Laser-Metal-Schneidmaschine erreicht eine Schneidgeschwindigkeit von 130 m/min

Wie Hochgeschwindigkeits-Laser-Metallschneidanlagen eine Leistung von 130 m/min erreichen

Die Physik hinter dem ultrahochschnellen Laserschneiden

Die moderne ultraschnelle Laserschneidtechnik hängt stark von der richtigen Menge an photonenenergetischer Dichte ab, die in heutigen Maschinen oft über 25 kW pro Quadratmillimeter liegt. Wenn diese intensive Energie auf Metall trifft, verdampft es praktisch beim Kontakt, sodass kaum Wärme auf benachbarte Bereiche übertragen wird. Bei einer Geschwindigkeit von etwa 130 Metern pro Minute berührt der Laser jedes Millimeter Material nur etwa eine halbe Millisekunde lang, was äußerst präzise Positionierungssteuerungen erfordert, üblicherweise mit einer Genauigkeit unter 2 Mikrometer. Die neuesten Systeme verwenden solche hochentwickelten gaußförmigen Strahlen zusammen mit Fokusspotgrößen von weniger als 30 Mikrometer Durchmesser, um all diese Leistung in so winzige Bereiche zu konzentrieren. Dadurch werden jene extrem sauberen Schnitte möglich, die mit herkömmlichen Lasern früher unmöglich waren, aber bis vor kurzem bei Plasmaschneidverfahren Standard waren.

Kerntechnologien, die 130 m/min bei Laserschneidmaschinen für Metall ermöglichen

Vier Innovationen kommen zusammen, um die Leistung von 130 m/min aufrechtzuerhalten:

1. Strahlführungssysteme erreichen durch reibungsfreie Magnetlager 5G-Beschleunigungsraten
2. Adaptive Optik kompensieren thermische Linsenwirkung bei Leistungen im mehreren Kilowattbereich
3. Dynamische Gasschneiddüsen halten einen Hilfsdruck von 20 bar mit ±0,5 % Stabilität aufrecht
4. Echtzeit-Nahtverfolgung korrigiert Bahnabweichungen bei Abtastraten von 10 kHz

Diese Technologien reduzieren die Nicht-Schneide-Zeit im Vergleich zu konventionellen Systemen um 78 %, wobei die Kollisionsvermeidung bei Materialpositionsschwankungen in <2 ms reagiert

Fallstudie: Serienfertigung von Automobilkomponenten mit Rekordgeschwindigkeit

Ein großer Hersteller von Automobilteilen erzielte kürzlich beeindruckende Ergebnisse, nachdem er auf einen Laserschneidprozess mit 130 Metern pro Minute für seine Türpaneelrohlinge umgestellt hat. Er installierte Anlagen mit 6-Kilowatt-Faserlasern, die verzinkten Stahl mit einer Dicke von 1,5 Millimetern bei etwa 127 Metern pro Minute bearbeiten können und dabei eine Schwankung der Schnittbreite von weniger als 15 Mikrometern aufrechterhalten. Besonders hervorzuheben ist, dass durch diesen neuen Ansatz die zusätzlichen Entgratungsschritte, die früher viel Zeit in Anspruch nahmen, vollständig entfallen. Die eigentliche Produktionszeit pro Bauteil sank dramatisch von 8,2 Sekunden auf nur noch 5,1 Sekunden. Im größeren Zusammenhang betrachtet, gelang es dem Unternehmen innerhalb von zwölf Monaten, fast 2,8 Millionen weitere Komponenten an den bestehenden Standorten zu produzieren, ohne zusätzliche Fabrikfläche benötigen zu müssen. Noch besser: Die Energiekosten pro Einheit gingen sogar um etwa 15 % zurück, was angesichts der höheren Bearbeitungsgeschwindigkeiten kontraintuitiv erscheinen mag.

Faserlaserleistung und ihre direkte Auswirkung auf die Schneidgeschwindigkeit

Moderne Laser-Metallschneidmaschinen nutzen ultrahochleistungsstarke Faserlaser (6 kW–30 kW), um beispiellose Schneidgeschwindigkeiten bei gleichbleibender Präzision zu erreichen. Diese Systeme wandeln elektrische Energie mit einer Effizienz von 40 % in kohärentes Licht um – dreimal so hoch wie herkömmliche CO₂-Laser – und ermöglichen dadurch schnellere Bearbeitungsvorgänge bei niedrigeren Energiekosten (SLTL 2023).

