Zwischen Wasser und Licht

¿Wasserschneidanlagen sind die kalte Alternative zum Laserstrahl. Sie kommen zum Einsatz, sobald die materialabhängigen Nachteile des thermischen Schneidens den Laser ausschließen¿, so die Standortbestimmung aus dem Munde von Dr. Pieter Schwarzenbach, dem Leiter der Forschungsabteilung der Bystronic Laser AG in Niederönz. Tatsächlich führt die genauere Betrachtung zu dem Schluss, dass beide Verfahren sich eher ergänzen als miteinander konkurrieren: Laserschneidanlagen sind insbesondere für das Bearbeiten von Stahlblechen das bevorzugte Werkzeug. Wo sie aber versagen, übernimmt der Abrasiv-Wasserstrahl das Kommando. Das Für und Wider der beiden Verfahren macht sich meist an den Fragen der Werkstoffwahl und dem geforderten Automationsgrad fest.

¿Grundsätzlich ist das Laserschneiden trotz seines relativ schlechten Wirkungsgrades ¿ zehn Prozent oder gar weniger ¿ eine recht effiziente Trennmethode¿, erläutert Bystronic-Entwicklungsingenieur Dr. Peter Lädrach. Er begründet dies unter anderem mit der hohen Leistungsdichte im Brennpunkt des fokussierten Laserstrahls, die absorbierende Materialien sehr schnell zum Schmelzen oder Verdampfen bringt. Zudem arbeitet das Verfahren ja berührungslos und nahezu verschleißfrei.

Dreimal Laser

Marktrelevanz haben heute drei Laserschneidtechniken: Der CO2-Laser, der Festkörperlaser und ¿ noch ein wenig auf der Suche nach einem klar umrissenen Anwendungsgebiet ¿ der Diodenlaser. Allen gemeinsam ist, dass sie die beim Schneiden entstehende Schmelze mit einem Prozessgas (Stickstoff oder Sauerstoff) aus dem Schnittspalt austreiben.

Der CO2-Laser zeichnet sich durch gute Strahlqualität und hohe Zuverlässigkeit aus. Er kommt heute vor allem beim Zuschneiden von flachen Blechen zum Einsatz. Dabei wird ihm gerade bei der Bearbeitung rostfreier Stähle einiges an Durchsetzungsvermögen abverlangt. Aus diesem Grund verwenden die Maschinenhersteller dafür oft Energiequellen mit bis zu vier Kilowatt Strahlleistung. Zwar werden im Markt auch höhere Laserleistungen angeboten, sie sind jedoch unverhältnismäßig teuer und finden beim Blechschneiden kaum Anwendung. Forschungsleiter Schwarzenbach betont zudem, dass ¿die Fokussierung höherer Leistungen mit Linsen problematisch wird und eher zu einer Strahlverschlechterung führt. Dadurch steht der Mehrleistung keine Produktivitätssteigerung gegenüber. Sie macht also keinen Sinn.¿

Mit deutlich kürzeren Wellenlängen arbeiten die Festkörperlaser, deren wichtigster Repräsentant der Neodym dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall-Laser ist. Diese unter dem Kürzel Nd:YAG-Laser bekannte Technik bietet gegenüber dem CO2-Laser vor allem drei Vorteile: Eine bessere Absorption in den meisten Metallen, die Möglichkeit der Strahlführung über flexible Glasfasern und den kleineren Fokus ¿ letzteres allerdings nur bei Leistungen im unteren Mittelfeld. Keinen guten Schnitt macht der Nd:YAG-Laser beim Wirkungsgrad: Wird der Laser konventionell Lampen-gepumpt, so liegt er bei deutlich unter vier Prozent! Besserung versprechen sich die Lasertechniker durch den Einsatz von Diodenlasern, die den Wirkungsgrad in Regionen von um die zehn Prozent bringen.

