**Grundlagen des Laserschneidens und seines Verarbeitungssystems – Laserschneidausrüstung**

**II. Zusammensetzung der Laserschneidausrüstung**

**2.1 Komponenten und Funktionsweise von Laserschneidmaschinen**

Eine Laserschneidmaschine besteht unter anderem aus einem Lasergenerator, einem Schneidkopf, Strahlübertragungskomponenten, einem Werkzeugmaschinentisch, einem CNC-System, einem Computer (Hardware, Software), einem Kühler, Schutzgaszylindern, einer Staubabsaugung und einem Lufttrockner.

1. **Lasergenerator:** Dies ist das Gerät, das die Laserquelle erzeugt. Für Laserschneidanwendungen werden, bis auf wenige Ausnahmen, bei denen YAG-Festkörperlaser eingesetzt werden, hauptsächlich CO2-Gaslaser verwendet, da diese einen höheren elektro-optischen Wirkungsgrad aufweisen und eine höhere Leistung erbringen können. Da das Laserschneiden sehr hohe Anforderungen an die Strahlqualität stellt, sind nicht alle Laser zum Schneiden geeignet.

2. **Schneidkopf:** Beinhaltet hauptsächlich Komponenten wie die Düse, die Fokussierlinse und das Fokus-Tracking-System. Die Schneidkopf-Antriebsvorrichtung wird verwendet, um den Schneidkopf gemäß dem Programm entlang der Z-Achse anzutreiben, bestehend aus Komponenten wie einem Servomotor und einer Gewindespindel oder Zahnrädern.

* (1) **Düse:** Düsentypen umfassen hauptsächlich drei Formen: parallel, konvergent und konisch.

* (2) **Fokussierlinse:** Um die Energie des Laserstrahls zum Schneiden zu nutzen, muss der vom Laser emittierte Rohstrahl durch eine Linse fokussiert werden, um einen Punkt mit hoher Energiedichte zu bilden. Linsen mit mittlerer und langer Brennweite eignen sich zum Schneiden dicker Platten und haben geringere Anforderungen an die Entfernungsstabilität des Tracking-Systems. Linsen mit kurzer Brennweite eignen sich nur für dünne Platten unter 3 mm; sie haben strenge Anforderungen an die Entfernungsstabilität des Tracking-Systems, können aber die erforderliche Laser-Ausgangsleistung erheblich reduzieren.

* (3) **Tracking-System:** Das Fokus-Tracking-System der Laserschneidmaschine besteht im Allgemeinen aus dem fokussierenden Schneidkopf und dem Tracking-Sensorsystem. Der Schneidkopf umfasst Teile für die Lichtführung und -fokussierung, Wasserkühlung, Gasblasen und mechanische Einstellung. Der Sensor besteht aus dem Sensorelement und den Verstärkungs- und Steuerungsteilen. Je nach Sensorelement sind die Tracking-Systeme völlig unterschiedlich; hauptsächlich gibt es zwei Formen: kapazitive Sensor-Tracking-Systeme (berührungslos) und induktive Sensor-Tracking-Systeme (mit Kontakt).

3. **Strahlübertragungskomponenten (externer Lichtweg):** Refraktive und reflektierende Spiegel werden verwendet, um den Laser in die gewünschte Richtung zu lenken. Um einen Ausfall des Strahlwegs zu verhindern, werden alle Spiegel durch Abdeckungen geschützt und mit sauberem, überdruckbeaufschlagtem Schutzgas versorgt, um eine Kontamination zu verhindern. Ein hochwertiger Linsensatz fokussiert einen Strahl ohne Divergenzwinkel zu einem unendlich kleinen Punkt. Eine Linse mit 5,0 Zoll Brennweite wird häufig verwendet. Eine 7,5-Zoll-Linse wird nur für Materialien mit einer Dicke von >12 mm verwendet.

4. **Werkzeugmaschinentisch (Maschinenhauptteil):** Der mechanische Teil der Laserschneidmaschine, der die Bewegung entlang der X-, Y- und Z-Achse ermöglicht, einschließlich der Schneidbearbeitungsplattform.

