Wie funktioniert Laserschneiden?

Ein Laserstrahl ist gebündeltes Licht einer einzigen Wellenlänge. Entscheidend für den Schneidprozess ist nicht die Leistung allein, sondern die Leistungsdichte — also Leistung geteilt durch Fläche. Eine Fokussierlinse oder ein Fokussierspiegel verkleinert den Strahl auf einen Durchmesser von typischerweise 0,1 bis 0,4 mm. Aus 5 kW Laserleistung werden auf dieser Fläche mehrere Millionen Watt pro Quadratzentimeter. Der Werkstoff hat dieser Energiedichte nichts entgegenzusetzen und geht in Sekundenbruchteilen in den flüssigen oder gasförmigen Zustand über.

Damit ein Schnitt entsteht, muss das aufgeschmolzene Material die Fuge verlassen. Das übernimmt das Schneidgas, das koaxial zum Strahl durch die Schneiddüse strömt. Die Düse steht dabei in einem Abstand von etwa 0,5 bis 1,5 mm über dem Blech. Bleibt Schmelze in der Fuge zurück, entsteht an der Unterseite ein Schmelzbehang — im Werkstattdeutsch „Bart“ oder „Grat“.

Zwei Wellenlängen dominieren die industrielle Praxis. CO₂-Laser arbeiten bei 10,6 µm, Faserlaser (auch Fiberlaser) bei etwa 1,07 µm. Die kürzere Wellenlänge des Faserlasers wird von metallischen Oberflächen deutlich besser absorbiert. Das ist der Grund, warum sich Kupfer und Messing — beide bei 10,6 µm stark reflektierend — erst mit Faserlasern zuverlässig schneiden lassen und warum Faserlaser im Dünnblechbereich um ein Vielfaches schneller sind.

Die entstehende Schnittfuge (englisch: kerf) ist schmal: je nach Materialstärke und Schneidgas 0,1 bis 0,6 mm. Diese schmale Fuge ist der Grund für die hohe Konturgenauigkeit und die gute Materialausnutzung beim Schachteln der Teile.

Die DIN 2310-6 unterscheidet drei Varianten des Laserstrahlschneidens. Sie unterscheiden sich darin, was physikalisch mit dem Werkstoff passiert und welches Gas eingesetzt wird.

Laserstrahl-Schmelzschneiden arbeitet mit einem inerten, also chemisch nicht reagierenden Gas — in der Praxis fast immer Stickstoff. Der Laser liefert die gesamte Schmelzenergie, das Gas bläst die flüssige Schmelze mit hohem Druck aus der Fuge. Weil kein Sauerstoff beteiligt ist, bleibt die Schnittkante metallisch blank und oxidfrei. Das Verfahren ist Standard für Edelstahl und Aluminium und überall dort, wo direkt nach dem Schneiden lackiert, beschichtet oder geschweißt wird.

Laserstrahl-Brennschneiden nutzt Sauerstoff als Schneidgas. Der Sauerstoff reagiert mit dem erhitzten Eisen exotherm — die Verbrennung setzt zusätzliche Energie frei und trägt bei unlegiertem Stahl einen erheblichen Teil der Schnittenergie bei. Dadurch sind größere Materialstärken und höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich als beim Schmelzschneiden. Der Preis dafür ist eine dünne Oxidschicht auf der Schnittkante, die vor dem Lackieren oder Pulverbeschichten entfernt werden muss.

Laserstrahl-Sublimierschneiden verdampft den Werkstoff direkt, ohne nennenswerte Schmelzphase. Es erfordert sehr hohe Leistungsdichten bei geringer Vorschubgeschwindigkeit und spielt bei Metall eine untergeordnete Rolle. Seine Domäne sind dünne Werkstoffe und nichtmetallische Materialien wie Holz, Papier oder bestimmte Kunststoffe. Die Wärmeeinflusszone ist hier am kleinsten.

Die Gaswahl ist keine Detailfrage. Sie bestimmt Schnittgeschwindigkeit, Kantenqualität, den nachfolgenden Arbeitsschritt und die Gaskosten.

Sauerstoff wird bei unlegiertem und niedriglegiertem Stahl eingesetzt. Üblich ist eine Reinheit von 3.5 (99,95 %) bei Drücken von etwa 0,5 bis 6 bar. Weil die exotherme Reaktion Energie beisteuert, sind bei gleicher Laserleistung größere Materialstärken erreichbar. Der Gasverbrauch ist niedrig. Nachteil ist die Zunderschicht auf der Schnittfläche: Sie ist nur wenige Mikrometer dick, aber Lacke und Pulverbeschichtungen haften darauf nicht dauerhaft. Wer beschichten will, muss strahlen, schleifen oder bürsten.

