Die Bedeutung der Brennpunktlage beim Laserschneiden – eine umfassende Analyse

Die Bedeutung von Brennpunktpositionen in Laserschneiden Operationen können nicht genug betont werden, da sie die Qualität, Effizienz und Präzision des Schneidprozesses direkt beeinflussen. Die Brennposition bezieht sich auf den genauen Punkt, an dem der Laserstrahl auf seinen kleinsten Durchmesser konvergiert, den sogenannten Brennfleck. An diesem Punkt liefert der Laserstrahl die maximale Energiedichte und ermöglicht so eine optimale Schneidleistung. Hier sind einige wichtige Gründe, die die Bedeutung der Brennpositionen bei Laserschneidvorgängen unterstreichen:

Fokussierung des Laserschneidens

Fokussierung von Laserstrahlen

Jeder Hersteller hat seine eigene Meinung darüber, was das wichtigste Element ist in Laserschneiden. Glauben Sie, dass es darum geht, die kleinste Punktgröße und eine Linsenausrichtung senkrecht zur Achse des Laserstrahls beizubehalten? Wenn Sie mit „Ja“ geantwortet haben, liegen Sie teilweise richtig, aber es müssen viele andere Faktoren in Bezug auf die Laserstrahleigenschaften und Schneidanwendungen berücksichtigt werden. Die Beibehaltung der Fokuspositionen innerhalb des Materials ist entscheidend für die Wiederholbarkeit der Laserschnittparameter und für die Erzeugung einer gleichbleibenden Kantenqualität.

Wenn Sie beispielsweise mit dicken Materialien arbeiten, ist es tatsächlich notwendig, ein größeres Brennmuster zu erzeugen, um einen breiteren Kanal zu erzeugen, der benötigt wird, um ein größeres Volumen an geschmolzenem Material aufzunehmen, das während des Schneidvorgangs ausgestoßen werden muss. Um dieses vergrößerte Brennmuster zu erzeugen, fokussieren Sie den Strahl je nach Hilfsgas entweder über oder unter der Oberfläche des Materials. Folglich ist die Fokussierung auf einen kleinen Punkt auf der Oberfläche bei dickerem Material normalerweise ein weniger erfolgreicher Ansatz.

For thinner material, however, a small spot focused on the material's surface is much more effective than a larger one because less material is involved and, consequently, a broader channel is not required.

Ein sehr wichtiger Faktor, der beim Laserschneiden berücksichtigt werden muss, ist die Verwendung eines Hilfsgases wie Sauerstoff, Stickstoff oder Druckluft. Jedes Gas hat spezifische Eigenschaften, die den Brennvorgang beschleunigen, das geschmolzene Material abführen oder beides bewirken.

Beim Laserschneiden unterstützen Hilfsgase zwei spezifische Reaktionen: exotherm oder endotherm. Die Fokussierungsregeln variieren je nach Reaktionstyp und verwendetem Gas.

Fokussierung auf exotherme Reaktionen

Exothermic reactions are created by using a gas that offers accelerant properties, such as oxygen. During this type of reaction, the laser beam's intense energy vaporizes—or literally boils—the cut material as the oxygen vigorously reacts with the molten material in its liquid state. During high-pressure, oxygen-assisted cutting, the base material is brought to such an intensely high temperature that conversion of the material into a thermal vapor is very nearly complete.

Fokussierungsregeln zur Unterstützung exothermer Reaktionen erfordern Fokuspositionen, die bei dicken Materialien über der Oberfläche und bei dünneren Materialien knapp in der oberen Oberfläche liegen.

Wenn der Fokus über dem Material liegt, verwenden Sie normalerweise einen niedrigen Druck und ein niedriges Volumen, um das geschmolzene Material zu verflüssigen und dann auszustoßen (ungefähr 6 bis 8 Pfund pro Quadratzoll bei 40 Kubikfuß pro Stunde). Tatsächlich wird nur sehr wenig Material verdampft, da das kleine Sauerstoffvolumen nicht ausreicht, um eine vollständige Verdampfung zu unterstützen. Wenn der Fokus direkt auf der Oberfläche des Materials liegt, verwenden Sie normalerweise einen hohen Druck und ein hohes Volumen (ungefähr 60 PSI bei 80 CFH). Dies reicht aus, um eine kräftige Verdampfung des Materials zu unterstützen.

