Fiber Lasersnijder verkoop & Service

Alles wat je moet weten over snijden van metalen met hoogvermogen lasers

Lasersnijden van metalen biedt heel wat voordelen tegenover de meer traditionele snijtechnieken. De snijsnelheid is hoger, de snedebreedte kleiner en een lasersnijmachine is over het algemeen nauwkeuriger. Ook is de door warmte beïnvloede zone veel kleiner wat interne spanningen of veranderingen van het materiaal beperkt.

In dit artikel gaan we het hebben over de verschillende aspecten die een rol spelen bij het bewerken van metalen met een lasersnijmachine. (snijden, lassen, oppervlaktebewerken, enz…). We willen je wat inzicht geven in de praktische aspecten van het snijden met een hoogvermogen laser.

Inleiding

Lasersnijden gaat een laserbundel focusseren op het te snijden materiaal. Hierdoor gaat het materiaal lokaal smelten en/of verdampen. Het proces wordt vaak ondersteund door een snijgas dat in de snede wordt geblazen. Hierdoor wordt het gesmolten materiaal uit de snede gedreven. In sommige toepassingen gebruikt men een reactief gas, zodat het ook de verdamping/smelting van het materiaal bevorderd.

Het principe van lasersnijden. De laserbundel dient bij voorkeur loodrecht op het productoppervlak in te vallen
Het principe van lasersnijden. De laserbundel
dient bij voorkeur loodrecht op het productoppervlak
in te vallen

De laserbundel dient bij voorkeur loodrecht op het productoppervlakken te vallen. De laser en gasstraal bewegen tegenover het product dit resulteert in een nagenoeg rechte (haakse) snede. De snijkant vertoont een zekere ruwheid met een rillenpatroon (striations) en zal toenemen richting de onderzijde van de snede en verloopt bij hogere snelheden en dikkere materialen meer verloop. Indien het snijproces goed wordt uitgevoerd met de juiste instellingen horende bij het materiaal, blijft de ruwheid beperkt tot enkele tientallen micrometers (Rz).

Snijkant met het voor lasersnijden typerende rillenpatroon (striations). Het product is zuurstofgesneden met snijsnelheid 0,4-0,5 m/min.
Snijkant met het voor lasersnijden typerende
rillenpatroon (striations). Het product is zuurstofgesneden
met snijsnelheid 0,4-0,5 m/min.

 

Lasersnijden heeft tegenover meer conventionele snijtechnieken een hoge snijsnelheid (circa 15m/min in sommige gevallen). Daarnaast is de snedekwaliteit over het algemeen beter en hoeft er geen nabewerking gedaan te worden. Braamvorming aan de onderzijde van de snede is namelijk zeer klein of onbestaande.

Daarnaast is lasersnijden ook nauwkeuriger vergeleken met andere thermische snijtechnieken zoals elektronenbundel-, autogeen- en plasmasnijden. Het heeft een kleinere snedebreedte, zijn scherpe hoeken mogelijk in de vormen die gesneden worden en is de invloed op het materiaal van de geproduceerde wamte zeer klein en lokaal.

Tegenover mechanische scheidingstechnieken, zoals knippen, ponsen en nibbelen is het veel flexibeler en kan het vormen snijden die anders onmogelijk waren (zowel in 2D als 3D producten). Alleen waterstraalsnijden komt in de buurt van de flexibileit van een laser machine.

Het grootste nadeel is echter de beperkte diktes dat een laser kan snijden (staal tot ca. 20mm). Grotere diktes zijn mogelijk maar boeten in aan kwaliteit en zijn economisch niet voordelig. Daarnaast is een lasersnijmachine een relatief hoge investering, al kan die in de meeste gevallen snel terugverdiend worden wegens de hogere snijsnelheden.

Laserbronnen voor lasersnijden

Opbouw van een laserbron

LASER staat voor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Concreet gezien gaat het over een versterking van licht door een gestimuleerde emissie van straling. Elke laserbron waarin laserstraling wordt opgewekt bestaat uit:

  • Een trilholte (of resonator). Dit is een ruimte die opgebouwd is uit reflecterende materialen (spiegels). Daartussen bevindt zich een actief medium (CO2-gas bij een CO2-laser en een kristal bij een Nd:YAG- en fiberlaser)
  • Een energiebron, die instaat voor de productie van toegevoegde energie. Bij de CO2-laser gebeurd dit door een elektrische ontlading in een CO2-gas. Bij de Nd:YAG-laser door middel van flitslampen of diodes. Bij de fiberlaser wordt uitsluitend gewerkt met diodes.
Principeopbouw van een laserbron
Principeopbouw van een laserbron

 

Deze toegevoegde energie wordt vervolgens in de trilholte veranderd in laserlicht. De laserbundel waarmee we materialen bewerken is het licht dat door een klein deel van de uitkoppelspiegel wordt doorgelaten. Dit licht heeft slechts één golflengte (of kleur). Deze golflengte is bepalend voor de mate dat dit gaat opgenomen worden door het te snijden materiaal. Elk materiaal heeft zo zijn optische eigenschappen. De keuze van jou type laserbron, of anders gesteld, de keuze van de geleverde golflengte, hangt dus nauw samen met de absorptie ervan in het gekozen werkstuk.

