Teamorientierte Projektarbeit

Sommersemester 2012

Gliederung:

I. Stand der Technik

1) Allgemeines

2) Wichtige Laserstrahlquellen a) Festkörperlaser b) Gaslaser

3) Laserverfahren a) Laserstrahlschmelzschneiden b) Laserstrahlbrennschneiden c) Laserstrahlsublimierschneiden

4) Schadstoffe und Arbeitsschutz

II. Versuchsteile

1) Aufbauvarianten

2) Schwierigkeitsgrade der Materialaufbauten

III. Schnittversuche und Auswertung

1) Kriterien

2) Versuchsergebnisse

3) Einfluss der Parameter a) Schnittgeschwindigkeit b) Düsenabstand c) Schneidgasdruck d) Laserleistung

IV. Maschinenstundensatzrechnung

V. Schlussfolgerung und weitere Anregungen

I. Stand der Technik

1. Allgemeines

Laserschneiden ist ein Trennverfahren, durch das Werkstoffe thermisch getrennt werden. Es gibt verschiedene Medien durch die ein Laserstrahl erzeugt werden kann. Die wohl wichtigsten Lasermethoden für die Bearbeitung von Werkstoffen sind der Festkörperlaser und der Kohlenstoffdioxidlaser. Laser Substanzen wie z.B. Rubin (Festkörperlaser) oder CO2 (Kohlenstoffdioxidlaser) werden elektrisch angeregt um so einen Laserstrahl zu erzeugen. Der Laserstrahl wird stark fokussiert und wirkt nur auf einen sehr begrenzten Bereich ein, weshalb das Werkstück kaum durch die Wärme belastet wird. Des Weiteren wird im Regelfall nur eine kurze Einwirkzeit bis zum Durchtrennen benötigt, was hohe Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht. Der fokussierte Laserstrahl wird auf das Werkstück projiziert. Durch die hohe Energie wird der Werkstoff geschmolzen oder sogar verdampft. Beim Laserschneiden wird zwischen 3 Varianten unterschieden:

* Laserbrennschneiden * Laserschmelzschneiden * Lasersublimierschneiden
Auf diese Varianten wird im Punkt I.3 genauer eingegangen. Durch die vielen Variationsmöglichkeiten eines Lasers kann das Laserschneiden bei sehr vielen Werkstoffen angewandt werden. Es sind Vorschübe zwischen 10 m/min und 100 m/min möglich.

2. Wichtige Laserstrahlquellen

a) Festkörperlaser

Festkörperlaser, sind Laser, deren laseraktives Medium im festen Aggregatszustand ist. Das Medium enthält eine bestimmte Dotierung von laseraktiven Ionen (Fremdionen). Damit das aktive Medium Energie aufnimmt, müssen Elektronen auf ein höheres Niveau optisch gepumpt werden. Die wirkende Pumplichtwellenlänge ergibt sich aus der Energiedifferenz von unterem und oberem Energieniveau der Dotierungsionen.

Die laseraktiven Fremdionen besitzen eine sehr viel höhere Dichte als bei Gaslasern. Die Festkörperlaser besitzen gute optische Eigenschaften und eine hohe Zerstörschwelle der Festkörper, wodurch hohe Leistungen realisiert werden können. Für die Fertigung ist vor allem der Faserlaser interessant, dessen dotierter Kern eine Glasfaser bildet. Der Faserlaser ist gut skalierbar und besitzt eine hohe Ausgangsleistung (> 50 kW). Die hohe Strahlqualität und die sehr gute Effizienz ( Wirkungsgrad: 30%) sind weitere Vorteile des Faserlasers.

