Die Technologie des CO2-Lasers

Was ist „Laser“

Eine kurze Einführung über die Technologie des Laserschneidens und das „Werkzeug“ Laser.

Der Begriff „Laser“

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
(Lichtverstärkung durch induzierte Strahlungsemission)

Laser ist als Licht, das in dieser Form nicht in der Natur vorkommt, ein reines Kunstprodukt.
1960 erfolgt die Inbetriebnahme des ersten Lasers (Rubin-Impuls-Laser) durch Theodore Maiman, einen US-amerikanischen Physiker.

Im Vergleich zum herkömmlichen (natürlichen) Licht, das aus einem Spektrum verschiedener Wellenlängen und unterschiedlicher Phasen besteht und sich nach allen Richtungen ausbreitet, sind die Strahlen des Lasers nahezu parallel, kohärent (alle Wellen in Phase) und monochromatisch (eine Wellenlänge).

Laserarten

Gaslaser* – Flüssigkeitslaser – Festkörperlaser – Halbleiterlaser

* CO2-Laser (Kohlenstoffdioxidlaser – Wellenlänge 10,6 µm, fernes Infrarot, unsichtbar)

– in gekapselten Anlagen ungefährlich (Laser Klasse 1)
– offener Laserstrahl gefährlich (Laser Klasse 4)
– führt zu Verbrennungen von Haut und Augen.
– im normalen Schneidbetrieb entstehende Reflexionen sind praktisch ungefährlich; Als Schutz genügen normale Sehhilfsbrillen/Blendschutzbrillen

Funktionsprinzip CO2-Laser

Die Anregung des CO2-Lasers erfolgt durch eine über ein elektromagnetisches Strahlungsfeld stimulierte Emission in einem CO2-N2-He-Gasgemisch.

Ein CO2-Gaslaser wird in einem sogenannten „Resonator“ unter Einsatz von Stromspannungen bis über 15.000 Volt erzeugt („angeregt“).
Dabei wir ein auf einem hohen Energieniveau befindliches CO2-Atom von einem bereits vorhandenen Lichtpartikel (Photon) zum Übergang auf ein niedrigeres Energieniveau gezwungen und gibt dabei ein Photon ab.
Resultat: Das vorhandene Photon bleibt erhalten, das vom erzwungenen Übergang kommt hinzu und beide regen neue Übergänge an. Es entsteht eine Kettenreaktion und der Laser baut sich auf.

Schneidprozess

Der erzeugte Laserstrahl wird über Spiegel in Richtung Werkstoff gelenkt, und in einem Schneidkopf unmittelbar vor dem Werkstück von ursprünglich ca. 20 mm Durchmesser mittels einer Wassergekühlten Speziallinse auf einen Durchmesser von rund 0,1 mm fokussiert.

Aus dem Schneidkopf mit Fokussierlinse tritt der Laserstahl dann zusammen mit einem Schneidgas aus einer Düse aus und trifft auf den Werkstoff.

Dabei werden im Fokuspunkt Temperaturen um die 10.000° Celsius beim Schneidgas Sauerstoff erreicht, bei einer Energiedichte von max. 1,5×10⁷ Watt/cm².

Schneidgase

O2 (Sauerstoff)
Unterstützung des Schneidprozesses durch Verbrennung und Austrieb des
verbrannten Werkstoffes -> Laserbrennschneiden.

N2 (Stickstoff)
Treibt den aufgeschmolzenen Werstoff aus der Schnittfuge, nimmt aber nicht selbst am Schneidprozess teil (oxidfreie Schnittkanten) -> Laserschmelzschneiden.

Vorteile des Lasers

(Gegenüber konventionellen Werkzeugen)

– Keine Werkzeugkosten -> günstigere sowie schnellere und flexiblere Fertigung
– Kein Verzug
– Berührungslose Bearbeitung
– Vibrationsfrei
– Keine Nacharbeit
– Gute Reproduzierbarkeit
– Keine Abnutzung des „Werkzeuges“ Laserstrahl
– Voll automatisierbar

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