Lasersnijden

Lasersnijden

Tijdens het lasersnijden wordt de laserbundel op het te snijden materiaal gefocusseerd, waardoor het materiaal lokaal smelt en/of verdampt. Het proces wordt vrijwel altijd ondersteund door een snijgas dat coaxiaal met de laserbundel in de snede wordt geblazen en zo het gesmolten materiaal uitdrijft. Door een beweging met het product t.o.v. de laser- en gasstraal wordt een snede gegenereerd. Bij braamvrij snijden is de snede, afhankelijk van de diameter van de laserspot, ongeveer 0.2 mm breed. De dikte van de warmtebeïnvloede zone is minder dan 0.5 mm. De snijkant vertoont het voor lasersnijden typerende rillenpatroon (striations). Deze ruwheid neemt toe naar de onderzijde van de snede en vertoont bij hoge snelhede en/of dikkere materialen enige naloop. Bij een goede uitvoering van het snijproces blijft de ruwheid beperkt tot enige tientallen micrometers.

Van alle laserbewerkingen wordt momenteel het lasersnijden het meest in de industrie toegepast. Daarbij wordt, vanwege de hoge snijsnelheid, het meest gebruikgemaakt van de methode van het smelten en uitdrijven.

Schematische weergave van het lasersnijden.

Schematische weergave van het lasersnijden.

Lasersnijden is flexibel in termen van materiaalkeuze en productgeometrie, maar altijd nauwkeurig.

Lasersnijden is flexibel in termen van materiaalkeuze en productgeometrie, maar altijd nauwkeurig.

 

Voordelen

De voordelen van lasersnijden t.o.v. conventionele snijdtechnieken zijn:

• Hoge snijsnelheid,
• Kleine snedebreedte,
• Braamvrije snedes,
• Gladde snedes, zonder oxidevorming,
• Nauwelijks warmte beinvloeding van het produkt.

 

Verschillende methoden

Sublimatiesnijden

Tijdens het sublimatiesnijden gaat het materiaal in de snede van de vaste fase direct over in de dampfase, waarna het door de gasstraal uit de snede wordt gedreven. Meestal wordt argon (Ar) of stikstof (N2, zuiverheid 3.0 tot 5.0) gebruikt om oxidatie van de snede te voorkomen. Voor het sublimatiesnijden van metalen wordt meestal een gepulste Nd:YAG-laser toegepast (piekvermogens meer dan 2 kW, pulstijden minder dan 1 ms). De voordelen van sublimatiesnijden zijn een zeer goede snedekwaliteit (nauwelijks striations en dus een lage ruwheid) en een zeer kleine warmtebeïnvloede zone. Nadelen zijn de benodigde hoge energiedichtheid voor het snijden van metalen en lage snijsnelheid in vergelijking met het smeltsnijden. Daarom wordt sublimatiesnijden toegepast voor het snijden van niet-metalen, zo\als hout, papier, keramiek en kunststoffen. Daartoe worden voornamelijk CO2 lasers ingezet.

 

SMELTSNIJDEN

Bij het lasersmeltsnijden wordt meestal stikstof (N2, zuiverheid 3.0 tot 5.0) gebruikt om de smelt uit de snede te blazen. Argon wordt gebruikt om een eventueel plasma te onderdrukken. Door het gebruik van een niet-reactief gas blijft de snede oxidevrij en, bij hoge gassnelheden, braamvrij. Hierbij worden gasdrukken van 0.8 tot 1 MPa toegepast voor het snijden van metalen tot 6 mm. Voor dikkere materialen zijn gasdrukken van circa 1.5 tot 2 MPa nodig. De benodigde energiedichtheid ligt voor dit proces voor bijvoorbeeld staal tussen 108en 109 W/m.

De snijsnelheid is afhankelijk van het materiaal, de materiaaldikte en het beschikbare laservermogen. Onderstaande figuur geeft een overzicht van haalbare snijsnelheden bij het lasersmeltsnijden van staal.

Haalbare snijsnelheden bij het lasersmeltsnijden.

In vergelijking met sublimatiesnijden is smeltsnijden sneller, maar zijn de ruwheid van de snedekant en de warmtebeïnvloede zone groter. Doordat er bij het smeltsnijden geen oxidehuid ontstaat, wordt dit snijproces o.a. gebruikt voor onderdelen die een deklaag krijgen.

 

laserbrandsnijden

Bij het laserbrandsnijden wordt meestal zuurstof (zuiverheid 2.5) gebruikt voor het uitdrijven van de smelt. Het materiaal wordt tot boven de verbrandingstemperatuur verhit waarna er een exotherme reactie met zuurstof optreedt. De hierbij vrijkomende energie kan een veelvoud zijn van de door de laserbundel ingebrachte energie wat resulteert in snijsnelheden die een factor 2 à 3 hoger liggen dan bij het lasersmeltsnijden. Bovendien is het op deze manier mogelijk om dikkere materialen te snijden met hetzelfde laservermogen. De benodigde gasdrukken variëren van 0.2 tot 0.4 MPa.

Bij het brandsnijden ontstaat een oxidehuid op de rand. Dit kan problemen opleveren bij producten die later worden voorzien van een deklaag. Hoewel de oxidehuid over het algemeen eenvoudig te verwijderen is met behulp van een staalborstel, kost dit relatief veel tijd en bovendien bestaat de kans dat er oxidedeeltjes achterblijven. In een dergelijk geval wordt er vaak gekozen voor het laser smeltsnijden.

Onderstaande figuur geeft een overzicht van haalbare snijsnelheden bij het laserbrandsnijden van RVS.

Haalbare snijsnelheden bij het laserbrandsnijden.

 

SNIJLASERS

Met gepulste Nd:YAG lasers kunnen de meeste metalen tot circa 3 mm gesneden worden, door middel van overlappende pulsen. De CO2 laser wordt het meest toegepast vanwege de beschikbare hoge vermogens. Voor het snijden van metalen van enkele millimeters is 2 kW voldoende, terwijl meer dan 3 kW nodig is voor staal van 10 mm en dikker, RVS van 4 mm en dikker en aluminium van 3 mm en dikker. Een laser met een Gaussische energieverdeling geeft de grootste snijsnelheden en resulteert in de kleinste snedebreedte. Deze energieverdeling is echter momenteel alleen beschikbaar voor lasers met een relatief laag vermogen (voor CO2 lasers minder dan 3 kW).

 

Bron afbeeldingen: dictaat Materiaalbewerking met lasers