De toevoer van laserenergie aan het te bewerken materiaal kan gepulseerd of continue plaatsvinden. CW-lasers (continuous wave) lasers leveren continue energie. Bij een pulserende toevoer spreken we van gepluste lasers.

Overzicht eigenschappen laserbronnen die geschikt zijn voor lasersnijden
Overzicht eigenschappen laserbronnen die
geschikt zijn voor lasersnijden

 

CO2-lasers hebben een hoog beschikbaar vermogen en worden gebruikt voor het snijden van dikkere metalen producten. De bundelkwalitet van een Nd:YAG laser die werkt met een diode is beter dan een Nd:YAG laser die werkt met flitslampen. Daat maakt een diode Nd:YAG laser geschikter voor lasersnijden. Daarnaast hebben diodes een veel langere levensduur dan lampen, maar ze zijn wel duurder. (levensduur diodes: 10 000 uur, levensduur lampen: 1000 uur).

Eigenschappen van laserstraling en laserbundels

Een laserbron is in feite een hoge energie lichtbron. Niets speciaals zou je denken, maar een laser heeft heel wat eigenschappen die anders zijn dan een normale lichtbron. Van deze eigenschappen maakt een lasersnijmachine gebruik tijdens het snijden. Vooral de geringe bundeldivergentie en de hoge vermogensdichtheid zijn belangrijk voor het snijproces.

Vermogensdichtheid

De vermogensdichtheid (I) kan berekend worden met de volgende formule:

I = P/O = 4P/π d² [W/m2 ]

Het is het laservermogen (P) per oppverlakte (O) van de bundeldoorsnede. De oppervlakte wordt berekend met de diameter (d) van de laserbundel.

Vermogensdichtheden tot 1020 W/m2 kunnen worden bereikt met een lasersnijmachine. Dit geeft laseren een hoge vermogensdichtheid waardoor zeer hoge snijsnelheden bereikt kunnen worden. De snedebreedte (+/- 0.2 mm) is een ander voordeel die de nauwkeurigheid zeer hoog maakt. Het zorgt er ook voor dat de er maar een geringe zone wordt beïnvloed door de geproduceerde warmte.

Geringe bundeldivergentie

Geen enkele lichtbundel is perfect evenwijdig en dat is voor een laserbundel niet anders. De diameter van de laserbundel wordt groter naargelang de afstand.

 

Verloop van de bundeldiameter d langs de z-as (optische as), voor een laserbundel met een gaussische energieverdeling
Verloop van de bundeldiameter d langs de z-as
(optische as), voor een laserbundel met een
gaussische energieverdeling

Vlak bij de bron spreken we van een kleine insnoering die waist (taille) genoemd wordt (do [m]). Daarna neemt de bundeldiameter gestaag toe met een bepaalde divergentie hoek (θ(z) [rad]). Deze divergentiehoek is afhankelijk van de golflengte van het laserlicht en van de waist diameter. Op grote afstand van de waist bereikt de divergentie hoek een asymptotische waarde θ0 [rad].

De divergentie van een laserbron is extreem klein in vergelijking met normale lichtbronnen. Laserenergie kan dus over grote afstanden getransporteerd worden zonder dat de vermogensdichtheid sterk afneemt.Ook zorgt dit ervoor dat de bundel zeer goed gefocussed kan worden wat leidt tot een zeer kleine snedebreedte.

Intensiteitsverdeling

Een laserstraal heeft een bepaald oppervlakte. Je zou denken dat over dat oppervlakte de geleverde energie overal gelijk is. Dit is echter niet het geval.

De enerergieverdeling of intensiteitsverdeling over de doorsnede van de laserbundel is vooral afhankelijk van de gebruikte techniek, de constructie van de resonator en voor welke optische elementen er gekozen wordt om de laserbundel te transporteren.

Twee voorkomende energieverdelingen (intensiteitsverdelingen) van laserbundels, voor het lasersnijden. a): Gaussisch I0=8P/(π.d2); b): Top hat I=4P/(π.d2)
Twee voorkomende energieverdelingen (intensiteitsverdelingen)
van laserbundels, voor het
lasersnijden. a): Gaussisch I0=8P/(π.d2);
b): Top hat I=4P/(π.d2)

Bij CO2-lasers zien we vaak een gaussiche intensiteitsverdeling. De piekintensiteit zit dus in het centrum van de laserbundel. Wordt de energie door een glasvezel getransporteerd (zoals bij een Nd:YAG-laser) zien we echter een ander patroon, genaamd de top hat (hoge hoed) intensiteitsverdeling.

