Laserstrahlschneiden. Laserstrahlschneiden von Mikro- und Makrobauteilen. big sizes

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1 von Mikro- und Makrobauteilen big sizes small sizes Folie

2 von Mikro- und Makrobauteilen plastics wood metals Folie 3

3 von hydroumgeformten Bauteilen Hydroumgeformte Bauteile Folie 4

4 Laser Cutting system video beam source = disc laser 5.0 kw handling system = linear driven flatbed cutting machine twin head operation bridge made of carbon fiber laminate Folie 5

5 Schutzgas Dampf Linse 1. Lasersublimierschneiden Folie 6

6 Leistungsbilanz Schnittfuge P HL P c A. P L,ein +P R Bilanzraum um die Bearbeitungszone beim Schneiden Laser A. P L,ein = P c + P V mit: A P L,ein P c P V spektraler Absorptionsgrad eingestrahlte Laserleistung Schneidleistung (Produkt aus Energieinhalt und Massenstrom des aus der Schnittfuge austretenden Werkstoffs) Verlustleitung (Wärmeleitung) Folie 7

7 Der Werkstoff wird im Bereich der Schnittfuge verdampft und entweicht von dort mit hoher Geschwindigkeit. Dampf Laser Düse Laserstrahlsublimierschneiden Vorteile: - Geringe Schmelzfilmdicken Þ glatte Schnittkanten, ohne ausgeprägte Riefenstruktur des Schmelz- oder Brennschneidens - Minimale Wärmeeinflusszone (WEZ) am Rand der Schnittkante und geringe gesamte Wärmebelastung des Werkstücks - Keine Oxidation der Schnittkante Þ Weiterverarbeitung (z.b.: Lackieren oder Schweißen) ohne Nachbehandlung möglich - Trennen von unterschiedlichen Werkstoffen möglich: Holz, Papier, Keramik, Kunststoffe und Metalle Nachteil: - Hohe Intensitäten erforderlich Þ leistungsstarke Laser mit sehr guter Strahlqualität werden benötigt Folie 8

8 Conventional Laser Beam Cutting Laser Beam Sources comparison by beam parameter product BPP BPP = r r 0 0 = r F F r 0 beam waist r F 0 F source: O Neill 004 good BPP allows: smaller spot sizes and hence higher intensities longer depth of focus and thus a more stable process larger working distances Folie 9

9 Laserstrahlkaustik Laser s = z R r(z) r F 1 z z R r F I/I 0 TEM 00 1/e 1/e² v c r F r/r F 63% 86% Folie 10

10 Isophoten des Gauss schen Strahls für unterschiedliche Intensitätsverhältnisse r/r 0 r DR ( z ) rf 1 z z R I0 ln I (1 z ) V z R I 0 /I P = e² I 0 /I P = e 1.5 I 0 /I P = e I 0 /I P = e r(z) z/z R Folie 11

11 Experimentell ermittelte Strahlkaustik I = 10 6 W/cm² mm I = 10 6 W/cm² Fokussierzahl F = f/d m D f r F z R F = 3 Fokussierzahl F = 5 Folie 1

12 Radius [mm] Radius [mm] Radius [mm] Laserstrahl kaustik Tiefe [mm] Schnittfugengeometrie (gemessen) Fokuslage: 1mm Fokuslage: -0.5mm Fokuslage: -1.5mm Ideale Fokuslage ca. 1/3 im Werkstück Folie 13

13 Anpassung der Strahlkaustik an die Werkzeugdicke Schneidgeschwindigkeit v [a.u.] z z R z r 0 r 0B Laserleistung P L = konst. R r d Am Ort z = z R : n = z R / d 0 Strahlradius Laserintensität w 0B 0B 0 r / 0 Folie 14

14 Remote cutting Remote cutting system Video modular setup combinations with various scanner systems and beam sources working envelope 100 x 100 mm² Folie 15

15 Remote cutting systems Video Remote cutting on the fly Materials: non metal Application: air bag cutting References: several industrial customers Folie 16

16 Remote cutting systems Remote cutting on the fly Materials: non metal Application: air bag cutting References: several industrial customers Video Folie 17

