SCHNELLERES UND PRÄZISERES LASERSCHNEIDEN VON CrNi-Stahl
Die Anforderungen an moderne Fertigungsprozesse steigen kontinuierlich. Insbesondere beim Laserschneiden von anspruchsvollen Materialien wie CrNi-Stahl stehen Unternehmen vor einem klassischen Zielkonflikt: hohe Schnittgeschwindigkeit bei gleichzeitig exzellenter Schnittqualität. Genau an dieser Stelle setzt eine innovative Technologie an, die zunehmend an Bedeutung gewinnt – die axiale dynamische Strahlformung (DBS).
Herausforderungen im klassischen Laserschneiden
Konventionelle Laserschneidprozesse basieren häufig auf einem gaußförmigen Strahlprofil. Dieses bringt jedoch bei steigender Materialdicke mehrere Nachteile mit sich. Besonders problematisch sind:
- Gratbildung, insbesondere Nanograt an der Unterkante
- Unzureichende Schnittflankenqualität
- Limitierte Prozessgeschwindigkeit durch Sättigungseffekte
Diese Effekte führen nicht nur zu erhöhtem Nachbearbeitungsaufwand, sondern auch zu Qualitätseinbußen in nachgelagerten Prozessen wie Beschichtung oder Lackierung.
Was ist axiale dynamische Strahlformung?
Die axiale dynamische Strahlformung ist eine Weiterentwicklung der Strahlformungstechnologie, bei der der Laserstrahl entlang seiner Ausbreitungsachse gezielt moduliert wird. Im Gegensatz zur statischen Strahlformung ermöglicht die DBS eine dynamische Anpassung der Intensitätsverteilung im Material.
Der entscheidende Vorteil: Statt eines punktförmigen Fokus entsteht ein verlängerter „Linienfokus“. Dadurch wird die Energie gleichmäßiger entlang der Schnittfuge verteilt.
Technologisch wird dies durch hochdynamische optische Systeme realisiert, die den Strahl mit Frequenzen im Kilohertz-Bereich oszillieren lassen. Die Steuerung erfolgt dabei über wenige Parameter:
- Schwingungsamplitude
- Frequenz
- Offset
Diese reduzierte Komplexität erleichtert die Integration in bestehende Anlagen erheblich.
Deutliche Qualitätsverbesserungen in der Praxis
Die Auswirkungen der axialen DBS auf die Schnittqualität sind signifikant. In experimentellen Untersuchungen beim Schneiden von 10 mm dickem CrNi-Stahl konnten folgende Verbesserungen erzielt werden:
- Reduktion des Nanograts um den Faktor 11
- Verringerung der Oberflächenrauheit um mehr als 50 %
- Keine sichtbaren Gratanhaftungen
Besonders relevant ist die drastische Reduktion des sogenannten Nanograts. Dieser feine Grat kann die Haftung von Beschichtungen negativ beeinflussen und langfristig die Korrosionsbeständigkeit reduzieren. Durch die DBS-Technologie wird dieses Problem nahezu eliminiert.
Strahlsimulation bei statischem Fokus (links) und mit axialen DBS(rechts):
Höhere Geschwindigkeit bei geringerem Energieeinsatz
Physikalischer Hintergrund: Optimierte Energieverteilung
Erhöhte Prozessstabilität
Neben der Qualitätssteigerung überzeugt die axiale Strahlformung auch in Bezug auf die Produktivität. Die Technologie ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit:
- Bis zu 82 % schneller bei niedriger Leistung (8 kW)
- Rund 37 % schneller bei Hochleistung (20 kW)
Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt in der Verschiebung des sogenannten Sättigungseffekts. Während bei konventionellen Verfahren ab einer bestimmten Leistung keine Geschwindigkeits-steigerung mehr möglich ist, erlaubt die DBS eine effizientere Nutzung der eingesetzten Energie.
Das bedeutet konkret:
Mit geringerer Laserleistung kann die gleiche oder sogar eine höhere Schnittgeschwindigkeit erreicht werden.
Der Schlüssel zu diesen Verbesserungen liegt in der veränderten Intensitätsverteilung des Laserstrahls. Während ein statischer Fokus die Energie stark lokalisiert, verteilt die axiale DBS diese entlang der Strahlachse.
Die resultierenden Effekte:
- Längere Rayleigh-Länge → stabilerer Prozess
- Größerer effektiver Fokusdurchmesser → bessere Materialinteraktion
- Homogenere Energieeinbringung → effizienterer Schmelzaustrieb
Diese Kombination sorgt dafür, dass das Material gleichmäßiger aufgeschmolzen und aus der Schnittfuge entfernt wird.
Ein oft unterschätzter Vorteil der axialen DBS ist die verbesserte Robustheit des Prozesses. Schwankungen in:
- Fokuslage
- Düsenabstand
haben deutlich geringere Auswirkungen auf die Schnittqualität. Das erhöht die Prozesssicherheit und reduziert Ausschuss sowie Stillstandszeiten.
Gerade in der industriellen Serienfertigung ist diese Stabilität ein entscheidender wirtschaftlicher Faktor.
Steigerung der Schnittgeschwindigkeit (links) und Reduzierung der Gratbildung (rechts) in Abhängigkeit der Laserleistung mit und ohne aixalen DBS mit dem Zwobbel®:
Wirtschaftliche Vorteile für die Industrie
Die Kombination aus höherer Geschwindigkeit, besserer Qualität und geringerer Fehleranfälligkeit führt zu klaren wirtschaftlichen Vorteilen:
- Reduzierter Nachbearbeitungsaufwand
- Niedrigerer Energieverbrauch
- Höhere Anlagenproduktivität
- Verbesserte Bauteilqualität
Unternehmen, die auf diese Technologie setzen, können ihre Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig steigern.
Fazit
Die axiale dynamische Strahlformung stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich des Laserschneidens dar. Sie adressiert zentrale Schwächen konventioneller Verfahren und bietet gleichzeitig neue Möglichkeiten zur Prozessoptimierung. Insbesondere beim Schneiden von CrNi-Stahl zeigt sich das Potenzial dieser Technologie eindrucksvoll: weniger Nanograt, höhere Schnittgeschwindigkeiten und eine insgesamt verbesserte Prozessstabilität. Für Unternehmen in der Blechbearbeitung ergibt sich daraus eine klare Perspektive: Wer Effizienz und Qualität gleichermaßen steigern will, sollte die axiale DBS nicht nur beobachten, sondern aktiv in die eigenen Fertigungsprozesse integrieren. Die Technologie ist bereit für den industriellen Einsatz – und könnte sich schon in naher Zukunft als neuer Standard etablieren.