SWISSMECHANIC

Ergänzungsausbildung Produktionsmechaniker

15.03.12 | Redakteur: Blerina Qelaj

6-kW-Laserquelle. (Bilder: Bystronic)
Bildergalerie: 4 Bilder
6-kW-Laserquelle. (Bilder: Bystronic)

>> Dieser Fachbeitrag «Grundlagen Laser- und Wasserstrahlschneiden» ist ein Auszug aus dem «Lehrmittel Blechtechnologie» von Swissmechanic für die Ergänzungsausbildung im Lehrberuf Produktionsmechaniker/in EFZ. Dieser Lehrstoff wird im Ergänzungs-ÜK (12 Tage) bei Bystronic Laser AG den Lernenden vermittelt. Träger ist der Verband Forum Blech. Den vollständigen Modell-Lehrgang können Interessierte bei der Swissmechanic-Berufsbildung beziehen.

Laser (Akronym für engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, dt. «Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung») ist ein physikalischer Effekt, mit dem künstlich gerichtete Lichtstrahlen erzeugt werden können. Der Begriff Laser wird dabei nicht nur für den Verstärkungseffekt, sondern auch für die Strahlquelle verwendet. Laserstrahlen haben Eigenschaften, die sie stark von Licht aus klassischen Lichtquellen (wie beispielsweise einer Glühlampe) unterscheiden.

Der CO2-Laser

Der CO2-Laser ist ein Gaslaser. Es gibt verschiedene Bauformen des CO2-Lasers. Im industriellen Hochleistungsbereich ist der Schnellgeströmte-Axial-CO2-Laser verbreitet. Der optische Resonator besteht hier aus zwei Spiegeln und dazwischen aus einem Gasentladungsrohr, das vom Lasergas, einem Gemisch aus 2,5–20 % CO2, 10–30 % N2, 55–85 % He durchströmt wird. An dieses wird entweder eine Gleichspannung bis 30 kV gelegt oder es wird durch Hochfrequenz angeregt. Das Lasermedium hat dabei einen Betriebsdruck von ca. 160 mbar. Bei der Anregung werden spezielle Schwingungsformen des CO2-Moleküls aktiviert. Die dabei entstehende Verlustwärme muss über Wärmetauscher abgeführt werden, da der Laser nur unterhalb 200 °C wirkungsvoll arbeitet.

Der Laserstrahl hat bei dieser Anordnung eine Leistung bis zu 700 W/m Resonatorlänge. Um hohe Strahlleistungen bei kompakten Abmessungen zu erhalten, wird der Resonator im Allgemeinen aus mehreren meterlangen Stücken gefaltet und das Licht durch Spiegel umgeleitet. Er kann im kontinuierlichen Betrieb (cw), im Pulsbetrieb und im Superpulsbetrieb arbeiten. Das Licht des CO2-Lasers ist nicht sichtbar, denn es hat eine Wellenlänge von 10,6 µm.

Wir unterscheiden zwischen Gleichstrom-(DC)- und Hochfrequenz-(HF)-angeregten CO2–Laserquellen. Der prinzipielle CO2-Laser besteht aus einem Glasrohr, gefüllt mit einer Gasmischung aus Helium (He); Stickstoff (N2); Kohlendioxid (CO2), wobei das Gas kontinuierlich erneuert werden muss.

Kenndaten des CO2-Lasers:

  • Strahlleistung: 10 W bis 20 kW
  • Wirkungsgrad: 5 bis 20 %
  • Wellenlänge: 10,6 µm
  • Begriffserklärung

    • Laserquelle: Als Laserquelle bezeichnet man das Grundelement, aus welchem der Laserstrahl erzeugt werden kann.
    • Resonator: Ein optischer Resonator ist eine Anordnung von Spiegeln, die dazu dient, Licht möglichst oft hin- und herzureflektieren. Der Resonator ist ein Bestandteil der Laserquelle und beherbergt das laseraktive Material (z. B. Lasergas).

    Hauptelemente zur Erzeugung eines Laserstrahles beim CO2-Laser

    • Gas: ist das aktive Medium, d. h. Ursprung des Laserlichts.
    • Elektrische Energie: zur Anregung der Gase. Wird Pumpenergie genannt.