17 Schneidgas Düse Schmelze + Dampf Linse. Laserschmelzschneiden Schneidgas z.b. N, Ar, etc. Folie 18

18 Aufschmelzen des Werkstoffs durch den Laserstrahl und Austrieb dieser Schmelze mit einem inerten Gasstrahl (z.b.: N oder Ar). Laser Gasstrahl Düse Schmelzaustrieb Laserstrahlschmelzschneiden Vorteile: - Geringerer Energiebedarf zum Aufschmelzen des Werkstoffs als beim Sublimationsschneiden - höhere Schneidgeschwindigkeiten bei gleicher Laserstrahlintensität - Bei Verwendung eines inerten Schneidgases: keine Oxidation der Schnittkanten - Trennen von unterschiedlichen Werkstoffen möglich: Gläser, Kunststoffe und Metalle Nachteile: - Ausgeprägte Schmelzbaddynamik führt zu charakteristischen Schnittriefen an den Kanten - Wärmebeeinflusste Zone ist in der Regel größer als beim Sublimationsschneiden - Komplexere Prozessauslegung durch den zusätzlich erforderlichen Schneidgasstrom Folie 19

19 Schmelzaustrieb bei unterschiedlichen Schneidparametern Düse Gasstrahl Werkstück Laserstrahl Schneidriefen Schmelzaustrieb Bart-/ Schmelzanhaftung Schneidfront Schmelzzone Folie 0

20 Gase zum Schmelzschneiden Schneidgas : - Stickstoff - Edelgas (Argon) bei reaktionsfreudigen Werkstoffen (z.b. Titan) Um Nahtanhaftungen an der Kantenunterseite zu vermeiden, wird beim Schmelzschneiden mit möglichst hohem Gasdruck (8-10 bar bei 1- mm Blechstärke, bis zu 0 bar bei dickeren Blechen) gearbeitet. Edelstahl 10 mm schmelzgeschnitten Folie 1

21 Conventional Laser Beam Cutting Criteria of Comparison aluminum: thickness 4-1 mm stainless steel: thickness 4-15 mm Folie

22 Cutting kerfs Material: stainless steel sheet thickness 10 mm mm 0,36 mm averaged kerf width: 0,4 mm 10 mm 0,3 mm mm averaged kerf width: 0,7 mm BBP mm*mrad, fiber 50 μm, power 4 kw focus= 190 mm, V C = 1,0 m/min gas: N, P: 18 bar BBP 0,5 mm*mrad, fiber 30 μm, power 5 kw focus= 00 mm, V C = 1,9 m/min gas: N, P: bar Folie 3

23 Fusion Cutting 1 stainless steel cutting speed v [m/min] kW, BPP 0,5 mm*mrad, focus O 45 μm, Rayleighl. 0,57 mm 4kW, BBP,0 mm*mrad, focus O 106 μm, Rayleighl. 1,33 mm cutting gas: N, 1 bar nozzle: diameter,5 mm sheet thickness t [mm] 15 mm Folie 4

24 Strahlausbreitung für CO - und Faserlaser 300 CO -Laser t S arctan r 0 r t S Strahlausbreitung [m] z z r zr0 1 r0 1 zr w r F = 100 m r F = 10 m Faserlaser r F = 30 m Entfernung von der Strahltaille [mm] Folie 5

25 Strahlausbreitung für CO - und Faserlaser 300 Blech CO -Laser t S arctan r 0 r t S Strahlausbreitung [m] z z r zr0 1 r0 1 zr w r F = 100 m Schneidfront r F = 10 m Faserlaser r F = 30 m Entfernung von der Strahltaille [mm] Folie 6

26 Absorptivity A = (A s + A p ) / p 1 1 L C C P L L C 1 n cos k A 1R 1 ncos k ncos k AS 1RS 1 ncos k P P 1 n k Calculated absorption at melting temperature T 1800 K IRON Folie 7

27 Absorptivity A = (A s + A p ) / p 1 1 L C C P L L C 1 n cos k A 1R 1 ncos k P P 1 A 1R 1 ncos k S S n 0.5 ncos k 1 1 k Calculated absorption at melting temperature T 1800 K P P S Z Z IRON IRON Folie 8

28 Max. beam absorption at cutting front Average beam absorption Folie 9

29 Comparison Fiber laser- and CO -Laser- Cutting Cutting kerf of 15 mm thick stainless steel Differences Absorption Focal depth Width of cutting kerf Gas flow inside the cutting kerf fiber laser cut CO laser cut Folie 30