That's why when you inspect most cutting tables where thinner material is cut predominantly, you see very little material accumulated on the table supports. In contrast, cutting tables used for processing thicker materials will have a much larger volume of material accumulated on their supports.

Fokussierung für endotherme Reaktionen

Endotherme Reaktionen entstehen dagegen, wenn Sie ein Gas verwenden, das inerte oder nicht reaktive Eigenschaften aufweist. Stickstoff und Argon fallen in diese Kategorie.

Bei dieser Art von Reaktion unterstützt das Gas nur die Evakuierung des geschmolzenen Materials durch den Schnittkanal. Der endotherme Prozess hängt stark von der Rohenergie des fokussierten Laserstrahls ab, um das Grundmetall schnell in einen geschmolzenen Zustand zu bringen und den richtigen Schnittkanal zu erzeugen. Dadurch kann das Inertgas das verflüssigte Material durch den Schnittkanal ausstoßen und eine sauber geschnittene Oberfläche ohne Schlackenanhaftung hinterlassen.

Focusing rules for supporting endothermic reactions require focus positions to be at, or just below, the bottom of the material. Maintaining the focus below the material creates a slight V shape within the cut channel, allowing the high-pressure gas to compress the molten material through the cut channel at a high velocity and expelling it through the channel's base.

Endotherme Reaktionen erfordern ein hohes Volumen und einen hohen Druck, um eine schnelle Evakuierung des geschmolzenen Materials zu unterstützen. Typische Volumina können bei dünnen Materialien bei 350 CFH beginnen und bei dickeren Materialien mehr als 3.000 CFH erreichen. Der Druck kann bei dünnen Materialien bei 140 PSI beginnen und bei dickeren Materialien auf mehr als 300 PSI ansteigen.

Using compressed air as an assist gas actually produces both endothermic and exothermic reactions at the same time. However, because air volume is composed mostly of nitrogen (approximately 78 percent), it is primarily an endothermic reaction, with the small volume of oxygen (about 20 percent) creating a simultaneous but smaller exothermic reaction. This results in quicker melting of the base material because of oxygen's reactive properties. The balance of the air is principally inert in composition and adds only to the endothermic reaction produced by the nitrogen.

Beim Druckluftschneiden werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn die Fokuslage stets in der Mitte der Materialstärke bleibt.

Rohe Strahleneffekte

Just as the intensity of the sun affects the ability of the magnifying glass to focus and create an effective spot size, so does the raw laser beam influence how well you can focus its energy and the size of the focused spot that results. Here's the general rule: The larger the raw beam diameter, the larger the resulting focal waist diameter, and the farther the focal point is projected from the lens.

Eine weitere Möglichkeit, die Punktgröße effektiv zu ändern, ist die Verwendung einer Linse mit einer anderen effektiven Brennweite (EFL). Dadurch entsteht nicht nur eine andere Punktgröße, sondern auch eine andere Tiefenschärfe (DOF), wie in Abbildung 3 dargestellt. Bedenken Sie, dass die Tiefenschärfe nicht nur dort liegt, wo der Strahl am kleinsten ist (Brennweite), sondern auch den Bereich unmittelbar vor und nach der kleinsten Punktgröße umfasst.

Als Beispiel für die Änderung der Punktgröße und Schärfentiefe betrachten wir einen CO2-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 10.600 nm, einem Rohstrahldurchmesser von 20 mm und einem M2 von 2. Wenn wir diesen Strahl durch eine 3,75-Zoll-Linse (95,25 mm) leiten, beträgt der Durchmesser an der Brennweite ungefähr 128 Mikrometer (0,128 mm). Wenn wir nun eine 5-Zoll-Linse (127 mm) verwenden und denselben 20-mm-Rohstrahl verwenden, beträgt der Durchmesser an der Brennweite 170 Mikrometer (0,170 mm). Gleichzeitig würde sich die Schärfentiefe zwischen den beiden Linsen ändern. Die 3,75-Zoll-Linse hätte eine Schärfentiefe von ungefähr 1,2 mm, verglichen mit einer Schärfentiefe von 2,16 mm bei der 5-Zoll-Linse.