Ultrahochleistungs-Faserlaser (6 kW–30 kW) in Metallschneidanwendungen

Industrielle Hochleistungs-Fasermodule eignen sich hervorragend für die Bearbeitung von Materialien mit einer Dicke bis zu 25 mm, wenn eine schnelle Verarbeitung erforderlich ist. Sehen Sie sich an, was bei einem 30-kW-System passiert, das mit Geschwindigkeiten von etwa 12,8 Metern pro Minute durch 12-mm-Edelstahl schneidet. Das ist etwa sechseinhalbmal schneller im Vergleich zu älteren 15-kW-Modellen, basierend auf standardmäßigen Industrieprüfungen. Der eigentliche Durchbruch liegt darin, wie viel schneller diese Systeme auch Material durchstoßen können. Wenn beispielsweise nur 3 mm Baustahl bearbeitet wird, reduziert sich die Durchstoßzeit auf lediglich 0,8 Sekunden. Diese Art von Geschwindigkeit ermöglicht die Serienfertigung von Autoteilen, bei denen jedes Bauteil innerhalb einer Gesamtzykluszeit von weniger als einer halben Minute hergestellt werden muss.

Materialstärke	6-kW-Geschwindigkeit	20-kW-Geschwindigkeit	30-kW-Geschwindigkeit
3-mm-Baustahl	24 m/min	85m/min	130m/min
6-mm-Aluminium	8,2 m/min	18,5 m/min	22m/Min

Optimierung der Schneidgeschwindigkeit durch erhöhte Laserleistung

Die Art und Weise, wie sich die Leistung steigert, steht in logarithmischer Beziehung zur Schneidgeschwindigkeit, bis bestimmte Materialeigenschaften greifen. Bei der Bearbeitung von Blechen mit einer Dicke unter 10 mm führt eine Erhöhung der Laserleistung um 5 kW typischerweise gemäß kürzlich von SME im Jahr 2023 veröffentlichten Erkenntnissen zu Schneidgeschwindigkeiten, die um 25 bis 40 Prozent ansteigen. Interessant wird es jedoch bei Systemen, die über 15 kW arbeiten. Ab diesem Punkt macht die Strahlqualität, gemessen durch etwas, das man BPP nennt, einen entscheidenden Unterschied aus. Laser, die Werte unterhalb von 2,5 mm mrad beibehalten können, bearbeiten Materialien etwa 20 % schneller als solche mit höheren BPP-Werten. Dies ist für Hersteller, die ihre Produktionsprozesse optimieren und gleichzeitig Kosten senken möchten, von erheblicher Bedeutung.

Abnehmende Erträge jenseits von 20 kW bei der Bearbeitung dünner Bleche

Bei der Bearbeitung von Materialien mit einer Dicke unter 3 mm bringt eine Erhöhung der Leistung über 20 kW kaum Verbesserungen in der Schneidgeschwindigkeit, da sich die Wärme im Material anders aufbaut. Einige Tests zeigen, dass 1 mm dickes Edelstahl bei 20 kW Leistung mit etwa 130 Metern pro Minute geschnitten wird, während die Geschwindigkeit selbst bei 30 kW nur auf rund 138 m/min ansteigt. Das entspricht lediglich einer Steigerung um 6 %, erfordert jedoch fast die doppelte Energiemenge. Heutzutage übertrifft die fortschrittliche gepulste Lasertechnologie bei der Bearbeitung dünner Bleche bereits herkömmliche Dauerstrich-Systeme. Sie kann bei Spitzenleistungen von 12 kW Schneidgeschwindigkeiten von etwa 150 Metern pro Minute erreichen, dank besserer Kontrolle über die Pulsabfolge und optimierten Tastverhältnissen.