30 Schneidgas (Inertgas) (Sauerstoff) Düse Schmelze + Dampf Linse 3. Laserbrennschneiden Schneidgas O Folie 31

31 Aufschmelzen des Werkstoffs durch den Laserstrahl und die Energiezufuhr aufgrund der exothermen Reaktion der Schmelze mit dem Schneidgasstrahl (O ). Austrieb der Schmelze/ Schlacke durch den Schneidgasstrahl. Laserstrahlbrennschneiden Vorteile: - Trennen von größeren Blechdicken als derzeit beim Schmelz- oder Sublimationsschneiden möglich - Derzeit größte Schneidgeschwindigkeiten beim Trennen dicker Bleche Nachteile: - Oxidation der Schnittkanten - Größere Wärmeeinflusszone als bei den anderen Laserstrahlschneidverfahren - Ausbildung periodischer Riefen durch Überlagerung von Schmelzbaddynamik und Abbrand aufgrund der exothermen Reaktion Folie 3

32 Brennschneiden Video Folie 33

33 Leistungsbilanz Schnittfuge P HL P c A. P L,ein +P R Bilanzraum um die Bearbeitungszone beim Schneiden Laser A. P L,ein + P R = P c + P V mit: A P L,ein P R P c P V spektraler Absorptionsgrad eingestrahlte Laserleistung Reaktionsleistung durch die exotherme Reaktion beim Brennschneiden Schneidleistung (Produkt aus Energieinhalt und Massenstrom des aus der Schnittfuge austretenden Werkstoffs) Verlustleitung (Wärmeleitung) Folie 34

34 Reaktionsenthalpie Die Oxidation des Eisens läuft stufenweise unter Bildung verschiedener Zwischenprodukte ab. Jede dieser Teilreaktionen ist exotherm und setzt Wärme frei. Reihenfolge Verbrennungsformel Reaktionsenthalpie R H Wärme je Gramm Eisen Anteil an der vollständigen Verbrennung kj g kj g 1 Fe + ½ O FeO -3,75 4, FeO + ½ O Fe 3 O 4-1,34 1, Fe 3 O 4 + ½ O 3 Fe O 3-1,6 0,75 10 Im wesentlichen erfolgt nur die primäre Bildung des FeO. [%] Folie 35

35 Ablauf der exothermen Reaktion des Eisens mit dem Sauerstoff Bereitstellung einer Aktivierungsenergie selbsttätig ablaufende Reaktion nach Überschreiten der Zündtemperatur 1 T z bei der Reaktion frei werdende Wärme ist größer als die Wärmeverluste aus der Reaktionszone T z = 148 K (reines Eisen) T z = 1498 K (Stahl) 1 T z ist nur näherungsweise eine Materialkonstante, da der Wert zusätzlich von den Wärmeverlusten aus der Reaktionszone abhängt. Folie 36

36 Leistungsbilanz beim Laserschneiden Die Leistungsbilanz bezogen auf das Volumen des Dampfspaltes ergibt sich damit wie folgt: P L + P ex = P T +P S +P W P = pro Zeiteinheit benötigte Energie Schmelze Volumen vor der Schnittfuge muss erwärmt, geschmolzen und ausgetrieben werden P L = Laserstrahlenergie = Laserstrahlleistung P ex = Leistung aus exothermer Reaktion mit O P T = zum Aufheizen des Volumens vor der Schnittfront auf T s = 0 c P T s r F t S v S P S = zum Schmelzen des Volumens = 0 r F t S v S S P W = durch Wärmeleitung aus dem Volumen pro Zeit abgeführte Energie Folie 37

37 Annahme eines Rechteckgauß als Quelle auf der abgewickelten Schnittfront zweidimensionale Wärmeleitung abgewickelte Schnittfront Schmelze Schnittfront t S r F t S Vorschubrichtung Schnittfuge I t S Rechteckgauß als Oberflächenwärmequelle Folie 38

38 In der Regel kann die Temperatur T (0,0) auf der Schnittfront durch genähert werden. t s T (0,0) P L = r F t S v S S +c P Tf -1 (X) P r L F T v v T s s S 1 c p T f X f (x) rf v S X 8 Für Peclet-Zahlen Pe = (r f v S ) / > 5 liefern die Wärmeleitungsverluste nur noch einen unmerklichen Beitrag Folie 39

39 Vergleich von Schmelzschneiden und Brennschneiden Edelstahl 10 mm schmelzgeschnitten Oxidierte Kante beim Brennschneiden von Edelstahl Folie 40