5. **CNC-System:** Steuert die Werkzeugmaschine, um die X-, Y-, Z-Achsenbewegung zu erreichen, und steuert auch die Ausgangsleistung des Lasers.

6. **Kühlsystem (Kühlaggregat):** Wird zur Kühlung des Lasergenerators verwendet. Ein Laser ist ein Gerät, das elektrische Energie in Lichtenergie umwandelt. Beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad eines CO2-Gaslasers typischerweise 20 %, wobei die restliche Energie in Wärme umgewandelt wird. Das Kühlwasser führt die überschüssige Wärme ab, um den Normalbetrieb aufrechtzuerhalten. Der Kühler kühlt auch die Spiegel des externen Lichtwegs und die Fokussierlinse, um eine stabile Strahlübertragungsqualität zu gewährleisten und eine Verformung oder Rissbildung der Linse aufgrund übermäßiger Temperatur wirksam zu verhindern.

7. **Gasflaschen:** Umfassen die Arbeitsmediumgasflaschen und Hilfsgasflaschen der Laserschneidmaschine, die verwendet werden, um die Industriegase für die Laseroszillation aufzufüllen und Hilfsgase zum Schneidkopf zu liefern.

8. **Staubabsaugsystem:** Extrahiert Rauch und Staub, die während der Verarbeitung entstehen, und filtert sie, so dass die Abluftemissionen den Umweltstandards entsprechen.

9. **Luftkühltrockner und Filter:** Liefert saubere, trockene Luft zum Lasergenerator und zum Strahlweg, um den Normalbetrieb des Weges und der Spiegel aufrechtzuerhalten.

**2.2 Laserschneidfackel**

Die schematische Struktur einer Laserschneidfackel ist in der folgenden Abbildung dargestellt und besteht hauptsächlich aus dem Fackelkörper, der Fokussierlinse, dem Spiegel und der Hilfsgasdüse. Während des Laserschneidens muss die Fackel die folgenden Anforderungen erfüllen:

① Die Fackel muss in der Lage sein, einen ausreichenden Gasstrom auszustossen.

② Die Gasausstoßrichtung innerhalb der Fackel muss koaxial zur optischen Achse des Spiegels sein.

③ Die Brennweite der Fackel sollte leicht einstellbar sein.

④ Stellen Sie während des Schneidens sicher, dass Metallverdampfung und Spritzer aus dem Schneidprozess den Spiegel nicht beschädigen.

Die Bewegung der Fackel wird über das CNC-Bewegungssystem eingestellt. Die relative Bewegung zwischen der Fackel und dem Werkstück kann in drei Situationen auftreten:

① Die Fackel ist stationär, und das Werkstück bewegt sich über den Arbeitstisch (hauptsächlich für kleinere Werkstücke).

② Das Werkstück ist stationär, und die Fackel bewegt sich.

③ Sowohl die Fackel als auch der Arbeitstisch bewegen sich gleichzeitig.

**2.2.1 Schneidkopf**

Der Laserschneidkopf befindet sich am Ende des Strahlübertragungssystems und umfasst die Fokussierlinse und die Schneiddüse.

Fokussierlinsen unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre Brennweite. Die meisten Laserschneidausrüstungen sind mit mehreren Schneidköpfen mit unterschiedlichen Brennweiten ausgestattet. Am Beispiel des CO2-Laserschneidens sind gängige Brennweiten 127 mm (5 Zoll) und 190 mm (7,5 Zoll). Eine Linse mit kurzer Brennweite ergibt einen kleinen Fokuspunkt und eine kurze Fokustiefe, was vorteilhaft ist, um die Schnittfugenbreite zu verringern und einen feineren Schnitt zu erzielen. Eine Linse mit langer Brennweite ergibt einen größeren Fokuspunkt und eine längere Fokustiefe. Im Vergleich zu einer Linse mit kurzer Brennweite kann eine Linse mit langer Brennweite die Anforderungen an die fokussierte Strahlenergiedichte in der Nähe des Fokuspunkts über einen größeren Bereich der Materialdicke erfüllen. Daher werden Linsen mit kurzer Brennweite meist zum Feinschneiden dünner Bleche verwendet, während dickere Materialien Linsen mit langer Brennweite benötigen, um eine ausreichende Fokustiefe zu erhalten, wodurch sichergestellt wird, dass die Punktdurchmesseränderung innerhalb des Schneiddickenbereichs minimal ist und eine ausreichende Leistungsdichte aufrechterhalten wird.

