In der Welt des Faserlaserschneidens spielt die Spotgröße eine entscheidende Rolle für das Erreichen optimaler Ergebnisse: Von der Genauigkeit bis zur Effizienz beeinflusst sie verschiedene Aspekte des Laserschneidprozesses erheblich.
Was ist die Spotgröße?
Bevor wir uns mit den Gründen befassen, warum die Spotgröße so wichtig ist, sollten wir klären, was die Spotgröße ist. Die Spotgröße bezieht sich auf den Durchmesser des Laserstrahls an seinem Brennpunkt. Mit anderen Worten, es ist der Bereich, in dem die Laserenergie auf die Materialoberfläche konzentriert wird. Ein Teil dieser Energie wird vom Material absorbiert, was zu einem lokalen Schmelzen führt. Beim Schneiden von Metallen mit Faserlasern wird das flüssige Metall mit Hilfe eines Hochdruck-Hilfsgases, das von einem Schneidkopf geliefert wird, weggeschleudert, so dass ein Schnitt entsteht, während sich der Strahl über das Teil bewegt, wobei die "Schnittfugenbreite" von der Größe des Brennflecks abhängt.
Was beeinflusst die Spotgröße?
Die Spotgröße wird von mehreren Parametern beeinflusst, darunter die Wellenlänge des Lasers, die Größe des Strahls an der Linse und die Brennweite der Fokussierlinse, die alle einen großen Einfluss auf den Schneidprozess haben. Längere Wellenlängen führen bei identischem optischen Aufbau zu größeren Spotgrößen. Ytterbium-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070 nm haben kleinere Spotgrößen als CO2-Laser, die bei längeren Wellenlängen um 10 600 nm arbeiten und entsprechend größere Spotgrößen erzeugen.
Bei faserbasierter Strahlführung kann die Spotgröße auf der Grundlage des Faserdurchmessers und der Kollimatorbrennweite (die beide die Größe des Strahls an der Fokussieroptik definieren) und der Brennweite der Fokussieroptik berechnet werden (siehe Abbildung 1). Eine Vergrößerung der Brennweite des Fokussierobjektivs führt zu größeren Flecken, während eine Vergrößerung des Strahls an der Linse zu kleineren Flecken führt (solange der Strahl an der Linse innerhalb einer Größe gehalten wird, die eine beugungsbegrenzte Leistung ermöglicht).
Abbildung 1: Berechnung der Spotgröße für die Faserstrahlführung
Schnittgenauigkeit: Kleiner ist besser
Kleinere Spotgrößen beim Laserschneiden bieten eine höhere Genauigkeit und Auflösung, da die Laserenergie auf einen kleineren Bereich fokussiert wird, was einen präzisen Materialabtrag ermöglicht. Dies ermöglicht die Realisierung komplizierterer Designs, feinerer Details und engerer Toleranzen. Darüber hinaus ermöglichen die kleineren Schnittfugen, die sich aus den engeren Spotgrößen ergeben, eine engere Verschachtelung der Teile, wodurch die Materialausnutzung optimiert und der Abfall im Fertigungsprozess minimiert wird.
Schnittgeschwindigkeit und Qualität: Das Gleichgewicht finden
Auf der Suche nach dem perfekten Gleichgewicht zwischen Schneidgeschwindigkeit und Qualität ist das Zusammenspiel der Laserparameter entscheidend. Die Energiedichte spielt eine zentrale Rolle, wobei kleinere Spotgrößen die Konzentration der Laserenergie auf eine kleinere Fläche ermöglichen. So lässt sich die gleiche Energiedichte mit Lasern geringerer Leistung erreichen.
Die Beziehung zwischen Spotgröße und Materialdicke ist jedoch kompliziert. Während eine minimale Energiedichte erforderlich ist, um ein Schmelzen über die gesamte Materialdicke zu erreichen, muss die Spotgröße groß genug sein, damit das geschmolzene Material effizient ausgestoßen werden kann. Mit zunehmender Materialdicke sind größere Spotgrößen erforderlich, um die Schnittqualität und -geschwindigkeit beizubehalten. Außerdem hängt die optimale Spotgröße auch von den Materialeigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und Viskosität ab.
Auch die Schärfentiefe, die mit der Spotgröße korreliert, muss beachtet werden. Kleinere Messfleckgrößen sind mit einer kürzeren Schärfentiefe verbunden, die in der Regel als der Abstand von der Strahltaille definiert ist, bei dem sich der Strahlbereich verdoppelt. Bei Abständen, die größer als die Schärfentiefe sind, wird die Schnittqualität beeinträchtigt. Daher ist es unerlässlich, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Spotgröße, Energiedichte und Tiefenschärfe zu finden, um die gewünschten Schneidergebnisse zu erzielen, ohne Kompromisse bei der Geschwindigkeit oder Qualität einzugehen.
Ein Gleichgewicht für optimales Laserschneiden finden
Alles in allem müssen die Hersteller ein Gleichgewicht finden. Bei dickeren Materialien kann eine größere Spotgröße vorzuziehen sein, um die Schnittqualität und -geschwindigkeit zu erhalten. Für komplizierte Arbeiten oder dünne Materialien werden jedoch kleinere Spotgrößen bevorzugt. Die Hersteller wählen in der Regel eine optimale Konfiguration der Strahlführung, die zu einer Spotgröße führt, die für die verfügbare Laserleistung und die zu schneidenden Materialien und Dicken am besten geeignet ist, um ein perfektes Gleichgewicht zwischen Genauigkeit, Schnittqualität und Durchsatz zu erreichen.