40 Schneiddüse Strahlkaustik s m ein v c p 0 Laser Schmelze Schlacke m aus M Verdichtungsstoß Schneidfront Schneidgasstrahl v M Schematische Darstellung des Schneidens mit Laserstrahlung Grenzfall niedriger Schneidgeschwindigkeiten - Aufheizung des Werkstoffs auf maximal Verdampfungstemperatur - Austrieb der Schmelze durch den Schneidgasstrahl vor dem Laserstrahl nach unten - Schmelze strömt auf einer steil geneigten Schneidfront nahezu parallel zum Laserund Gasstrahl - minimal möglicher Neigungswinkel der Schneidfront wird durch die Strahlkaustik bestimmt - maximal mögliche Schmelzfilmdicke M,max des austretenden Schmelzstroms ist durch die Wärmeleitung limitiert Folie 41

41 Gasdüsen Die meisten Schneiddüsen bestehen aus einem Druckraum, der nach oben durch die Linse abgedichtet ist und eine auswechselbare Düsenmündung aufweist. Diese wird meistens aus Kupfer hergestellt, da dieses Material die Laserstrahlung gut reflektiert und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Um austretende Gasströmung zu optimieren, kann die Gestaltung der Düsenmündung unterschiedliche Formen aufweisen. In den meisten Maschinen werden jedoch universell verwendbare, preiswerte zylindrische Düsenöffnungen benutzt. Schneidgaszufuhr konisch konvergent Druckraum konisch divergent zylindrische Düsenöffnung lavalförmig Folie 4

42 Düsenjustage Beim Schneiden von Konturen muss der Gasstrahl exakt koaxial ohne Winkelfehler zum Laserstrahl justiert sein. Sonst kann es abhängig von der Schneidrichtung zu Prozessinstabilitäten, ungleichen Kantengeometrien, ungleicher Bartbildung oder zu Schneidaussetzern kommen. Die Justage kann durch Verschieben der Düse oder des Laserstrahles oder Versatz der Fokussierlinse geschehen. Eine optimale Zentrierung ist daran zu erkennen, dass beim Kreisschnitt die Schnittqualität auf dem gesamten Umfang identisch ist. Versatzfehler Winkelfehler Folie 43

43 Laser Beam Cutting Basics of gas flow p 0 T 0 0 v 0 = 0 v Isentropic escape of a gas out of a vessel into the environment p T Folie 44

44 Laser Beam Cutting Escape velocity v v c 0 k 1 1 p p u 0 k 1 k with: c 0 krt p 0 p u 0 sound velocity in resting state resting pressure in the vessel pressure outside of the vessel maximal theoretical escape velocity v max c 0 k c 1 sound velocity c at the exit opening: k 1 c=c 0 v p T 0 Folie 45

45 Laser Beam Cutting MACH number at the exit: Ma= v c p k 1 p u 0 k1 k 1 Critical pressure in the resting volume to achieve sound velocity: p 0,crit = p 0 (Ma = 1) = 1.89 p u Pressures p u p 0 p 0,crit cause a subsonic flow, p u p 0,crit p 0 causes a subsonic flow at the exit Folie 46

46 Überschallströmung konischer Schneidgasdüsen M < 1 M = 1 M < 1 M = 1 M > 1 M > 1 M < 1 Strahlgrenze Expansionswelle Kompressionswelle Verdichtungsstoß Folie 47

47 Schlierenaufbau zur Untersuchung der Schneidgasströmung y x z Gasdüse Filter Lichtquelle Kollimator- Teleskop z 1 z Schlierenobjekt 1 1 n z y z Linse n x, y,zdz Schneide Schirm (Film) Folie 48

48 Einfluss der Düsenaustrittsbohrung zylindrisch zylindrisch, angefast Lavalförmig Ruhedruck: 0.7 MPa, Schneidgas: Stickstoff Quelle: ILT Aachen Folie 49

49 Charakteristischer Verlauf der Schneidgasströmung Düse Düse Schnittflanken 1 Zuströmgebiet mit Machscher Scheibe Einströmgebiet mit X-Stoß 3 Überexpansion und Reflexion der Verdichtungsstöße 4 Grenzschichtablösung und Kompression der Außenströmung 5 Ausströmgebiet 1 Zuströmgebiet mit Machscher Scheibe Einströmgebiet mit schiefem Verdichtungsstoß 3 Überexpansion mit auf die Schnittfront zulaufendem schiefem Verdichtungsstoß 4 Grenzschichtablösung und Kompression der Außenströmung 5 Ausströmgebiet Folie 50