b) Gaslaser
Beim Gaslaser ist das laseraktive Medium (meist CO2) im gasförmigen Aggregatszustand. Die Moleküle werden durch Elektronenstöße angeregt. Außerdem wird durch zusätzliche elektrische Anregung eines beigemischten Gases (N2) die Anregung des laseraktiven Mediums durch Stoßübertragung von Vibrationsenergie unterstützt. Durch die Zusammenstöße der Moleküle schwingen diese durch die aufgenommene Energie. Hört das Molekül auf zu schwingen, wird die in der Schwingung gespeicherte Energie in Form eines Photons frei gesetzt. Die Photonen kollidieren mit weiteren Molekülen und lösen dadurch die Abgabe eines identischen Photonenteilchens aus. Durch Spiegel, die die Photonen reflektieren, wird ein höherer „Ertrag“ erreicht. Dieses gesammelte Laserlicht kann dann durch einen teildurchlässigen Spiegel austreten. Um erneut die Teilchen anregen zu können, müssen die Stickstoffteilchen durch z.B. Helium auf ihr energetisches Normalniveau zurückgeholt werden.

Der wichtigste Gaslaser in der Materialbearbeitung ist der CO2-Laser. Er besitzt eine hohe kontinuierliche Ausgangsleistung (50kW), eine hohe Strahlqualität und gehört außerdem zu den effektivsten Lasern seiner Art(Wirkungsgrad = 10-20%). Seine Wellenlänge beträgt 10600 nm, weshalb es mit diesem Laser auch möglich ist Glas und andere durchsichtige Stoffe zu schneiden.

3. Laserverfahren

a) Laserstrahlschmelzschneiden

Bei dem Laserstrahlschmelzschneiden wird die Schnittfuge gleichmäßig mit einem reaktionsarmen Gas aufgeschmolzen. Dieses Gas, meist Stickstoff, verhindert zusätzlich eine Oxidation der Schneidflächen. Des Weiteren bilden sich keine Grate, weshalb eine Nachbearbeitung des Werkstoffs nicht notwendig ist. * Zu dem Laserstrahlschmelzschneiden werden sehr leistungsstarke Festkörperlaser verwendet.

b) Laserstrahlbrennschneiden

Das Laserstrahlbrennschneiden ermöglicht nur das Schneiden von Materialien deren Zündtemperatur niedriger als die Schmelztemperatur ist. Der Werkstoff wird bis zu seiner Entzündungstemperatur erhitzt um dann durch die Zugabe von Sauerstoff zu verbrennen. Bei der Verbrennung entsteht eine Schlacke, welche durch die Schnittfugen ausgeblasen wird. Es können sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten erreicht werden, jedoch ist eine Nachbearbeitung unerlässlich, da im Regelfall die Schneidflächen oxidieren und sich zusätzlich Grate bilden können. * Als Strahlquelle finden sich hier meist CO2-Laser.

c) Laserstrahlsublimierschneiden

Das Laserstrahlsublimierschneiden eignet sich zum Schneiden von organischen Materialien. Durch den Laser geht der Werkstoff ohne flüssig zu werden, vom festen Zustand in den gasförmigen Zustand über (Sublimation). Der verbrannte Werkstoff der Schnittfuge wird also verdampft und die Verbrennungsgase werden ausgeblasen. Das Ausblasen durch Luft oder Stickstoff verhindert auch die Kondensation der Abgase an der Schnittfuge. Beim Laserstrahlsublimierschneiden kommt es nicht zu Gratbildung, weshalb eine Nachbearbeitung nicht erforderlich ist. * Als Strahlquelle dienen ausschließlich CO2-Laser.

4. Schadstoffe und Arbeitssicherheit

a) Schadstoffe

Durch die für den Materialaufbau verschiedenen benötigten Materialen können durch das Laserschneiden Schadstoffe entstehen. Für die Varianten 1 – 4 werden die Materialien Aluminium, Polyurethan, Holz, Kleber und Kunststoff verwendet. Hierbei handelt es sich um den Kunststoff ABS/PC GF20 ABS/PC GF10.