Materialspezifische Leistung von Laser-Metallschneidanlagen

Schneidgeschwindigkeit bei Materialdicken: 0,5 mm bis 25 mm Stahl

Die Schneidgeschwindigkeit moderner Laser-Metallschneider nimmt im Allgemeinen ab, je dicker das Material ist. Wenn beispielsweise mit 0,5 mm Baustahl gearbeitet wird, kann ein standardmäßiger 6-kW-Faserlaser Geschwindigkeiten von etwa 130 Metern pro Minute erreichen, bei sehr engen Toleranzen von etwa plus/minus 0,1 mm. Das ist laut dem Industrial Cutting Report aus dem Jahr 2023 ungefähr 87 % schneller als bei plasmabasierten Schneidverfahren. Bei dickeren Materialien ändert sich die Situation jedoch erheblich. Bei 25 mm Baustahl sinken die Geschwindigkeiten auf lediglich 18 m/min aufgrund von thermischer Trägheit. Um bei diesen niedrigeren Geschwindigkeiten eine gute Kantenqualität beizubehalten, müssen die Bediener während des Betriebs die Brennweite adaptiv anpassen. Was dicke Materialien betrifft, stellen Hersteller typischerweise fest, dass sie die Leistungsabgabe um 17 bis 23 Prozent pro zusätzlichem Millimeter über der 10-mm-Marke erhöhen müssen, um Wärmeverlustprobleme zu bekämpfen.

Optimale Lasereinstellungen für Edelstahl und Aluminium

Bei der Bearbeitung von Edelstahl müssen die Bediener den Stickstoff-Assistgasdruck normalerweise zwischen 18 und 22 bar einstellen, um Oxidation zu vermeiden. Die Laserleistung sollte bei 5 mm dicken Blechen etwa 90 bis 95 % der maximalen Leistung betragen. Bei Aluminiumlegierungen wird es interessant, wo gepulste Lasermodi notwendig werden. Laut einer aktuellen Studie des Material Processing Journal aus dem Jahr 2023 reduziert eine Laserfrequenz von etwa 700 Hz die Reflexionsprobleme um rund 40 % im Vergleich zum reinen Dauerstrichbetrieb. Auch die Düsenpositionierung ist bei beiden Materialien entscheidend. Abstände unter 0,8 mm verhindern unerwünschte Gasturbulenzen, und diese Einstellung hält die Schnittbreiten in der Regel unter 0,3 mm, was für die meisten industriellen Anwendungen sehr eng ist.

Hohe Effizienz bei Schnittstahl im Vergleich zu Herausforderungen beim Schneiden von Dickblech

Bei der Bearbeitung von Baustahl erreicht die Produktivität neue Höhen. Ein Standard-3-kW-System kann 1,5 mm dicke Bleche mit etwa 80 Metern pro Minute durchtrennen, wenn Sauerstoff als Hilfsgas verwendet wird, wodurch Fahrzeugrahmenteile ungefähr zwei Drittel schneller fertiggestellt werden als mit herkömmlichen Stanzverfahren. Bei dickeren Materialien wird es jedoch schwieriger. Für 40-mm-Kohlenstoffstahlplatten benötigen Hersteller 20-kW-Laser, die nur eine Geschwindigkeit von etwa 1,2 Metern pro Minute erreichen. Die Schnittbreite (Kerf) erweitert sich hier auf 1,2 mm, was etwa dem Dreifachen dessen entspricht, was bei dünneren Blecharbeiten üblich ist. Und was Abfall angeht: Bei der Bearbeitung von Dickblech fallen typischerweise 12 bis 15 Prozent Ausschuss an, im Vergleich zu nur 3 bis 5 Prozent bei der Verarbeitung von dünnem Metall. Diese Werte sind für die Kostenkontrolle in Produktionsumgebungen von großer Bedeutung.

Grenzen überschreiten: Hochleistungslaser für anspruchsvolle Metallanwendungen

20-kW-Faserlaser schneiden nun 50-mm-Stahl mit 0,8 m/min und ermöglichen die Einzelpass-Bearbeitung von Schiffbauteilen, die zuvor 4–5 Plasmaschneidzyklen erforderten. Obwohl 30-kW-Systeme verfügbar sind, zeigen praktische Tests abnehmende Effizienzsteigerungen – eine Leistungssteigerung über 20 kW hinaus verbessert die Schneidgeschwindigkeit bei Dickschichtanwendungen lediglich um 8–10 % pro 5-kW-Zuwachs (Studie zur Schwerindustriellen Fertigung 2023).

