computer in mechanische Bewegungsbefehle umgewandelt, die Servomotoren antreiben, um die Bewegung des Schneidkopfs oder Arbeitstisches (X/Y/Z-Achsen) zu steuern.

Dynamische Präzision:

Hochpräzise Führungen und Linearmotoren gewährleisten eine Positioniergenauigkeit (±0,05 mm) bei Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 50 m/min.

5. Vorteile und Einschränkungen von 2 kW Leistung

Vorteile:

Kann dickere Materialien schneiden (z. B. Kohlenstoffstahl ≤ 20 mm, Edelstahl ≤ 12 mm, Aluminium ≤ 10 mm).

Höhere Geschwindigkeit (30–50 % schneller als eine 1-kW-Lasermaschine).

Geringerer Energieverbrauch (elektrooptische Umwandlungseffizienz von 30–50 %, deutlich höher als bei CO₂-Lasern mit 10 %).

Einschränkungen:

Bei stark reflektierenden Materialien (z. B. Kupfer, Gold) ist eine spezielle Bearbeitung erforderlich (z. B. Anpassung der Pulsfrequenz).

Bei extrem dicken Materialien (z. B. Kohlenstoffstahl > 25 mm) sind möglicherweise mehrere Schnitte oder alternative Methoden wie Plasma-/Brennschneiden erforderlich.

6. Schlüsselkomponenten und Technologien

Faserlaser: 2-kW-Singlemode- oder Multimode-Faserlaser von Marken wie IPG und SPI.

Schneidkopf: Marken wie Precitec und Raytools, einschließlich Schutzlinsen, Gasdüsen und kapazitiven Höhenverstellsystemen.

Kühlsystem: Wassergekühlte Einheiten halten die Lasertemperatur stabil (±1 °C).

Staubabsaugsystem: Belüftungs- oder Filtergeräte bewältigen Schneiddämpfe.

7. Typische Anwendungsszenarien

Branchen: Blechverarbeitung, Automobilteile, Luft- und Raumfahrt, elektronische Gehäuse usw.

Materialien: Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Aluminiumlegierung, Messing, Titanlegierung usw.

Bearbeitungsarten: Flachschneiden, Bohren und unregelmäßiges Konturschneiden.

Übersetzt mit DeepL.com (kostenlose Version)

Zusammenfassung:

Die 2-kW-Faserlaserschneidmaschine nutzt hochenergetische Faserlaserstrahlen, Präzisionsoptiken und CNC-Technologie für effizientes und hochpräzises Schneiden von Metallen. Ihre Hauptvorteile liegen in der hohen Leistungsdichte, dem geringen Energieverbrauch und den geringen Wartungskosten, wodurch sie sich besonders für die Bearbeitung von Metallplatten mittlerer Dicke eignet. In der Praxis müssen Leistung, Fokuslage und Hilfsgasart an die Materialeigenschaften angepasst werden, um die Schnittqualität zu optimieren.

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