Om de intensiteitsverdeling van een laser te bepalen, moet je de laser laten inbranden op een perspex gedurende een korte zijn met laag vermogen (bvb 0.1 seconden aan 100W). Hierdoor wordt er niet door het materiaal gesneden maar snijd je een klein putje erin. Waar de energie hoger was ben je uiteraard dieper geraakt. De intensiteitsverdeling heeft een grote invloed op de snedekwaliteit.

Een ‘inbranding’ van een CO2-laser in perspex maakt diens energieverdeling zichtbaar
Een ‘inbranding’ van een CO2-laser in perspex
maakt diens energieverdeling zichtbaar

Bundelkwaliteit

Elke laserbundel heeft een kwaliteitsgetal M².

M²= π/4λ d0 θ0

d0 = kleinste insoering van de bundel

θ0 = de asymptotische waarde van de divergentiehoek

M² is meestal groter als 1 bij de verschillende mogelijke intensiteitsverdelingen. Bij een gaussische intensiteitsverdeling is M²=1. Een bundelkwaliteit van ongeveer 1 is zeer gunstig voor lasersnijden. Dit betekent namelijk dat de laserbundel op een zeer klein plekje gefocusseerd kan worden en daardoor zijn hoge snijsnelheden en een kleine snijbreedte mogelijk. Hierdoor is de aangeleverde warmte ook lager en dus ook de effecten daarvan op het materiaal. Ook de afstand tussen lens/spiegel en het product kan groot zijn. Dat maakt het veilig voor de optiek van de lasersnijmachine (spatten) en verhoogt de bereikbaarheid van het product.

Absorptie van laserstraling

Lasersnijden gebeurd door het verdampen/smelten van materiaal. Hoe meer laserenergie je dus in het materiaal kan krijgen, hoe meer warmte er gegenereerd wordt, hoe makkelijker er gesneden wordt. Bij metalen gebeurd de omzetting van energie naar warmte in een zeer dunne oppervlaktelaag (ca 300 mm dik).

Het percentage van de op het oppervlak vallende energie die wordt geabsorbeerd wordt de absorptiecoëfficiënt A [%] genoemd. De energie die niet wordt opgenomen wordt gereflecteerd. De absorptiecoëfficiënt van een materiaal hangt af van de optische eigenschappen.

Absorptiecoëfficiënt A [%] als functie van de golflengte van laserstraling van aluminium (Al), goud (Ag), koper (Cu), glas en ijzer (Fe)
Absorptiecoëfficiënt A [%] als functie van de
golflengte van laserstraling van aluminium (Al),
goud (Ag), koper (Cu), glas en ijzer (Fe)
Hoe meer energie er geabsorbeerd wordt door een metaal hoe hoger uiteraard de absorptiecoëfficiënt en hoe gemakkelijker het materiaal dan ook bewerkt kan worden. Voor metalen stijgt deze coëffiënt aanzienlijk als de golflengte van het laserlicht toeneemt. De absorptiecoëfficiënt van ijzer is bvb minder dan 20% bij een CO2-laser, maar bij een Nd:YAG – laser is hij bijna 40%.

Naast absorptie door het oppervlak wordt er ook energie opgenomen door de wanden van de snede. Hierdoor kan de absorptie nog sterk toenemen.

Machine-aspecten

De componenten en technologie in je machine bepaald uiteraard ook grotendeels het snijresultaat.

Componenten van een lasersnij-installatie op basis van een gantry (CNC) machine. Een lasersnijinstallatie op basis van een 6-assige industriële robot bestaat uit vergelijkbare onderdelen
Componenten van een lasersnij-installatie op basis
van een gantry (CNC) machine. Een lasersnijinstallatie
op basis van een 6-assige industriële
robot bestaat uit vergelijkbare onderdelen

Bundeltransport d.m.v. spiegels en glasfibers

Eens de de laserbron een laserbundel heeft vervaardigd moet deze natuurlijk via de focusseringsoptiek getransporteerd worden naar de bewerkingsplaats. Bij een CO2-laser gebeurd die via spiegels. Met een schuifspiegel of gedeeltelijk doorlatende spiegel wordt de laserbundel naar de bewerkingsplaats geleid of opgesplitst in verschillende laserbundels zodat hij op verschillende plaatsen gebruikt kan worden.

Deze zpiegels zijn meestal gemaakt van koper en voorzien van een koelingssysteem op basis van water. Ze zorgen wel voor een verlies aan vermogen. Dit kan oplopen tot 4% van het totale vermogen van de laserbundel. Ook de afstand is een factor. Hoe groter de afstand (bvb bij het snijden van grote platen), hoe groter de bundeldiameter wordt. Dit kan echter worden opgelost door een bundelverbreder (of telescoop)

Bundeltransport (en focussering) van laserstraling door middel van spiegels. Het bundelgeleidingssysteem is meestal geheel afgesloten van de omgeving (buizen). Dit voorkomt dat de bundel uit kan treden. Daarnaast voorkomt de afscherming dat gassen en vuildeeltjes het bundelpad kruisen
Bundeltransport (en focussering) van laserstraling
door middel van spiegels. Het bundelgeleidingssysteem
is meestal geheel afgesloten van
de omgeving (buizen). Dit voorkomt dat de bundel
uit kan treden. Daarnaast voorkomt de afscherming
dat gassen en vuildeeltjes het bundelpad
kruisen

Naast het gebruik van spiegels wordt er bij Nd:YAG-lasers ook gebruik gemaakt van glasvezel. Door interne reflecties blijft het laserlicht gevangen in de glasvezel. Dit transport heeft wel invloed op de diameter van de laserbundel. Hoe kleiner de kerndiameter van de vezel, des te kleiner de focus. Een kleinere focus verhoogt de snijsnelheid. Bij een kleinere kerndiameter echter gaat er veel laserlicht verloren bij het inkoppelen.