    Zusatzelemente

    • Entladungsstrecken mit Anoden und Kathoden, Ort oder Element, wo die Gasanregung stattfindet
    • Verdichter (Turbine) zur Erzeugung der Gasumlaufströmung.
    • Optische Elemente (Spiegel) zur Umlenkung und Führung des Laserstrahls im Resonator bis zur Maschine.
    • Elektronische Steuerung zur Steuerung des Zusammenspiels zwischen Gas, elektrischer Energie, Gasumwälzung, Laserleistung und Schneidmaschine.
    • Kühlung zur Kühlung des aktiven Mediums. Das aktive Medium darf nicht wärmer als 200 °C werden, da sonst das System nicht mehr zuverlässig funktioniert. Gekühlt werden auch mechanische Komponenten.

    Aufgabe der Gase

    • CO2 3 % -> Aktives Gas. Erzeugt das Laserlicht.
    • N2 32 % -> Verbessert den Wirkungsgrad. Hilft bei der Anregung der CO2- Moleküle mit.
    • He 65 % -> Kühlt das Lasergas.

    Wasserstrahlschneiden

    Die Bündelung des Wasserstrahles (Kohärenz) ist entscheidend für das Schneidergebnis. Eine gute Kohärenz ist die Voraussetzung für eine kleine Schnittbreite, darüber hinaus auch für eine verbesserte Oberfläche der Schnittkante, eine hohe Schnittgeschwindigkeit, eine saubere und rechtwinklige Schnittkante und eine geringe Benetzung der Schnittfläche. Um eine bessere Kohärenz des Strahles zu erreichen, wurde in der Vergangenheit die Beimengung von Gasen, Lösungsmitteln und gelösten Kunststoffen untersucht. Entscheidenden Einfluss auf die Kohärenz haben aber Düsengeometrie und -oberfläche.

    Druckerzeugung

    Wir unterscheiden zwei Arten von Druckerzeugerpumpen;

    • Die direkt angetriebene Plungerpumpe
    • Der hydraulische Druckübersetzer (Hochdruckpumpe mit ein- oder zweistufigen Pendelverfahren)

    Während die Plungerpumpen direkt mit Elektro- oder Dieselmotor angetrieben werden, wird beim Druckübersetzer mittels eines Hydraulikaggregates ein Öldruck von ca. 20 Mpa erzeugt. Mit Hilfe eines oder mehrerer Übersetzerkolben wird das Wasser auf den nötigen Arbeitsdruck gebracht. Der Einsatz von Druckübersetzern lässt eine bessere Regulierung zu, da sich nur eine sehr geringe Schwungmasse in Bewegung befindet. Die direkt angetriebene Plungerpumpe hat einen besseren Wirkungsgrad.

    Strahlarten

    Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Wasserstrahltechnologien. Den Reinwasserstrahl (WJ), dem kein Abrasivstoff beigefügt wird, und den Abrasivwasserstrahl (AWJ). Den Abrasivwasserstrahl können wir erneut in zwei Gruppen unterteilen: Wasserabrasivinjektorstrahl und Wasserabrasivsuspensionsstrahl.

    Der Reinwasserstrahl wird zum Schneiden von weichen Materialien wie Holz, Gummi, Schaumstoff oder Textilien verwendet. Mit seiner Kraft von 10 bis 400 Mpa wird er auch zum Reinigen und Abtragen verwendet.

    Der Abrasivinjektorstrahl mit einer Kraft ab 150 Mpa wird zum Schneiden verschiedenster Materialien verwendet (die am weitesten verbreitete Art).

    Der Abrasivsuspensionsstrahl findet seinen Einsatz unter 70 Mpa. Da der Wasserdurchsatz und die Beschleunigung des Abrasives höher als beim Injektorstrahl sind, können mit ihm ähnliche Schneidresultate erzielt werden (geringe Düsenstandzeiten).

    Zur Bearbeitung von Werkstoffen höherer Festigkeit wird dem Wasser ein Abrasiv-Material beigemischt. Der Hochdruck-Wasserstrahl strömt aus der Wasserdüse in eine Mischkammer, in der dem Wasserstrahl ein vordosiertes Schleifmittel feinster Körnung zugeführt wird. Am Austritt aus der Mischkammer wird der Strahl erneut gebündelt. Gebräuchliche Abrasivmaterialien sind beispielsweise GMA-Barton-Granat, Olivin und Zirkon. <<

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 32265960) | Archiv: Vogel Business Media

SMM Newsletter

Informationen aus der Branche für die Branche von unseren Fachredaktoren für Sie aufbereitet.

* Ich bin mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung und AGB einverstanden.
Spamschutz:
Bitte geben Sie das Ergebnis der Rechenaufgabe (Addition) ein.
Online Redaktion

Welche Themen würde Sie gerne lesen? Haben Sie Feedback zu unserer Website? Konktaktieren Sie unsere Online Redaktion