Die Fokussierlinse wird verwendet, um den in die Fackel eintretenden parallelen Laserstrahl zu fokussieren, um einen kleinen Punkt und eine hohe Leistungsdichte zu erhalten. Linsen werden aus Materialien hergestellt, die die Laserwellenlänge durchlassen. Festkörperlaser verwenden üblicherweise optisches Glas, während CO2-Gaslaser, die nicht durch gewöhnliches Glas hindurchtreten können, Materialien wie ZnSe, GaAs und Ge verwenden, wobei ZnSe am häufigsten verwendet wird.

Für das Laserschneiden ist ein möglichst kleiner Punktdurchmesser erwünscht, da dies die Leistungsdichte erhöht und das Hochgeschwindigkeitsschneiden erleichtert. Wenn jedoch die Brennweite der Linse abnimmt, wird auch die Fokustiefe kleiner, wodurch es schwierig wird, gute senkrechte Schnittflächen zu erhalten, wenn dickere Platten geschnitten werden. Darüber hinaus wird bei einer kleineren Linsenbrennweite der Abstand zwischen der Linse und dem Werkstück verringert, wodurch die Linse anfällig für Kontamination durch Spritzer und anderes geschmolzenes Material während des Schneidens ist, was den Normalbetrieb beeinträchtigt. Daher muss die geeignete Brennweite durch umfassende Berücksichtigung von Faktoren wie Schneiddicke und Qualitätsanforderungen bestimmt werden.

**2.2.2 Spiegel**

Die Funktion des Spiegels besteht darin, die Richtung des vom Laser kommenden Strahls zu ändern. Für Strahlen von Festkörperlasern können Spiegel aus optischem Glas verwendet werden, während Spiegel in CO2-Gaslaserschneidvorrichtungen oft aus Kupfer oder Metallen mit hohem Reflexionsvermögen bestehen. Während des Gebrauchs werden Spiegel typischerweise wassergekühlt, um Schäden durch Überhitzung durch Lichteinwirkung zu vermeiden.

**2.2.3 Düse**

Die Düse wird verwendet, um Hilfsgas in die Schneidzone zu spritzen. Ihre strukturelle Form hat einen gewissen Einfluss auf die Schneideffizienz und -qualität. Abbildung 4.11 zeigt die üblichen Düsenformen, die beim Laserschneiden verwendet werden; die Strahlaustrittsformen umfassen zylindrische, konische und konvergent-divergente (de Laval) Typen.

Die Auswahl der Düse wird im Allgemeinen nach Tests basierend auf dem Werkstückmaterial, der Dicke, dem Hilfsgasdruck usw. bestimmt. Beim Laserschneiden werden im Allgemeinen koaxiale Düsen verwendet (Gasstrom koaxial zur optischen Achse). Wenn der Gasstrom nicht koaxial zum Strahl ist, kann er während des Schneidens leicht erhebliche Spritzer erzeugen. Die Öffnungswand der Düse sollte glatt sein, um einen reibungslosen Gasstrom zu gewährleisten und zu vermeiden, dass die Schnittqualität durch Turbulenzen beeinträchtigt wird. Um die Stabilität des Schneidprozesses zu gewährleisten, sollte der Abstand von der Düsenfläche zur Werkstückoberfläche minimiert werden, oft 0,5 bis 2,0 mm. Die Düsenöffnung muss es dem Laserstrahl ermöglichen, ungehindert hindurchzutreten, wodurch vermieden wird, dass der Strahl die Innenwand der Düse berührt. Je kleiner die Öffnung, desto schwieriger wird die Strahlkollimation. Bei einem bestimmten Hilfsgasdruck gibt es einen optimalen Bereich der Düsenöffnungsdurchmesser. Wenn die Öffnung zu klein oder zu groß ist, beeinträchtigt dies die Entfernung von geschmolzenen Produkten aus der Schnittfuge und beeinflusst auch die Schnittgeschwindigkeit.