De straling van Nd:YAG kan door een glasfiber worden getransporteerd van laserbron naar focusseerkop
De straling van Nd:YAG kan door een glasfiber
worden getransporteerd van laserbron naar
focusseerkop

Focussering

Een hoge vermogensdichtheid is nodig om het metaal te snijden. Daarom wordt de laserbundel door behulp van lenzen en spiegels gefocusseerd. Vergelijk het met een vergrootglas en zonlicht. Hoe meer je de energie op een klein punt focusseerd, hoe groter de effecten.

Bij een CO2-laser zijn de lensen meestal gemaakt van zink-selenide. Er ontstaat een vermogensverlies van ongeveer 1% per lens. Dit verlies neemt toe met de levensduur van de lens (circa 3000 uur). ZnSe is niet bestand tegen hogere laservermogens, maar mits koeling kunnen ze gebruikt worden tot maximaal 5kW. Bij hogere vermogens worden daarom spiegels ingezet.

Focussering van de laserbundel m.b.v. een lens. Voor de eenvoud is de ongefocusseerde laserbundel weergegeven als een parallelle bundel zonder divergentie
Focussering van de laserbundel m.b.v. een
lens. Voor de eenvoud is de ongefocusseerde
laserbundel weergegeven als een parallelle
bundel zonder divergentie

Bij Nd:YAG-lasers wordt meer gebruik gemaakt van kwarslenzen met een vermogensverlies van 1% per lens.

Focusdiameter

Een laserspot heeft typisch een diameter van ongeveer 0.1 tot 0.2mm. Hoe kleiner die focusdiameter wordt hoe meer vermogensdichtheid onze laserbundel heeft. Dit verhoogt de snijsnelheid en verkleint de snedebreedte.

Een kleine focusdiameter kan verkregen worden met een kwalitatief hoogstaande laserbrond of met een sterke lens met een kleine brandpuntsafstand. Maar een kleinere brantpuntsafstand beperkt ook de werkafstand. De optiek moet beschermt worden tegen spatten tijdens het snijden. Voor een veilige werkafstand moet je toch op 5 tot 20cm rekenen.

Scherptediepte

De scherptediepte s is gedefinieerd als twee maal die afstand tot het focus waarover de bundeldiameter met een factor √2 groter is dan de diameter df van het focus. Dus op de afstand s/2 van het focus is de energiedichtheid nog maar de helft van die in het focus.

Invloed van de brandpuntsafstand op de scherptediepte
Invloed van de brandpuntsafstand op de
scherptediepte

Hoe groter de scherptediepte hoe rechter (haakser) een snede is. Daarnaast zal rondom het focus, er geen grote toename zijn van de bundeldiameter waardoor de intensiteit niet veel zal afnemen. Hierdoor is de positionering van het werkstuk tegenover de focus een pak minder kritisch.

Door met de optiek voor een lange brandpuntsafstand te gaan, kan je een grote scherptediepte verwezelijken, maar een langere brandpuntsafstand verhoogt dan weer wel de diameter van de focus.

Optiek- en/of werkstukmanipulatie

Aangezien lasersnijden kan gebeuren aan relatief hoge snelheden en een grote nauwkeurigheid heeft, betekend dit dat de manipulatoren zeer accuraat moeten zijn. Op een laserspot nauwkeurig over het materiaal te bewegen, gebruikt men dus best product manipulatoren met stilstaande opties.

Optiek versus werkstukmanipulatie (a) Flying optics, waarin de optiek (laserbundel) wordt bewogen en het product stil staat. Deze opstelling wordt meestal toegepast voor het snijden van grote of zware producten (b) Stilstaande optiek en bewegend product. Deze opstelling wordt meestal toegepast voor het snijden van lichte/kleine producten (c) Hybride manipulator, waarin zowel de optiek, als het product wordt bewogen
Optiek versus werkstukmanipulatie
(a) Flying optics, waarin de optiek (laserbundel)
wordt bewogen en het product stil staat.
Deze opstelling wordt meestal toegepast voor
het snijden van grote of zware producten
(b) Stilstaande optiek en bewegend product.
Deze opstelling wordt meestal toegepast
voor het snijden van lichte/kleine producten
(c) Hybride manipulator, waarin zowel de
optiek, als het product wordt bewogen

Afhankelijk van de producten die bewerkt moeten worden kies je dus best voor een 1D systeem (buizen, voor een 2D of 2½D systeem (plaatmateriaal) of een 3D systeem (drie-dimensionale producten). Hoe meer assen het systeem bezig, hoe minder nauwkeurig en duurder het systeem wordt.

