WIR GEBEN STAHL FORM...
WIR GEBEN STAHL FORM...
Ein Lichtstrahl schneidet zentimeterdicken Stahl mit einer Genauigkeit von Zehntelmillimetern. Klingt wie Science-Fiction? Das ist der Alltag moderner Metallverarbeitungsbetriebe. Aber was passiert wirklich in der Schneidzone — in diesem mikroskopisch kleinen Spalt, durch den der Laser mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Minute hindurchgeht? Wir nehmen Sie mit hinter die Kulissen einer der faszinierendsten Industrietechnologien.
Die gängige Vorstellung vom schneidenden Laser reduziert sich auf das Bild eines sehr heißen Lichtstrahls, der Metall „verbrennt". Die Realität ist weitaus komplexer und faszinierender.
Das Laserschneiden ist ein komplizierter thermodynamischer Prozess, bei dem innerhalb von Millisekunden eine Reihe physikalischer Vorgänge stattfinden: Photonenabsorption, Erhitzung des Kristallgitters, Schmelzen und nicht selten auch Verdampfen des Metalls. Jedes dieser Phänomene muss präzise kontrolliert werden — genau diese Kontrolle unterscheidet professionelles Laserschneiden vom zufälligen Anbrennen eines Materials.
Bevor irgendetwas schmilzt, muss die Laserenergie vom Metall absorbiert werden. Und hier beginnt das erste physikalische Rätsel: Metalle sind von Natur aus hervorragende Lichtreflektoren. Polierter Stahl oder Aluminium können bis zu 90 % der auftreffenden Strahlung reflektieren.
Der Schlüssel zur effizienten Absorption liegt in der Wellenlänge des Lasers:
Es ist auch zu beachten, dass die Absorption mit der Materialtemperatur steigt. Wenn das Metall zu erwärmen beginnt, nimmt seine Fähigkeit zur Aufnahme von Laserenergie zu — ein selbstverstärkender Effekt, der den gesamten Prozess beschleunigt.
Sobald die Laserenergie absorbiert wird, findet in der Schneidzone eine nahezu sofortige Abfolge von Phasenübergängen statt:
Photonen übertragen Energie auf die Elektronen im Kristallgitter des Metalls. Diese Energie wandelt sich blitzschnell in Wärme um und breitet sich im Material aus. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses hängt von der Wärmeleitfähigkeit ab — Materialien wie Kupfer (401 W/m·K) oder Aluminium (237 W/m·K) leiten Wärme so schnell ab, dass zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Temperatur in der Schneidzone eine deutlich höhere Laserleistung erforderlich ist als bei rostfreiem Stahl (~16 W/m·K).
Wenn die Temperatur lokal den Schmelzpunkt überschreitet, geht das Metall in den flüssigen Zustand über. Das geschmolzene Material bildet eine schmale, aufgeschmolzene Furche — den sogenannten Kerf (Schnittspalt). Die Breite des Kerfs, in der Regel zwischen 0,1 und 0,3 mm, bestimmt die Präzision und die Menge des bei der Bearbeitung verlorenen Materials.
Bei ausreichend hoher Leistungsdichte (typischerweise über 10⁶ W/cm²) verdampft das Metall nicht nur — es beginnt zu verdunsten. Es entsteht ein sogenanntes Keyhole (Schlüsselloch) — ein schmaler, tiefer Kanal, der mit heißem Metallplasma gefüllt ist. Der Druck der Metalldämpfe hilft dabei, das geschmolzene Material aus dem Schneidbereich herauszudrücken. Genau dieser Mechanismus ermöglicht das Schneiden sehr dicker Bauteile bei gleichzeitiger Rechtwinkligkeit der Kanten.
Der Laser allein reicht nicht aus. Ohne eine wirksame Entfernung des geschmolzenen Metalls aus dem Schneidspalt würde das Material wieder erstarren und den Strahl blockieren. Hier kommt das Schneidegas ins Spiel, das konzentrisch um den Strahl mit einem Druck von mehreren bis zu über zehn Bar zugeführt wird.
Die Wahl des Gases ist eine strategische technologische Entscheidung, die vom zu schneidenden Material und den Anforderungen an die Kantenqualität abhängt.
Sauerstoff (O₂) ist das bevorzugte Gas beim Schneiden von Kohlenstoff- und Baustählen. Er geht eine exotherme Reaktion mit Eisen ein und liefert zusätzliche Energie für den Prozess — das Schneiden ist schneller und bei geringerer Laserleistung möglich. Der Preis dafür ist jedoch eine leicht oxidierte, dunkle Kante, die in manchen Anwendungen einer Nachbearbeitung bedarf.