Die Nd:YAG-Technologie ist erheblich teurer als der weit verbreitete CO2-Laser. Sie kommt daher nur in die engere Wahl, wenn sich ihre Vorteile voll ausnutzen lassen. Beispielsweise in der Roboter gestützten 3D-Bearbeitung, bei der der Laserstrahl über ein Glasfaserkabel zum Einsatzort geführt wird. Auch die Mikrobearbeitung lässt sich als (zukünftiges) Anwendungsgebiet des Kristalllasers ausmachen.

Große Hoffnungen verbinden die Laserexperten mit den noch recht jungen Diodenlasern. Im Gegensatz zu den vorgenannten, etablierten Technologien zeichnet sich der Hochleistungsdiodenlaser durch einen hervorragenden Wirkungsgrad von bis zu 40 Prozent aus. Bedauerlicherweise lässt sich jedoch sein Licht nicht so stark fokussieren, als dass sich damit effizient und präzise schneiden ließe. Mögliche Anwendungen dürften daher eher im Bereich der Oberflächen- oder auch der Schweißtechnik liegen.

In der Industrie heute am häufigsten anzutreffen sind CO2-Laserschneidanlagen mit fliegender Optik. Sie bieten eine rechte hohe Produktivität und ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis. Moderne Anlagen sind dabei meist optimiert für den Zuschnitt von dünnen oder dickeren Blechen sowie Halbzeugen in Form von Rohren oder Profilen. Während beim Blechschneiden vor allem hohe Dynamik und maximaler Vorschub gefragt sind, erfordert der zweite Fall eher eine höhere Laserleistung, mehr Flexibilität sowie einen gut zugänglichen Arbeitsbereich. Um die Produktivität der Anlagen zu steigern, werden sie immer öfter mit Handlingsystemen ausgerüstet, die das Beladen oder Entladen der Werkstücke automatisieren.

Wie bereites angedeutet, ist die Domäne des Laserschneidens das Bearbeiten von Stahl. Dabei wird Baustahl vorwiegend im sogenannten Laserbrennschneidverfahren ¿ das heißt, mit Sauerstoff als Prozessgas ¿ geschnitten. ¿Die hierbei involvierte Oxidationsreaktion verschafft dem Prozess zwar zusätzliche Wärme, begrenzt jedoch den maximalen Vorschub auf unter zehn Meter pro Minute. Das begründet sich damit, dass der Sauerstoff nur mit relativ niedriger Geschwindigkeit in die Reaktionszone diffundiert¿, erklärt Forschungsleiter Schwarzenbach. Auch andere Metalle wie Kupfer oder Messing lassen sich auf diesem Weg schneiden. Sie bedingen jedoch höhere Laserleistungen.

Beim Schneiden von Chrom-Nickel-Stählen oder Aluminium wird meist Stickstoff als Prozessgas verwendet. Man spricht dann vom Laserschmelzschneiden. Der Vorteil dabei: Die Schnittkanten sind oxidfrei! Allerdings benötigt diese Variante eine deutliche höhere Laserleistung, da keine Reaktionswärme anfällt. Auch beim Schneiden von Baustahl mit einer Geschwindigkeit von mehr als zehn Metern pro Minute (Schnellscheiden) muss Stickstoff eingesetzt werden.

Für das Schneiden von Kunststoffen ist die Lasertechnologie nicht zu empfehlen, da toxische und korrosive Gase frei werden. Eine Ausnahme bildet die Bearbeitung von Plexiglas, das sich mit dem CO2-Laser sehr gut trennen lässt. ¿Sind alle Parameter richtig eingestellt, so lässt sich hier sogar eine Schnittqualität erzielen, die keiner Politur mehr bedarf¿, sagt Entwicklungsingenieur Lädrach.

Wo der Laser schadet

Grundsätzlich stößt das Laserschneiden überall dort an seine Grenzen, wo sich die Werkstoffe einer thermischen Bearbeitung nicht zugänglich zeigen. So beißt sich der Laserstrahl beispielsweise an Stein oder Granit ¿die Zähne aus¿. Hier macht der Hochdruckwasserstrahl ¿ er schießt mit bis zu 4000 bar Druck ins Material ¿ die bessere Figur. Wobei man prinzipiell zwischen zwei Verfahrensvarianten unterscheiden muss: Mit oder ohne Zusatz von Abrasivsand.