Voor 3D producten te snijden gebruikt men relatief nauwkeurige CNC- en gantry-manipulatoren gebruiken. Daarnaast zijn er ook robots beschikbaar. Met een glasfiber vormt een robot een zeer flexibel productiemiddel.

Contoursnijden & off line programmeren

Een constante snelheid over het product is belangrijk voor een constante snedekwaliteit te leveren. Bij versnellingen of vertragingen van de laserspot ontstaan afwijkingen van de snijcontour. Het gevolg is daarnaast een overmatige warmteinbreng. Vooral bij scherpe contouren treedt dit probleem op.

Om de nauwkeurigheid van de manipulator te verhogen is het belangrijk om de snijsnelheid te verlagen ter plaatse van scherpe contouren. Tegelijkertijd wordt het laservermogen verlaagt of overgegaan op gepulst snijden om dezelfde snijkwaliteit te bewaren.

Effect van snelheidsvariaties (t.g.v. de manipulator) op de snedekwaliteit (a). Betere snijresultaten (b) kunnen worden bereikt door het cw-laservermogen te reduceren of te pulseren, bij gelijktijdige vermindering van de snijsnelheid
Effect van snelheidsvariaties (t.g.v. de manipulator)
op de snedekwaliteit (a). Betere snijresultaten
(b) kunnen worden bereikt door het
cw-laservermogen te reduceren of te pulseren,
bij gelijktijdige vermindering van de snijsnelheid

Er kan ook een ijlgang geprogrammeert worden om dit soort positioneringsproblemen te vermijden.

Introductie van een lus (ijlgang) in de snijcontour ter vergroting van de snijnauwkeurigheid en vermindering van overmatige warmteinbreng. Deze lus wordt soms een ‘ezelsoor’ genoemd
Introductie van een lus (ijlgang) in de snijcontour
ter vergroting van de snijnauwkeurigheid
en vermindering van overmatige warmteinbreng.
Deze lus wordt soms een ‘ezelsoor’
genoemd

Een overmatige warmte-inbreng kan optreden voor producten waarin vele kleine contouren vlak bij elkaar gesneden moeten worden. Dit kan geminimalisseert worden door de volgorde van de afzonderlijke snijcontouren te programmeren zodat er voldoende tijd is voor afkoeling tussen verschillende sneden.

Er zijn heel wat programmeersoftwarepaketten die hier automatisch rekening mee houden. Een CAD bestand van het product is wel nodig. Ze zijn ook in staat om inloopcontouren en startgaten te voorzien. Ook de ijlgangen en dus de productietijd kunnen hiermee geoptimalisseert worden.

Een off line programmeer software-pakket voor het lasersnijden met een robot
Een off line programmeer software-pakket
voor het lasersnijden met een robot

Snijprincipes

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen drie principes:

  • sublimatiesnijden
  • smelten met een niet reactief gas
  • smelten met een reactief gas

Bij hogere snelheden wordt meestal gebruikt gemaakt van een gas.

Sublimatiesnijden

Bij sublimatiesnijden wordt het gesneden materiaal direct van vaste fase verdampt tot een dampfase. Met een gas wordt het vervolgens uit de snede geblazen. Meestal wordt stikstof gebruikt om oxidatie te vermijden.

De grote voordelen van sublimatiesnijden zijn een lage ruwheid van de snijkant (nauwelijks striations) en een kleine zonde die beïnvloed wordt door de warmte. De nadelen zijn een lagere snijsnelheid in vergelijking met smeltsnijden en een hoge vereiste energiedichtheid.

Sublimatiesnijden is dus voornamelijk voor toepassingen waar de kwaliteitseisen van de snijkant zeer hoog zijn of voor het snijden van niet-metalen, zoals hout, papier, keramiek, en kunststoffen. Daartoe worden voornamelijk CO2-lasers ingezet.

Smelten en uitdrijven met een niet-reactief gas

Bij laser-smeltsnijden gaan we het materiaal smelten en uitdrijven met een niet-reactief gas (meestal stiktof). Door het gebruik van een niet-reactief gas kunnen we een oxide vrije snede garanderen en als de gassnelheid hoog genoeg is, ook een braamvrije snede.

Smeltsnijden is sneller dan sublimatiesnijden. De snelheid is afhankelijk van het materiaal, de dikte en het vermogen. De ruwheid van de snedekant is groter en ook is de zone die beïnvloedt word door de warmteafverdracht vergroot.

Smelten en uitdrijven met een reactief gas

Wanneer we een reactief gas gaan gebruiken spreken we over laser-brandsnijden. De laser verhit het materiaal tot boven de verbrandingstemperatuur. Daarna ontstaat een exotherme reactie met het reactief gas (meestal zuurstof). Dit zorgt voor een verbranding.