Der Einfluss der Düsenöffnung auf die Schnittgeschwindigkeit unter bestimmten Laserleistungen und Hilfsgasdrücken ist in den Abbildungen 4.12 und 4.13 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass es eine optimale Düsenöffnung gibt, die die maximale Schnittgeschwindigkeit ergibt. Unabhängig davon, ob Sauerstoff oder Argon als Hilfsgas verwendet wird, liegt dieser Optimalwert bei etwa 1,5 mm.

Laserschneidtests an schwer zu schneidenden Materialien wie Hartmetall zeigen, dass die optimale Düsenöffnung dem obigen Ergebnis sehr nahe kommt, wie in Abbildung 4.14 dargestellt. Die Düsenöffnung beeinflusst auch die Schnittfugenbreite und die Breite der wärmebeeinflussten Zone (HAZ). Wie in Abbildung 4.15 dargestellt, verbreitert sich die Schnittfuge mit zunehmender Düsenöffnung, während sich die HAZ verengt. Der Hauptgrund für die Verengung der HAZ ist der verbesserte Kühleffekt des Hilfsgasstroms auf das Basismaterial in der Schneidzone.

**2.3 Parameter der Laserschneidausrüstung**

**2.3.1 Fackelgetriebene Schneidausrüstung**

Bei fackelgetriebenen Schneidausrüstungen ist die Schneidfackel an einem beweglichen Portal angebracht und bewegt sich quer (Y-Richtung) entlang des Portalbalkens. Das Portal treibt die Fackel entlang der X-Richtung an, und das Werkstück ist auf dem Schneidtisch befestigt. Da die Laserquelle von der Fackel getrennt ist, können während des Schneidens die Laserübertragungseigenschaften, die Parallelität entlang der Strahlabtastrichtung und die Stabilität der Reflexionsspiegel beeinträchtigt werden.

Fackelgetriebene Ausrüstung kann größere Teile verarbeiten, benötigt relativ weniger Stellfläche für den Schneidproduktionsbereich und kann leicht in Produktionslinien mit anderen Geräten integriert werden. Die Positioniergenauigkeit liegt jedoch typischerweise bei etwa ±0,04 mm.

Die typische Struktur der fackelgetriebenen Schneidausrüstung ist in Abbildung 4.19 dargestellt. Dieses Beispiel verwendet einen CO2-Dauerstrich-Laserschneider mit einer Strahlübertragungsentfernung von 18 m von der Laserquelle zur Fackel. Um sicherzustellen, dass Änderungen der Strahlform über diese Entfernung das Schneiden nicht behindern, muss die Kombination der Oszillatorspiegel sorgfältig konstruiert werden.

Wichtige technische Parameter für fackelgetriebene Ausrüstung:

* Laser-Ausgangsleistung: 1,5 kW (Einzelmodus), 3 kW (Multimodus).

* Fackelweg: X-Achse 6,2 m, Y-Achse 2,6 m.

* Antriebsgeschwindigkeit: 0~10 m/min (einstellbar).

* Fackelhohe (Z-Achse) Schwebeweg: 150 mm.

* Fackelhohenverstellgeschwindigkeit: 300 mm/min.

* Maximale bearbeitbare Stahlplattengröße: 12 mm dick * 2400 mm * 6000 mm.

* Steuerungsgeräte: Integriertes CNC-Steuerungsverfahren.