50 Schlierendiagnose bei Schnittspalten 0.4 MPa 0.8 MPa 1.4 MPa Düsendurchmesser: 1.5 mm Gas: Stickstoff Düsentyp: konisch mit zylindrischem Ausgang Schnittspalt: 0.5 mm x 6 mm Folie 51 Quelle: ILT Aachen

51 Schlierenbildung bei Schnittspalten Video Folie 5

52 Einfluss der Schnittfrontkontur Düse Düse Düse Quelle: ILT Aachen Folie 53

53 Schmelzaustrieb bei unterschiedlichen Schneidparametern Düse Gasstrahl Werkstück Laserstrahl Schneidriefen Schmelzaustrieb Bart-/ Schmelzanhaftung Schneidfront Schmelzzone Folie 54

54 Wie wird die Schnittqualität beurteilt? In der DIN EN ISO 9013:000 werden Begriffsdefinitionen, Kriterien zur Ermittlung der Qualität von Schnittflächen, beschrieben. Sie gilt z.b. bei Laserstrahlschnitten für Materialdicken von 0,5 mm bis 40 mm. Laserstrahl s Kenngrößen und Kriterien zur Bewertung der Qualität eines Laserschnittes s M s B V u b c r r R z Quelle: Trumpf Folie 55

55 Kriterien für die Beurteilung der Schneidergebnisse: Gratbildung (Bartbildung oder Schmelztropfen) Schnittspalt Kolkungen Rillennachlauf n gemittelte Rautiefe R Z Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz Folie 56 Quelle: Trumpf

56 Gratbildung Perlengrat : Perlen- oder tropfenartiger Grat mit metallisch blanker Oberfläche; stark anhaftender Grat Bei Gratbildung handelt es sich um einen stark anhaftenden, ohne Nachbehandlung nicht entfernbaren Grat oder um eine anhaftende, ohne Nachbehandlung nicht entfernbare Schlacke Das Ausmaß des Grates ist unter anderem von der Fokuslage abhängig. Folie 57 Baustahl Blechdicke 15 mm Fokuslage +5 Krümmelgrat : Anhaften von Schmelze als feiner, krümeliger Grat, leichter zu entfernen als der Scharfe Grat Baustahl Blechdicke 15 mm Fokuslage -1 Scharfer Grat : Bartartiger, grob und scharfkantiger Grat; zum Teil stark anhaftend. Die Unterseite der Schnittfläche ist aufgeraut. Edelstahl Blechdicke 8 mm Fokuslage -4 Quelle: Trumpf

57 Kolkungen Kolkungen sind Auswaschungen unregelmäßiger Breite, Tiefe und Form, die eine sonst gleichmäßige Schnittfläche unterbrechen Bei der Schnittqualitätsbeurteilung werden vorhandene Kolkungen in ihrer Ausprägung visuell beurteilt. 3 1 Schneidstrahlrichtung Werkstück 3 Kolkungen 4 Schneidrichtung Folie 58 Quelle: Trumpf

58 Rillennachlauf Beim Laserschneiden erhält die Schnittkante ein typisches Rillenmuster. Bei einer geringen Schneidgeschwindigkeit verlaufen diese Rillen nahezu parallel zum Laserstrahl. Je größer die Geschwindigkeit ist, umso stärker knicken die Rillen entgegen der Schneidrichtung um. Als Rillennachlauf n bezeichnet man den größten Abstand zwischen zwei Schnittrillen in Schneid-richtung. 1 Folie 59 Rillentiefe 3 n 5 1 Bezugslinie Werkstück 3 Rillenbreite 4 Schneidrichtung 5 Schnittrille n Rillennachlauf 4 Quelle: Trumpf

59 Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz Die Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz ist der Abstand zweier paralleler Geraden, zwischen denen das Schnittflächenprofil unter dem theoretisch richtigen Winkel, bei Senkrechtschnitten also unter 90, liegen muss. Senkrechtschnitt: Fasenschnitt: u u u In der Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz ist sowohl die Geradheits- als auch die Ebenheitsabweichung enthalten. u Rechtwinkligkeitstoleranz Folie 60 Quelle: Trumpf

60 Schneidkopf einer Laserschneidmaschine Über die Schneiddüse werden der Strahl und das Schneidgas zur Bearbeitung auf das Werkstück gebracht. Zink-Selenid-Linse Druckluft Düsenkühlung Schneidgaszufuhr (Sauerstoff, Stickstoff) Schneiddüse Folie 61 Quelle: Trumpf