Hierdoor onstaat er een veelvoud aan energie dan die de laserbundel zelf inbrengt. De snijsnelheden is daarom twee tot drie keer hoger dan bij snijden met een niet-reactief gas.

De onstane dampen worden meegevoert door de gasstroom, maar een deel van de oxidatieproducten blijven echter achter op de snijkant.

Parameterinvloeden

Er zijn verschillende parameters die het laserrelustaat beïnvloeden. Hieronder bespreken we de belangrijkste.

Laservermogen en snijsnelheid

De snijsnelheid en het vermogen van de laser zijn de voornaamste parameters die de lasersnede bepalen. Er is een verschil tussen cw-snijden (een constant laservermogen) en het pulserend snijden.

Bij cw-snijden is er veel warmteontwikkeling in de snijkanten bij een hoog vermogen en dit zorgt voor een brede zone die beïnvloed word door deze warmtetoename. Bij pulserend snijden is dit minder het geval. Deze zone is echter nog altijd veel kleiner dan bij andere thermische snijmethoden.

Bij pulserend laseren kan men vervolgens ook nog met gewone pulsen of super-pulsen werken. Waneer er super-pulsen gebruikt wordt ontstaan er vermogenspieken die hoger zijn dan het maximale cw-vermogen die de laser machine kan produceren.

Verschillende pulsmodes
Verschillende pulsmodes

Het voordeel van pulserend lasersnijden is dat het materiaal wordt gesmolten, verdampt en uitgedreven net zoals bij cw-laseren. Tijdens de uit-tijd is er echter ruimte om af te koelen. Dit zorgt voor een lagere thermische belasting. De snijsnelheden zijn echter lager.

Super-pulsen hebben zo zijn voordelen bij het boren van startgaten en als er sterk reflecterende materialen gesneden moeten worden. De hoge intensiteit die bij pulsen ontstaat helpt deze processen vooruit.

Focuspositie

Een goeie positionering van de laserbundel is cruciaal voor het maken van een goede snede. Het heeft te maken met de diameter en de focus tegenover het te snijden oppervlak.

” alt=”De focuspositie zf is gedefinieerd als de afstand van de bovenzijde van het product tot aan het focus. Indien het focus onder het productoppervlak gepositioneerd wordt, is zf positief (zf>0). Als het focus boven het productoppervlak wordt gepositioneerd is zf negatief (zf <0)” />

Een slechte focuspositie zorgt voor ronde snijkanten, een grote snijbreedte, braamvorming en een lage snijsnelheid. De snijkanten zijn ook vaak niet evenwijdig. Vooral bij het gebruik van lensen met een korte brandpunsafstand is de focuspositie cruciaal omdat ze een kleinere scherptediepte hebben.

De optimale focuspositie hangt af van het materiaaltype en de dikte van het werkstuk. Ze zorgt voor de kleinst mogelijke snedebreedte. Voor het snijden met stikstof is de optimale positie daarnaast aan de onderzijde van het materiaal.

De machine leverancier levert meestal tabellen die de voor verschillende materiaaldiktes de optimale focuspositie tonen.

Invloed van de focuspositie op de tapsheid van de snede. De snede heeft de vorm van de convergerende c.q. divergerende laserbundel. Links: focuspositie op de onderzijde van de plaat, midden: focuspositie in het midden van de plaat, rechts: focuspositie op het productoppervlak. Naarmate de brandpuntsafstand van de gebruikte lens kleiner is zal dit effect groter zijn
Invloed van de focuspositie op de tapsheid van
de snede. De snede heeft de vorm van de
convergerende c.q. divergerende laserbundel.
Links: focuspositie op de onderzijde van de
plaat, midden: focuspositie in het midden van
de plaat, rechts: focuspositie op het productoppervlak.
Naarmate de brandpuntsafstand
van de gebruikte lens kleiner is zal dit effect
groter zijn

Snijgassen

Meestal wordt er gelasersneden met behulp van een snijgas dat in de snede wordt geblazen. Het drijft het gesmolten of verdampte metaal uit de snede. Wekt etra warmte op en beschermt de optiek tegen spatten. Het kan daarnaast ook gebruikt worden om het materiaal naast de snede te koelen.

Gastype

Welk snijgas het beste is heeft te maken met de materiaalsoort die je wenst te gebruiken. Zuurstof werkt het beste bij staal, maar voor roestvrij staal wordt over het algemeen stikstof gebruikt. Bij stikstof is de snijsnelheid wel beduidend lager, maar kan weer verhoogt worden door middel van een hogere gasdruk.

Snijgassen toegepast voor lasersnijden
Snijgassen toegepast voor lasersnijden

In tegenstelling tot bij staal, waar zuurstof gebruikelijk is, ontstaan er bij RVS en aluminium reactieproducten die aan de onderkant van de sneden hechten. Dit zorgt voor bramen die zich soms moeilijk laten verwijderen.

Titanium legeringen snijden vergt dan weer een andere aanpak. Zowel zuurstof als stikstof zorgen voor een zeer sterke reactie. Daarom gebruikt men voor titanium argon of helium als snijgas. Deze zijn wel beduidend duurder.