Integration von 130 m/min Laser-Schneiden in industrielle Produktionsabläufe

Skalierung der Fertigung mit hochvolumigen Laser-Metallschneidanlagen

Laser-Metallschneidmaschinen können heute die Produktion dank ihrer Integration mit CAD/CAM-Software und automatisierten Materialhandhabungssystemen hochskalieren. Laut Daten des Fabrication Tech Institute aus dem Jahr 2023 reduzieren diese Anlagen die Rüstzeiten in Karosseriestanzwerken um rund 65 %. Die doppelten Ladeeinheiten sind ein weiterer Game-Changer, da sie eine kontinuierliche Bearbeitung auch bei dickem Blech bis zu einer Stärke von 130 mm ermöglichen. Wenn Hersteller Faserlaser mit robotergestützten Sortiersystemen kombinieren, verkürzen sich die Produktionszyklen typischerweise um etwa 40 %. Diese Kombination eignet sich besonders gut für Fabriken, die mit gemischten Chargen aus Edelstahlteilen arbeiten, wo Flexibilität am wichtigsten ist.

Laser- vs. Plasmaschneiden: Ausgewogenheit zwischen Geschwindigkeit, Präzision und Materialstärke

Bei der Bearbeitung von Materialien mit einer Dicke unter 25 mm übertrifft das Laserschneiden mit Geschwindigkeiten von etwa 130 Metern pro Minute Plasmasysteme hinsichtlich Geschwindigkeit und Genauigkeit deutlich. Laser schneiden ungefähr viermal schneller als Plasma-Verfahren und erreichen zudem wesentlich engere Toleranzen – etwa ±0,1 mm im Vergleich zum Plasma-Bereich von ±0,8 mm. Allerdings bleibt Plasma bei dickeren Baustahlteilen ab 25 mm Dicke kosteneffizienter. Ein weiterer großer Unterschied liegt in der Menge des beim Schneiden entstehenden Abfalls. Der Laser erzeugt eine sehr schmale Schnittfuge von nur 0,2 mm, was 12 % bis 18 % weniger Ausschuss bedeutet im Vergleich zum breiteren Plasma-Schnitt von 0,8 mm bis 1,5 mm. Zudem verursacht das Laserschneiden deutlich geringere Verzugseffekte in der wärmeeinflussten Zone, was es besonders wertvoll für empfindliche Anwendungen wie Aluminiumlegierungen in Luftfahrtqualität macht, bei denen bereits geringste Verformungen eine große Rolle spielen.

FAQ

Welche Geschwindigkeiten können moderne Laserschneidanlagen erreichen?

Moderne Laser-Metallschneidmaschinen können je nach Maschinenkonfiguration und zu schneidendem Material Geschwindigkeiten von bis zu 130 m/min erreichen.

Wie gewährleisten Laser-Schneidmaschinen bei hohen Geschwindigkeiten die Präzision?

Laser-Schneidmaschinen halten die Präzision durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien wie adaptive Optik, Echtzeit-Nahtverfolgung und präzise Positionierungssteuerungen aufrecht.

Welche Vorteile bieten Faserlaser hinsichtlich der Energieeffizienz?

Faserglaslaser wandeln elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von etwa 40 % in kohärentes Licht um und bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern erhebliche Energieeinsparungen.

Welche Materialarten profitieren von Hochgeschwindigkeits-Laserschneiden?

Materialien wie Baustahl, Edelstahl und Aluminiumlegierungen profitieren vom Hochgeschwindigkeits-Laserschneiden, da dadurch die Präzision erhalten bleibt und Abfall reduziert wird.

Gibt es Grenzen beim Erhöhen der Laserleistung über 20 kW hinaus?

Ja, eine Erhöhung der Laserleistung über 20 kW hinaus bringt bei dünnen Blechen nur geringe Geschwindigkeitsvorteile und erfordert deutlich mehr Energie.