Die Unterstützungsgastechnologie für das Faserlaserschneiden entwickelt sich weiter

Hersteller haben jetzt mehr Optionen als Hilfsgase für das Laserschneiden als je zuvor. Und mit zunehmender Faserlaserleistung steigen auch die Möglichkeiten des Hilfsgases. Getty Images

Die letzten Jahre waren für das Laserschneidhilfsgas eine Übergangsphase. Konventionelle Erkenntnisse werden in Frage gestellt, und aus diesem Grund stehen dem Markt heute tatsächlich mehr Optionen zur Verfügung als je zuvor. Stickstoff und Sauerstoff in großen Mengen und in Flaschen sind immer noch beliebt, aber auch andere Optionen rücken schnell in den Fokus. Dazu gehört die Verwendung einer Mischung aus Sauerstoff, Stickstofferzeugung sowie Trockenluftsystemen.

Laut Steve Albrecht, Präsident von Liberty Systems mit Sitz in Hartland, Wisconsin, hat sich der Einsatz von Hilfsgasen in der Branche in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt, ein Trend, der sich aus den Verkaufszahlen des Unternehmens ergibt. Liberty, vor allem für seine Stickstofferzeugungssysteme bekannt, verkauft jetzt mehr Hochleistungsluftsysteme.

„Von den Systemen, die wir dieses Jahr verkauft haben, sind zwischen 20 und 30 % Systeme zur Stickstofferzeugung“, sagte er und fügte hinzu, dass weitere 10 % aus Stickstoff-Sauerstoff-Mischsystemen bestehen. „Der Rest ist fast ausschließlich Hochleistungsluft.“

Die herkömmlichen Hilfsgasoptionen wie Stickstoff in großen Mengen sind wirkungslos. Dennoch sagte Albrecht, es würde ihn nicht überraschen, dass Hochleistungsluft mit dem Aufkommen von Faserlasern und insbesondere der Laserleistung irgendwann, wenn nicht sogar zur beliebtesten, so doch zumindest zu einer wichtigen Form des Laserschneidhilfsgases werden könnte die Industrie nutzt.

Wie genau? Zunächst hilft es, einige Begriffe zu definieren. Wenn Sie mit Albrecht über das Schneiden mit Hochleistungsluft sprechen, nennen Sie es nicht „Werkstattluft“.

„Wenn Sie von normaler Werkstattluft sprechen, sprechen Sie von relativ feuchter Luft, die Sie möglicherweise für Materialien mit einer Dicke von bis zu 1/8 Zoll verwenden können“, sagte er. „Aber wenn man es dicker schneidet, sieht es nicht schön aus.“

Heutzutage verwenden Laser eine von etwa drei Arten von Hilfsgasen, die aus der Umgebungsluft stammen und alle auf Reinheit gefiltert sind (Minimierung von Partikeln), aber jeweils einen anderen Trockenheitsgrad aufweisen. Eine davon ist trockene Kälteluft, die Albrecht als „nass“ betrachtet. Dies kann bei dünnem Material gut funktionieren, abhängig von den Kantenanforderungen eines Auftrags, kann jedoch bei dickerem Material zu Herausforderungen führen. Die mittlere Ebene besteht aus Trockenluftsystemen, die Trockenmittel verwenden.

„Dann kommt man zu den extrem trockenen Hochleistungsluftsystemen“, sagte Albrecht. „Das ist sehr trockene Luft und sorgt in vielen Fällen für die nötige Leistung und Geschwindigkeit.“

In den Tagen, als CO2-Laser vorherrschten, wurde das Schneiden mit Stickstoffunterstützungsgas zur Norm für Präzisionsarbeiten, die eine glänzende Kante erforderten, während das Sauerstoffschneiden bei dickem Kohlenstoffstahl seinen Platz einnahm, der von der exothermen Reaktion des Sauerstoffs profitierte, die den Schnitt stimulierte.