Gasdruk en -verbruik

De beste gasdruk is zeer sterk afhankelijk van het gastype, de diameter van de nozzle-opening en de dikte en soort van het materiaal.

Hoe groter de dikte van het werkstuk, hoe lager de snijsnelheid. Hier kan de gasdruk verlaagd worden. Bij dunne producten is het dan weer wel nodig om de gasdruk op te drijven. De snijsnelheid ligt immers veel hoger.

Wordt er gesneden met een niet-reactief gas (argon, stikstof, helium) is er een hoge druk nodig om het gesmolten metaal uit te drijven.

Het gasverbruik hangt af van de gasdruk en de diameter van de nozzle-opening en kan aanzienlijk zijn.

Gasnozzle

Je zou het misschien niet meteen denken, maar de geometrie van de nozzle opening, de afstand van het product en de gasdruk hebben een grote invloed op de snijkwaliteit en snelheid. Dit heeft voornamelijk te maken met de kleine diameter waarover gesneden is. Deze is een pak kleiner dan de opening van de nozzle. Gas valt zowiezo lang niet zo goed te sturen als laserlicht. Het gas zal dan ook maar deels in de snede terechtkomen.

De nozzle opening diameter is vaak twee keer groter dan de snijbreedte. Hoe kleiner de diameter, hoe lager het gasverbruik, maar hoe moeilijker en belangrijker de uitlijning is. Een kleine nozzle is ook gevoeliger aan veranderingen in de gasdruk.

Een grotere nozzle diameter is een pak kwistiger, maar zeer gemakkelijk uit te lijnen en minder gevoelig aan variaties in de gasdruk.

Uitlijning gasnozzle

Wanneer de nozzle ongeveer 0.5mm achterloopt op de laserstraal kan er met een lagere gasdruk gewerkt worden. En dit zorgt uiteraard voor een lager gasverbruik. Een lagere gasdruk zorgt dan weer voor een beteresnijkwaliteit en minder kans op het ontwikkelen van bramen.

Nozzle-plaat afstand

Ook de afstand van de nozzle tot de plaat hebben een impact. De afstand wordt best kleiner gehouden dan de diameter van de nozzle zelf. Zijn de afstanden groter, ontstaan er turbulente wervelingen binnen het snijgas. Dit is een ongewenst proces.

Turbulentie, zeker in combinatie met een kleine snijbreedte, zorgt voor drukfluctuaties. En dat merk je aan je snijvlak. De kwaliteit zal niet overal hetzelfde zijn.

Een hoogtesenszor en regelsysteem is een must om de positie van je nozzle constant te houden.

Startgat

Om een snijde te starten boort men met de laser een stargat. De laserbundel beweegt niet ten opzichte van het materiaal tot een gaatje is gemaakt. Dit startgat kan zowel op de snijcontour als ernaast gemaakt worden.

Je kan een startgat boren met cw-laservermogen. Hierbij wordt een relatief hoog continue laservermogen vereist in combinatie met een gasdruk van ongeveer 4 bar. Vaak neemt ook de afstand van de gasnozzle toe tijdens het boren.

Men kan ook gepulseerd boren met een niet-reactief gas onder lage druk (1 bar). Dit resulteerd in een startgat waarvan de diamter niet groter is dan de gewenste snedebreedte. Zo kan je ook op de snijcontour starten.

De cw-lasermethode is twee tot drie keer sneller, maar heeft een zware thermische belasting op het product. Ook is de diameter veel groter dan de snedebreedte. Je kan dus niet op de snijcontour starten. Het gaat ook gepaard met veel spatten waardoor je nozzle opening vervuilt raakt.

Materiaaleigenschappen

De eigenschappen van het materiaal zijn bij elke bewerking belangrijk. Aluminium, staal, kunstof, papier en hout zijn allemaal te laseren. Maar er is een groot verschil tussen de manier waarop. Hieronder de materiaaleigenschappen die belangrijk zijn:

  • toestand van het productoppervlak
  • absoptiecoëfficient
  • warmtegeleidingscoëfficient en warmtediffusiecoëfficiënt (hoe lager hoe beter)
  • Smelttemperatuur en smeltwarmte (hoe lager hoe beter)
  • Verdampingstemperatuur en verdampingswarmte (hoe lager hoe beter)
  • Viscositeit van het vloeibare materiaal. (hoe hoger hoe meer kans op braamvorming)

De machineleverancier stelt meestal tabellen met de optimale machine-instellingen voor verschillende materialen beschikbaar.

Overige componenten van een lasersnij-installatie

Opspanning

Het te snijden product moet nauwkeurig ingespannen worden. Een lasersnijmachine heeft een kleine schertediepte en focus, dus enige onnauwkeurigheid bij het inspannen heeft grote gevolgen. Vooral als er een hoogte sensor wordt gebruikt is het curciaal.