Stickstoff (N₂) ist das bevorzugte Gas für rostfreie Stähle und Aluminium. Als chemisch inertes Gas verhindert es wirksam die Oxidation in der Schneidzone und hinterlässt helle, saubere Kanten, die direkt zum Schweißen oder Lackieren geeignet sind — ohne jede weitere mechanische Nachbearbeitung.
Argon (Ar) wird beim Schneiden von Titan und Sonderlegierungen eingesetzt, die besonders empfindlich auf jegliche chemische Reaktionen bei erhöhter Temperatur reagieren. Als Edelgas ist es vollständig inert und bietet den höchsten Schutz für das Material.
Das Schneiden mit Sauerstoff ähnelt einem kontrollierten, gezielten Brand — die exotherme Oxidationsreaktion von Eisen liefert bis zu 30–40 % der gesamten für das Schneiden benötigten Energie. Deshalb können Kohlenstoffstähle mit höherer Geschwindigkeit und bei geringerer Laserleistung geschnitten werden als rostfreier Stahl.
Jeder thermische Prozess hinterlässt Spuren im Material. Beim Laserschneiden ist diese Spur die WEZ (Wärmeeinflusszone, engl. HAZ — Heat Affected Zone) — ein Bereich um den Schnitt herum, in dem das Metall, obwohl nicht geschmolzen, hohen Temperaturen ausgesetzt war, die ausreichten, um seine Mikrostruktur zu verändern.
In der Wärmeeinflusszone können folgende Vorgänge auftreten:
Die Minimierung der WEZ ist eines der Hauptziele bei der Optimierung der Schneidparameter. Faserlaser mit kurzen Einwirkzeiten und präzise fokussiertem Strahl erzeugen eine deutlich kleinere WEZ als herkömmliche thermische Schneidverfahren wie Plasmaschneiden oder Autogenschneiden.
Das Verständnis der Physik des Laserschneidens führt zu einer praktischen Schlussfolgerung: Jeder Parameter ist wichtig und jeder beeinflusst jeden anderen.
Laserleistung bestimmt die verfügbare Energiemenge. Zu gering — das Metall wird nicht durchgeschnitten. Zu hoch — übermäßiges Schmelzen, breiter Spalt, verschlechterte Kantenqualität.
Schneidgeschwindigkeit ist ein Kompromiss zwischen Effizienz und Qualität. Bei zu hoher Geschwindigkeit hat der Laser keine Zeit, genügend Energie zu liefern — es entstehen Schlackenanhaftungen und unvollständige Schnitte. Zu langsam — übermäßige Erwärmung, breite WEZ, Verformungen dünner Bleche.
Strahlfokussierung (Fokuslage) bestimmt die Leistungsdichte im Material. Bei dünnen Blechen wird der Fokus auf der Oberfläche eingestellt. Bei dicken Blechen etwas darunter, um Energie über die gesamte Schnitttiefe sicherzustellen.
Gasdruck und -durchfluss beeinflussen die Effizienz der Schlackenentfernung und den Schutz der Schneidoptik vor Spritzern.
Bei BAPRO-MET verstehen wir, dass Physik nicht nur Theorie ist — sie ist das Fundament jeder technologischen Entscheidung. Die Auswahl des richtigen Lasers, der Schneidparameter und des Schneidgases für ein bestimmtes Material und eine bestimmte Dicke macht den Unterschied zwischen:
Moderne Faserlaser mit Leistungen von bis zu 20–30 kW und fortschrittlichen Steuerungssystemen eröffnen Möglichkeiten, die noch vor einem Jahrzehnt unerreichbar waren — das Schneiden von Kupfer und Messing mit Grünlasern, die automatische Parameteroptimierung durch KI-Algorithmen oder hybride Prozesse, die Schneiden mit anderen Operationen in einem einzigen Arbeitsgang kombinieren.
Das Laserschneiden von Metallen ist ein Beispiel für eine Technologie, bei der ein tiefes Verständnis der Physik — Lichtabsorption, Thermodynamik, Strömungsmechanik — sich direkt auf Qualität und Produktionseffizienz auswirkt. In Sekundenbruchteilen, auf einer Fläche kleiner als ein Quadratmillimeter, vollzieht sich ein faszinierendes Spektakel der Materieumwandlung, gesteuert mit chirurgischer Präzision durch einen Photonenstrahl.
Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie wir in unserem Betrieb Schneidparameter für spezifische Materialien auswählen? Kontaktieren Sie unser technisches Team — wir besprechen gerne die Besonderheiten Ihres Projekts.