**2.3.2 XY-Koordinaten-Schneidtisch-getriebene Ausrüstung**

Bei XY-Koordinaten-Schneidtisch-getriebenen Ausrüstungen ist die Fackel am Maschinenrahmen befestigt, und das Werkstück wird auf dem Schneidtisch platziert. Der Schneidtisch bewegt sich gemäß NC-Anweisungen entlang der X- und Y-Richtung. Die Antriebsgeschwindigkeit beträgt im Allgemeinen 0~1 m/min (einstellbar) oder 0~5 m/min (einstellbar). Da die Fackel relativ zum Werkstück fixiert ist, wird die Ausrichtung des Laserstrahls während des Schneidens weniger beeinflusst, was gleichmäßige und stabile Schnitte ermöglicht. Wenn die Schneidtischgröße klein und die mechanische Genauigkeit hoch ist, kann die Positioniergenauigkeit ±0,01 mm betragen, was zu einer hervorragenden Schneidpräzision führt und sich besonders für das Präzisionsschneiden kleiner Teile eignet. Es gibt auch Schneidtische mit einem X-Achsen-Weg von 2300~2400 mm und einem Y-Achsen-Weg von 1200~1300 mm zur Bearbeitung größerer Teile.

Wichtige technische Parameter für XY-Tisch-getriebene Ausrüstung:

* Laser: CO2-Gaslaser (halbversiegelter gerader Röhrentyp).

* Laser-Stromversorgung: Eingangsspannung 200 V AC, Ausgangsspannung 0~30 kV, Max. Ausgangsstrom 100 mA.

* Laser-Ausgangsleistung: 550 W.

* Schneidtischweg: X-Achse 2300 mm, Y-Achse 1300 mm.

* Schneidtisch-Antriebsgeschwindigkeit (schrittweise einstellbar): 0,4~5,0 m/min, 0,2~2,5 m/min, 0,1~1,3 m/min, 0,05~0,6 m/min.

* Fackelhohe (Z-Achse) Schwebeweg: 180 mm.

* Maximale bearbeitbare Blechgröße: 6 mm dick * 1300 mm * 2300 mm.

* Steuerungsgeräte: NC-Verfahren.

**2.3.3 Fackel-Tisch-Dual-getriebene Schneidausrüstung**

Fackel-Tisch-Dual-getriebene Schneidausrüstung ist eine Hybridform zwischen fackelgetriebenen und XY-Tisch-getriebenen Typen. Die Fackel ist an einem Portal angebracht und bewegt sich quer (Y-Richtung) entlang des Portalbalkens, während der Schneidtisch in Längsrichtung (X-Richtung) antreibt. Sie kombiniert die Vorteile hoher Schneidgenauigkeit und Platzersparnis. Die Positioniergenauigkeit beträgt ±0,01 mm, der Schneidgeschwindigkeits-Einstellbereich beträgt 0~20 m/min, was sie zu einem weit verbreiteten Typ von Schneidausrüstung macht. Größere Modelle dieses Typs können einen Y-Achsen-Weg von 2000 mm und einen X-Achsen-Weg von 6000 mm haben und sind in der Lage, große Teile zu schneiden.

In einigen Ausführungen ist auch der Laser-Oszillator zusammen mit der Fackel am Portal montiert. Die Genauigkeit beim Schneiden von kreisförmigen Löchern mit dualgetriebenen Geräten ist recht gut. Die Produktionseffizienz ist ebenfalls hoch; so können beispielsweise 46 Löcher mit 10 mm Durchmesser pro Minute in 1 mm dickem Stahlblech geschnitten werden.

**2.3.4 Integrierte Schneidausrüstung**

Bei integrierter Schneidausrüstung ist die Laserquelle am Maschinenrahmen montiert und bewegt sich mit ihm in Längsrichtung, während die Fackel und ihr Antriebsmechanismus eine Einheit bilden, die sich quer auf dem Balken des Rahmens bewegt. Mit CNC können verschiedene geformte Teile geschnitten werden. Um die Änderung der optischen Pfadlänge, die durch die Querbewegung der Fackel verursacht wird, zu kompensieren, ist in der Regel eine Komponente zur Einstellung der optischen Pfadlänge ausgestattet, die einen homogenen Strahl über den Schneidbereich gewährleistet und eine gleichmäßige Schnittoberflächenqualität aufrechterhält.