Stickstoff wird bei Edelstahl, Aluminium und bei beschichtungsfertigen Stahlteilen verwendet. Übliche Reinheit ist 5.0 (99,999 %), der Arbeitsdruck liegt mit etwa 8 bis 25 bar deutlich höher, weil das Gas die gesamte Schmelze allein austreiben muss. Entsprechend hoch ist der Verbrauch — Stickstoffschneiden ist merklich teurer als Sauerstoffschneiden. Dafür ist die Kante blank, korrosionsfest und ohne Zwischenschritt weiterverarbeitbar.

Druckluft ist bei dünnen Blechen eine kostengünstige Alternative. Sie besteht zu rund 78 % aus Stickstoff und zu 21 % aus Sauerstoff und erzeugt eine leicht oxidierte, meist gräuliche Kante. Voraussetzung ist eine sorgfältig getrocknete und ölfreie Druckluftaufbereitung.

Die Wärmeeinflusszone (WEZ) ist der Bereich neben der Schnittfuge, in dem das Gefüge durch den Wärmeeintrag verändert wurde, ohne dass der Werkstoff geschmolzen ist. Sie kann härter, spröder oder — bei kaltverfestigten Werkstoffen — weicher sein als das Grundmaterial. Beim Laserschneiden liegt sie je nach Materialstärke, Leistung und Vorschub typischerweise zwischen 0,05 und 0,5 mm. Zum Vergleich: Beim Plasmaschneiden sind 0,5 bis 2 mm üblich, beim autogenen Brennschneiden 1 bis 5 mm. Für die meisten Konstruktionen ist die Laser-WEZ unkritisch; relevant wird sie bei gehärteten Werkstoffen, bei nachfolgender Umformung direkt an der Schnittkante und bei Bauteilen unter hoher Dauerschwingbelastung.

Die Qualität der Schnittfläche wird nach DIN EN ISO 9013 bewertet. Die Norm beschreibt thermisch geschnittene Flächen über vier Kenngrößen:

In der Praxis heißt das: Dünne Bleche liefern nahezu senkrechte, glatte Kanten. Mit steigender Materialstärke nehmen Riefentiefe und Kantenneigung zu, weil der Strahl über eine längere Strecke wirkt. Ein weiterer Punkt, der in Zeichnungen oft übersehen wird, ist die Einstechstelle: Vor jedem Innenschnitt muss der Laser das Blech durchstechen. Diese Stelle ist etwas gröber als der übrige Schnitt. Bei sichtbaren Konturen lohnt es sich, die Lage der Einstechpunkte mit dem Fertiger abzustimmen.

Laserschneiden ist kein Universalverfahren. Es ist stark bei mittleren Stärken, hoher Konturkomplexität und engen Toleranzen — und unterlegen, sobald sehr große Materialstärken, wärmeempfindliche Werkstoffe oder sehr hohe Stückzahlen einfacher Geometrien ins Spiel kommen.

Plasmaschneiden erzeugt einen elektrisch leitenden, stark erhitzten Gasstrahl. Es ist bei Stahl jenseits von etwa 25 mm schneller und günstiger als der Laser, liefert aber eine breitere Schnittfuge (etwa 1 bis 4 mm), eine größere Wärmeeinflusszone und deutlich weitere Toleranzen. Für filigrane Konturen und kleine Bohrungen ist es ungeeignet.

Wasserstrahlschneiden arbeitet mit Wasser von etwa 3.000 bis 6.000 bar, dem beim Abrasivschneiden ein Strahlmittel zugesetzt wird. Es trägt den Werkstoff mechanisch ab und erzeugt deshalb keine Wärmeeinflusszone. Damit lassen sich gehärtete Stähle, Verbundwerkstoffe, Glas und Stein trennen sowie Materialstärken weit über 100 mm. Der Prozess ist jedoch um ein Vielfaches langsamer, die Fuge verläuft leicht konisch, und die Teile kommen nass aus der Maschine.

Stanzen trennt mechanisch mit Stempel und Matrize. Bei wiederkehrenden Lochbildern in dünnem Blech ist es dem Laser in der Taktzeit überlegen, und es kann umformen: Durchzüge, Sicken, Kiemen und Gewindeansätze entstehen im selben Hub. Dafür braucht jedes Werkzeug seine Anschaffung und seinen Platz, freie Konturen sind nur eingeschränkt möglich, und die Materialstärke ist durch die Presskraft begrenzt.

Wir schneiden in Horn-Bad Meinberg auf drei Trumpf-Lasern: einer TruLaser 3030 mit 5 kW für Bleche bis 1.500 × 3.000 mm und Stahl bis 25 mm, einer TruLaser 1030 fiber als Faserlaser für dünne bis mittlere Stärken und Buntmetalle sowie einer TruLaser Tube 7000 für Rohre und Profile bis 6.000 mm Länge. Welches Schneidgas zum Einsatz kommt, entscheiden wir anhand von Werkstoff, Stärke und dem, was mit dem Teil danach passiert — deshalb ist der Hinweis „wird pulverbeschichtet“ in Ihrer Anfrage keine Nebeninformation.

• Verfahren und Anlagen im Detail
• Welche Stärke auf welcher Anlage