Zu Beginn der 2000er-Jahre plädierten viele für die Vorteile getrockneter Werkstattluft, vor allem für dünnes Material, doch für dicke, kantenkritische Arbeiten, bei denen das Stickstoffschneiden weiterhin vorherrschend war, wurde sie immer noch nicht empfohlen. Zur gleichen Zeit tauchten in der Fab-Shop erstmals Stickstoffgeneratoren auf, doch diese waren nicht weit verbreitet – und das aus gutem Grund.

„In den frühen 2000er-Jahren nutzten diejenigen, die die frühen Systeme zur Stickstofferzeugung einführten, Systeme, deren Grundkonstruktion bis in die 1970er-Jahre zurückreichte“, sagte Albrecht. „Auch die Kompressoren waren nicht besonders ausgefeilt.“

Zwischen 2005 und 2008 kamen die ersten höherwertigen Systeme zur Stickstofferzeugung auf den Markt, sowohl Membran- als auch Druckwechselabsorptionssysteme (PSA). Ende der 2000er Jahre kam natürlich auch der Faserlaser auf den Markt und damit auch der Bedarf an einem höheren Unterstützungsgasdruck. Schon früh war der Stickstoffverbrauch des Faserlasers für einige ein böses Erwachen. Dies wiederum gab der Stickstofferzeugung Auftrieb, eine Technologie, die zunehmend von immer mehr Lasermaschinen-OEMs akzeptiert wird.

Doch wie Albrecht erklärte, ist der Einsatz von Hilfsgasen zwar gestiegen, aber nicht in die Höhe geschossen, da der Faserlaser die Branche übernommen hat. Die Geschichte ist etwas nuancierter.

Bei den meisten frühen Faserlasermaschinen verwendeten die Bediener dieselben geraden Düsen – mit Lochdurchmessern von 2, 2,5, 3 oder 4 mm – wie bei ihren CO2-Laserschneidmaschinen. „Mit diesen Düsen verbrauchten die Maschinen viel mehr Hilfsgas, weil der erforderliche Druck viel höher war als bei CO2-Lasern“, erklärt Albrecht. „Es ist einfache Physik. Wenn man ein Loch einer bestimmten Größe hat und den Druck erhöht, hat man einen höheren Gasfluss und einen höheren Gasverbrauch.“

Um dem entgegenzuwirken, hat die Branche Innovationen in der Düsentechnologie eingeführt. Düsengeometrien verändern die Gasdynamik, sodass eine kleinere Öffnung eine breitere Schnittfuge und einen sauberen Schnitt erzeugen kann. Einige Düsen geben beispielsweise einen 2 mm dicken Gasstrahl ab, der von einem Strömungsvorhang umgeben ist. „‚Vorhang‘ ist nicht der beste Begriff, um es zu beschreiben“, sagte Albrecht. „Unabhängig davon ist der Effekt, dass eine 2-mm-Düse die gleiche Schnittfuge erzeugen kann wie eine 4-mm-Düse.“ Die Düse erzeugt den notwendigen Druckanstieg, ohne den Gasdurchfluss wesentlich zu erhöhen, wodurch Einsparungen beim Hilfsgasverbrauch erzielt werden. Andere Düsen „küssen“ die Materialoberfläche, um die Menge des Hilfsgases zu reduzieren, das vor dem Eintritt in die Schnittfuge entweicht.

„Andere Hersteller von Lasermaschinen haben die Laserparameter verfeinert, um den erforderlichen Druck zu reduzieren“, sagte er. „Und wenn Sie den Druck reduzieren, können Sie die Durchflussrate verringern.“

Schließlich beginnt sich die kontinuierliche Steigerung der Faserlaserleistung auch auf den Hilfsgasverbrauch auszuwirken. „Die Unterstützungsgasdrücke konnten reduziert werden, da die Laser leistungsfähiger wurden“, sagte Albrecht.