Beim Wasserstrahlschneiden ohne Abrasivzusatz wird das Wasser durch eine 0,25-Millimeter-Düse gedrückt und erreicht dabei die atemberaubende Geschwindigkeit von bis zu 900 Metern pro Sekunde. Das reicht aus, um weiche Materialien wie etwa Papier, Karton, Schaumstoff, Textilien oder auch Lebensmittel mit Leichtigkeit zu schneiden. Sollen jedoch harte Werkstoffe wie Metall, Glas, Kunststoffe, Stein oder Verbundmaterialien bearbeitet werden, muss spezieller Abrasivsand dem Wasser unter die Arme greifen. Dazu wird der Wasserstrahl durch eine Mischkammer und eine zweite ¿ deutliche größere ¿ Düse geführt, wobei er den Sand ansaugt. Als Resultat entsteht ein Abrasiv-Wasserstrahl, der zwar durch die Mischprozedur auf etwa 300 Meter pro Sekunde abgebremst wird, aufgrund des Schleifeffekts des mitgeführten Sandes seine Wirkung aber keineswegs verfehlt.

Zu beachten ist dabei, dass durch den Schleifeffekt ein Schnittspalt von etwa einem Millimeter Breite entsteht. Außerdem kommt nicht etwa irgend ein Spielkastensand zum Einsatz, sondern hochwertiges Material aus gemahlenen Halbedelsteinen wie Granat oder Olivin. Das Geheimnis liegt dabei in der Wahl ihrer Härte. Denn ¿einerseits soll eine gute Schneidleistung gewährleistet sein, andererseits gilt es, den Verschleiss im Schneidkopf ¿ insbesondere den der Hartmetall-Abrasivdüse ¿ im erträglichen Kostenrahmen zu halten¿, so Bystronic-Forschungsleiter Schwarzenbach.

Bei den meisten Wasserstrahl-Schneidanlagen wird der messerscharfe Wasserstrahl auf einer programmierbaren Bahn über das aufgelegte Plattenmaterial gefahren. Zur Absorption der überschüssigen Restenergie sowie der entstehenden Geräuschkulisse wird in der Regel ein Wasserbecken verwendet. So wie in der Lasertechnik, werden auch für das Wasserstrahlschneiden von Rohren und Profilen immer häufiger Anlagen mit CNC-gesteuerten Drehachsen angeboten. Darüber hinaus kommen im Automobilbau für das Schneiden von geformten Schall- oder Wärmeisolationsmaterialien verstärkt auch Roboter zum Einsatz.

Sch(n)eidepunkt Werkstoff

In erster Linie sind es die Eigenschaften der zu bearbeitenden Werkstoffe, die die Frage nach dem passenden Verfahren beantworten. Während der Wasserschneidtechnik kaum physikalische Grenzen gesetzt sind, verbieten sich für die Laserbehandlung alle jene Werkstoffe, die sich gegen eine thermische Bearbeitung sperren. Glas beispielsweise lässt sich mit dem CO2-Laser zwar ganz hervorragend schmelzen; beim Abkühlen entstehen jedoch thermische Spannungen, die meist zum Bruch führen. Hier scheidet das Laserschneiden also aus. Hingegen zeigt es sich beim Trennen von Metallblechen von seiner besten Seite. Bis zu 20 Millimeter dicker Stahl, bis zwölf Millimeter dicker Chromnickelstahl oder bis zu zehn Millimeter dickes Aluminium lassen sich problemlos per Laserstrahl zuschneiden. Bei größeren Dicken warnen die Lasertechniker vor Problemen bei Qualität und Wirtschaftlichkeit.