Yet another consideration that can alter the beam's focal point projection is a change in the wave front of the beam before it strikes the lens. The wave front of the raw beam can be described as either converging, parallel, or diverging. In the case of a converging wave front, the beam is essentially getting smaller as it travels. As this converging wave front strikes the lens, the resulting focus projection is shorter than that of a parallel wave front because of the smaller beam diameter projection at the top of the lens. Conversely, focusing a diverging wave front results in a longer focal point projection than that of a parallel wave front because of the larger beam diameter projected at the top surface of the lens .

Anwendungen in der Praxis

Es ist wichtig, jeden Aspekt zu kontrollieren, der mit der Aufrechterhaltung der richtigen Fokuspunktprojektionen zusammenhängt. Sie müssen sicherstellen, dass der Rohstrahl am optischen Resonator in gutem Zustand ist und dass der Strahl richtig an die Linse geliefert wird. Die Verwendung einer Linse mit der richtigen Brennweite kann die Schmelzgeschwindigkeit des Materials und die bearbeitbare Dicke verändern. Eine Linse mit kurzer Brennweite, wie z. B. eine 3,75-Zoll-EFL, ist bis zu einer Dicke von 12 Gauge oder 0,104 Zoll am effektivsten. Eine 5-Zoll-Linse ist bis zu einer Dicke von 0,250 Zoll am effektivsten. Verwenden Sie für dickere Materialien eine 7,5-Zoll-Linse bis maximal 1,25 Zoll und eine 10-Zoll-Linse bis maximal 1,312 Zoll, um den effektivsten Schnitt zu erzielen.

A genuine time-saving practice is to use an EFL that allows you to cover the majority of your daily production without having to change to a different lens. The use of a 7.5-in. lens will, for the most part, enable you to achieve all of the objectives related to maintaining the proper focus, from 16 ga. to 1 in. thicknesses, throughout the course of a day's production.

Wie bereits erwähnt, hat die Wahl des Hilfsgases viel damit zu tun, wie Ihre Brennpunktposition im Material bestimmt wird. Sauerstoffunterstütztes Laserschneiden (exotherm) erfordert Brennpunktpositionen, die knapp in der Oberfläche oder über der Oberfläche des Materials liegen. Es sind nur sehr wenige Brennpunktänderungen erforderlich, es sei denn, Sie wechseln von Hochdruck- zu Niederdruckschneiden, da der Brennpunkt immer auf oder nahe der Oberfläche des Materials liegt und folglich von Änderungen der Materialdicke nicht beeinflusst wird. Stickstoffunterstütztes Laserschneiden (endotherm) hingegen ist stark brennpunktabhängig und basiert auf der zu verarbeitenden Materialdicke, da der Brennpunkt an oder nahe der Unterseite des Materials liegt.

In beiden Fällen können alle grundlegenden Brennpunkte durch die Verwendung eines CNC-Autofokusgeräts, beispielsweise eines adaptiven Spiegels, erreicht werden.

An adaptive mirror works by changing the mirror's surface shape through the application of pressure to the back of the mirror. In its normal state, without applied pressure, the adaptive mirror's surface is concave. As pressure is applied to the mirror, the surface changes from concave, to flat, and then to convex. Changing the mirror's shape changes the wave front of the beam and consequently alters the size of the beam on the lens and where the focal position is projected within the material.

Ein weiterer großer Vorteil des Autofokus ist die Möglichkeit, die Fokusposition während des Einstechvorgangs dynamisch zu ändern, was eine maximale Energiezufuhr innerhalb der Materialdicke ermöglicht und die Gesamteinstechzeit verkürzt.

Bis heute werden Fortschritte in der Laserschneidtechnologie erzielt, die Durchsatz und Produktivität verbessern. Entscheidend bleibt jedoch die Zuführung des Rohstrahls zur Linse und die Einhaltung der richtigen Brennpunktpositionen, je nach Anwendung.

Wenn die richtige Fokusposition und die richtigen Projektionsformen im zu bearbeitenden Material beibehalten werden, werden die restlichen Anforderungen, die für einen konsistenten, qualitativ hochwertigen Schnitt erforderlich sind, minimiert. Dies spart Rüstzeit und sorgt gleichzeitig für gleichbleibende Produktivität und Durchsatz.