In den letzten Jahren hat Liberty seine Stickstoff-Sauerstoff-Mischgassysteme weiterentwickelt und verfeinert, die sich bei kritischen und anspruchsvollen Schneidanwendungen, insbesondere bei Aluminium, weiterhin großer Beliebtheit erfreuen. „In diesen Systemen verfügt man typischerweise über einen großen Stickstoffvorrat in Kombination mit einer Reihe von Sauerstoffflaschen“, erklärte Albrecht. „Beim Schneiden von Aluminium hilft der Sauerstoffgehalt. Tatsächlich ist es dem Hochleistungs-Luftschneiden sehr ähnlich.“

Das ist kein Zufall. Bei der Entwicklung ihrer Mischgassysteme reduzierten die Techniker von Liberty Systems die Stickstoffmenge in der Mischung immer weiter, bis sie schließlich der Mischung in der Luft, die wir atmen, sehr ähnlich war. Wenn diese Luft gefiltert, von Partikeln gereinigt und bis zum Äußersten getrocknet werden könnte, könnte das Luftschneiden dann auch bei kantenkritischen Anwendungen funktionieren, selbst bei dickerem Material?

Wie sich herausstellte, ja. Das Hochleistungsluftsystem des Unternehmens verfügt über eine Dehydrierungseinheit, die laut Albrecht „einem Trockenmittel ähnelt, aber ein wenig anders ist“.

Die ersten Hochleistungsluftsysteme wurden in 6-kW-Faserlasern eingebaut. Diese Systeme schneiden mit Luft alles von 0,25 Zoll und weniger. Mit zunehmender Leistung wuchsen jedoch auch die Möglichkeiten zum Schneiden mit Luft. „Als die 8-kW-Systeme auf den Markt kamen, galt als Faustregel 5/16-Zoll-Material“, sagte Albrecht. „Für 10-kW-Systeme hat sich diese Regel nun auf 3/8 Zoll bis ½ Zoll geändert. Wenn die Faserlaserleistungen weiter zunehmen, werden mit Hochleistungsluft immer mehr Dicken geschnitten.“

Er fügte hinzu, dass diese Dicken nur Faustregeln seien; Die Wirksamkeit des Luftschneidens hängt vom Materialmix ab, den eine Werkstatt verarbeitet, von den Lasern, die sie auf dem Boden hat, von den Schneidparametern, die die Werkstatt verwendet, und von der Kantenqualität, die die Kunden benötigen.

Unabhängig davon sagte Albrecht, dass sich der Marktanteil des Hilfsgases in den kommenden Jahren verschieben könnte. Das Sauerstoffschneiden beruht auf dieser exothermen Reaktion und kann daher nur begrenzt schnell erfolgen. Vor einem Jahrzehnt war dies kein Problem, wenn man bedenkt, wie der Faserlaser beim Schneiden dicker Bleche kroch. Aber wenn die Faserlaserleistungen 12, 15, sogar 20 kW und mehr erreichen, ändert sich die Geschichte.

„Sauerstoff ist recht günstig, aber Hochleistungs-Luftschneiden ist auf dem Vormarsch“, sagte Albrecht. „Bei vielen Anwendungen könnte Luft das Sauerstoffschneiden ersetzen.“

Er fügte hinzu, dass das Sauerstoffschneiden nicht den gleichen Weg gehen wird wie das herkömmliche Stickstoffschneiden. Es ist schwer, sich einen effektiven Laserschneidvorgang vorzustellen, bei dem 1,25 Zoll dicker Kohlenstoffstahl von einem Laserstrahl geschnitten wird, der nicht von gereinigtem Sauerstoff, sondern von einem Luftstrahl umgeben ist.

Das heißt, sag niemals nie. „Ich habe 1 Zoll dicken Edelstahl gesehen, der mit Hochleistungsluft geschnitten wurde“, sagte Albrecht. „Die Kante sah nicht schön aus, aber es war trotzdem fertig.“