Grundsätzlich lässt sich hochlegierter Stahl mit dem Laser besser schneiden als einfacher Baustahl geringerer Qualität. Bei härtbaren Stählen ist zu beachten, dass es im Schneidbereich zu einer Aufhärtung kommt, die eine anschließende spangebende Bearbeitung deutlich erschwert oder gar völlig unmöglich macht. Zudem können sich durch Gefügeverschiebungen im Einflussbereich der Wärmezone die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs verändern.

Wer Kunststoffe oder Verbundmaterialien mit dem Laser bearbeiten will, muss die Gefahr der Bildung toxischer und korrosiver Rauchgase im Auge behalten. Sie macht den Einsatz spezieller Absaug- und Filtereinrichtungen nötig, die auf der Kostenseite ordentlich zu Buche schlagen und das Verfahren zusätzlich verkomplizieren. Bei den Verbundwerkstoffen kommt erschwerend hinzu, dass deren Bestandteile oft sehr unterschiedliche thermische Eigenschaften aufweisen.

Der Laser ist also keineswegs als Universalwerkzeug zu sehen. Ihm sind viel engere Grenzen gesteckt als dem Wasserstrahl, bei dem sich der Anwender weder mit Aufhärtungen noch mit der Entstehung giftiger Gase herum ärgern muss. Allerdings sind auch hier einige Feinheiten zu beachten. So beobachtet man beispielsweise beim Schneiden von Aluminium die Entstehung von Wasserstoffgas im Schlamm. Das erfordert eine ausreichende Belüftung.

Insbesondere für das Schneiden von heterogenen (Compound-) Materialien, wie sie beispielsweise in der Isoliertechnik verwendet werden, ist der Wasserstrahl das prädestinierte Trennverfahren. Grenzwerte bei den maximal schneidbaren Dicken metallischer Werkstoffe anzugeben, ist laut Schwarzenbach und Lädrach ¿eher schwierig¿. Diese seien stark von den geforderten Konturformen und Genauigkeiten abhängig, betonen die Experten aus der Schweiz. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass sich Werkstücke aus bis zu 80 Millimeter dickem Stahl ebenso mit dem Abrasiv-Wasserstrahl schneiden lassen wie solche aus bis zu 150 Millimeter dickem Aluminium. Die Bystronic-Ingenieure verweisen aber darauf, ¿dass die Vorschübe mit zunehmender Dicke des Materials sehr langsam werden¿. Dieser Aspekt hat großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.

Das ¿Einstechen¿ des Wasserstrahls in eine Metallplatte stellt heute kein Problem mehr dar. Zumal das kreisende Einstechen die reine Einstechzeit ¿drastisch reduziert¿, so Entwicklungsingenieur Lädrach. Dabei ist allerdings zu beachten, dass beim Bearbeiten von spröden Werkstoffen wie Glas oder verschiedenen Gesteinsarten der Druck im Moment des Einstechens reduziert werden muss. Nur so kann ein Absplittern von Ausmuschelungen vermieden werden. Auch das Lösen laminierter Werkstoffe während des Einstechvorgangs lässt sich durch diese Maßnahme verhindern. Eine einfache Lösung all dieser Probleme ist der Einsatz einer automatischen Bohreinrichtung an der Maschine, die dem Wasserstrahl ¿ sozusagen als mechanische Vorhut ¿ den Weg ins Material ebnet.

Alles automatisch?

Einer der großen Pluspunkte der Lasertechnik ist ihr hoher Automationsgrad. Wer durch die Produktionshallen der Automobilindustrie (Stichwort ¿Tailored Blanks¿) spaziert, kann sich davon ein lebhaftes Bild verschaffen. Denn im Gegensatz zu den Wasserstrahl-Schneidanlagen weisen moderne Laserschneidanlagen heute einen deutlich höheren Automatisierungsgrad auf. Sie lassen sich mannarm oder gar völlig ohne Bedienpersonal fahren. Dabei werden Laseranlagen kaum mehr ohne Wechseltischsystem verkauft. Meist sind sie mit einer automatischen Beschickung ausgerüstet. Und aus dem Hause Bystronic war zu erfahren, das ¿vermehrt auch automatische Abräumvorrichtungen geordert werden¿. Durch den Einsatz adaptiver Optiken und den automatischen Cut Control wird auch beim Blechwechsel gute Qualität sicher gestellt ¿ ohne dass ein Werker Hand anlegen muss.