Ondanks de meestal kleine warmte inbreng kan het product ook nog altijd thermisch vervormen. Een uitgebalanceerde snijvolgorde en/of adequate productinspanning zijn daarom belangrijk.

Hou rekening met de volgende aspecten.

  • Interne spanningen in het materiaal kunnen tot vervorming leiden
  • puntinklemming of hoge klemkrachten kunnen leiden tot plaatstelijke vervorming rond de klem.
  • Bij beweging van het werkstuk kan het vervormen onder invloed van massatraagheden.
  • Een hoge gasdruk kan leiden tot vervormin
  • De optiekkop en de laserbundel hebben een vrije baan nodig langs de opspanmiddelen. Een botsing kan schade berokkenen.
  • Een puntsgewijze ondersteuning minimaliseert de reflectie van de laserbundel. Ook de gasstraal heeft vrije baan. Dit verhoogt de snijkwaliteit.
  • Maak gebruik van warmtebestendigende inspanmaterialen met een spatwerende coating.
  • Een goede bereikbaarheid van de inspanningsklemmen is gemakkelijk voor het verwijderen van slak en spatten.

Sensoren

Om een constante nozzle-plaat afstand te bewaren wordt gewerkt met een hoogteregeling. Dit houdt ook de focuspositie constant, wat vooral belangrijk is als er lenzen worden gebruikt met een korte brandpuntsafstand of bij het snijden van 3D producten.

Een hoogteregeling zorgt voor een constante nozzle-plaat afstand, ondanks variaties in de productgeometrie
Een hoogteregeling zorgt voor een constante
nozzle-plaat afstand, ondanks variaties in de
productgeometrie

De hoogteregeling kan mechanisch of elektronisch geregeld worden.

De mechanische manier bestaat uit een wiel (of een bal). Deze wordt op de snijkop bevestigd en rolt over de plaat. Zo wordt een constante afstand en focuspositie gegarandeert. Ze is geschikt voor plaatmateriaal, maar meestal niet voor 3D-werkstukken. Het rollen kan ook krassen en groeven veroorzaken.

Bij een elektronische hoogteregeleing wordt de elektrische capaciteit gemeten tussen nozzle en product. Hiermee wordt de afstand bepaald die een manipulator aanstuurt om de positie aan te passen. In tegenstelling tot de mechanische regeling is ze een pak flexibeler in gebruik, maar ook duurder. De elektronische hoogteregeling is daarnaast alleen geschikt voor elektrisch geleidende materialen.

 

We hopen dat je dankzij dit artikel wat meer inzichten gekregen hebt in het snijden van metalen met hoogvermogen lasers. Ben je op zoek naar meer informatie, kijk gerust rond in de rest van onze kennisbank of neem contact op. We zijn altijd bereid om u te helpen.


Referenties en bronvermelding

Referenties
[1] Römer, G.R.B.E.; Hoogvermogen lasers voor het bewerken van metalen, VM121, Vereniging FMECWM, Zoetermeer, 2002, aangepast in 2009.
[2] R.F. de Graaf; Laser cutting of hybrid laminates. Proefschrift Universiteit Twente, 2002, ISBN 90-365-1703-6.
[3] VDI 2906: Richtlinie Blatt 8: Schnittflächenqualität beim Schneiden, Beschneiden und Lochen von Werkstücken aus Metall; Laserstrahlschneiden.
[4] DIN 2310: Teil 1: Thermisches Schneiden; Allgemeine Begriffe und Benennungen.
Teil 5: Thermisches Schneiden; Laserstrahlschneiden von metallischen Werkstoffen; Verfahrensgrundlagen, Güte, Maßtoleranzen.
[5] NEN-EN 10825: Veiligheid van laserproducten – Apparatuurclassificatie, eisen en gebruikershandleiding.
[6] NEN-EN 12626: Veiligheid van machines – Machines die gebruikmaken van lasers – Veiligheidseisen.
[7] NEN-EN 12254: Afschermingen voor werkplekken met lasers – Veiligheidseisen en beproeving.
[8] NEN-EN 12584: Onvolkomenheden bij brandsnijvlakken, lasersnijvlakken en plasmasnijvlakken.
[9] NEN-EN-ISO 9013: Thermisch snijden; Classificatie van thermische doorsnijdingen; Geometrische productspecificatie en kwaliteitstoleranties.
[10] NEN-EN-ISO 15616 (ontw.): Acceptance tests for CO2-laser beam machines for welding and cutting.
[11] VM 114: Scheidingstechnieken voor metalen. Vereniging FME-CWM, Zoetermeer, 1998.
[12] Tech-Info-blad TI.99.12; IOP Metalen nr. 2.5: Laser- en waterstraalsnijden van gelamineerde en beklede plaat. Vereniging FME-CWM, Zoetermeer, 2000.

Bronvermelding

  • Trumpf Laser Nederland
  • Rofin-Baasel Benelux
  • Demar Laser
  • Ahrend
  • Hoek Loos
  • Leerstoel Toegepaste Lasertechnologie van de Universiteit Twente te Enschede.