Nun entscheiden nicht allein die Techniker über den Einsatz der beiden Technologien, sondern auch die Kaufleute. Und für die spielen neben der konkreten Anwendung vor allem Aspekte der Wirtschaftlichkeit die zentrale Rolle. Da werden neben den reinen Investitionskosten auch die Betriebskosten und die Kennwerte der Produktivität ins Visier genommen. Wie sich die Anzahl der Bearbeitungsschritte reduzieren lässt, wie nachfolgende Operationen eliminiert werden können oder wie sich ein Verfahren in eine Just-in-time-Kette integrieren lässt, sind weitere Fragen von großem Interesse.

Sowohl die Lasertechnik als auch die Wasserstrahlschneidverfahren zeichnen sich jedoch grundsätzlich durch eine hohe Flexibilität aus. Und auch bei den Betriebs- und Investkosten bleiben die Unterschiede eher marginal. Denn die höhere Investition für eine Laseranlage wird durch die höheren Kosten für Strom, Wasser, Abrasivmittel, Verschleißteile und Wartung auf Seiten der Wasserstrahlsysteme kompensiert. Daher konzentriert sich ein Wirtschaftlichkeitsvergleich auf die Frage der Produktivität, wobei dann Aspekte wie der Vorschub oder die Nebenzeiten in den Mittelpunkt rücken.

Die erzielbaren Vorschübe sind beim Laser meist deutlich schneller als bei der Wasserstrahltechnik. Diese Tatsache in Kombination mit dem hohen Automationsgrad verschafft den Lasersystemen die höhere Produktivität. Aus diesem Grund erweisen sich mit dem Laser geschnittene Teile in den meisten Fällen als kostengünstiger. ¿Einzig bei Aluminium sind die Unterschiede eher klein¿, ergänzt Forschungsleiter Schwarzenbach.

Andererseits lassen sich mit den Abrasiv-Wasserstrahl Werkstoffe und Materialdicken schneiden, bei denen der Laser das Handtuch werfen muss ¿ womit sich dann auch die Frage der Wirtschaftlichkeit erübrigt. Sofern es die Schöpfleistung der Hochdruckpumpe hergibt, lässt sich die Produktivität der Wasserstrahlanlage zudem durch den Einbau mehrerer Schneidköpfe erhöhen. Schwarzenbach zu Folge ist das mit ¿relativ geringem Mehraufwand¿ zu realisieren. Nicht zuletzt erlaubt der Wasserstrahl im Gegensatz zum Laser ja auch das Schneiden von Paketen: Mehrere aufeinander gelegte Bleche können in einem Aufwasch bearbeitet werden.

Fazit: Erlauben die Werkstoffe ihren Einsatz, so macht die Lasertechnik den besseren Schnitt ¿ weil schneller und kostengünstiger. Der Abrasiv-Wasserstrahl hingegen macht überall dort eine gute Figur, wo der Laserstrahl versagt. Beide Technologien zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität aus und bewähren sich heute als moderne Bearbeitungsverfahren der industriellen Fertigung.

Michael Stöcker

Technologie-Tandem

Seit nunmehr 20 Jahren beschäftigt sich die Bystronic Laser AG mit der Herstellung von Laserschneidanlagen und seit immerhin 15 Jahren mit der Hochdruck-Wasserstrahl-Technologie. Das Unternehmen gehört zur schweizerischen Bystronic Gruppe und vor allem auf dem Lasersektor zu den führenden europäischen Herstellern. Zum Produktportfolio zählen neben den Bearbeitungszentren auch die passenden CNC-Komponenten für Teilehandling und Automatisierung.