Metalle:
Beim Laserschneiden von Metallen werden diese von einem Laserstrahl so stark erhitzt, dass sie schmelzen oder verdampfen und dabei entsteht Laserstaub, in der Regel von Aerosolen.
Aerosole sind Schwebteilchen, die aus einem Gemisch von Luft oder einem anderen Gas, das als Träger dient, und Feststoffen oder Flüssigkeiten bestehen. Die Metalle werden somit von der Luft getragen und verweilen eine Weile in der Luft, bevor sie sich wieder absetzen.
Beachtet werden muss auch die Tatsache, dass viele Stähle legiert sind und das Material der Legierung (zum Beispiel Nickel, Chrom, Kupfer) dann im Laserrauch frei wird.
Aluminium und Eisen belastet die Lunge und kann zu Atemproblemen führen. Stoffe wie Mangan und Zink sind giftig. Manche Metalle, zum Beispiel Zink und Chrom, wirken krebserregend.

Organische Materialien (Holz, Kunststoff):
Durch die hohe Energie des Lasers werden die organischen Materialien wie zum Beispiel Holz und Kunststoff so weit erhitzt, dass sie verdampfen und zur Pyrolyse angeregt werden. Dabei liegt die Zersetzungstemperatur deutlich unter der von Metallen, da Holz und Kunststoff nicht schmilzt, sondern verdampft. Hierbei entstehen oft Schadstoffe. Bei der Bearbeitung finden Reaktionen statt, die gesundheitlich bedenklich sind. Die resultierenden Zersetzungsprodukte sind oft hochgiftig oder ätzend.
Besondere Vorsicht muss dann gegeben sein, wenn es um den Laserrauch von Halogenverbindungen geht. Beispiel hierfür wären die Kunststoffe PTFE ( Teflon ) oder auch PVC. Hierbei kann Chlorwasserstoff (das, in Wasser gelöst, als Salzsäure bekannt ist) oder Fluorwasserstoff (gelöst Flusssäure) entstehen, die sehr giftig und ätzend sind.
Auch beim Bearbeiten von Materialien, die mit Flammschutzmitteln versetzt sind, können hochgiftige Stoffe entstehen, zum Beispiel Dioxine und Furane.
Bei der Herstellung von Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) werden eine Reihe gefährlicher Chemikalien verwendet. Dazu gehört auch Styrol sowie Acrylnitril. Acrylnitril ist sowohl in flüssiger Form als auch als Dampf hochgiftig.
Es wird vom Menschen leicht über die Atemwege oder direkt über die Haut aufgenommen. Der Dampf ist schwerer als Luft und kann schwere Augenentzündungen, Kopfschmerzen und Übelkeit verursachen. Ebenso wie Styrol wird Acrylnitril als möglicherweise Krebs erzeugend für den Menschen eingestuft.
Bei der Erhitzung von Polycarbonat (PC) werden Zersetzungsprodukte wie Bisphenol A (BPA) freigesetzt, die erhebliche gesundheitliche Schädigungen hervorrufen können.

Fazit
Laserstaub ist aufgrund seiner Zusammensetzung in der Regel sehr gefährlich. Die geringe Größe der Partikel erhöht das Risiko, da derart feinkörnige Giftstoffe tief in die Lunge eindringen können oder gar ins Blut aufgenommen werden. Selbst wenn beim Arbeitsvorgang keine unmittelbar giftigen Stoffe entstehen, wirkt Feinstaub dennoch, unabhängig von seiner Zusammensetzung, gesundheitsschädigend. Er kann zu Entzündungen der Atemwege führen und ist vermutlich krebserregend. Eine gründliche Absaugung ist daher zum Schutz der Gesundheit notwendig.

b) Arbeitssicherheit
Das in der in der Arbeitssicherheit grundsätzliche geltende TOP-Prinzip kann man auch auf den Bereich des Laserschneidens anwenden: Technische (T) und organisatorische (O) Schutzmaßnahmen sind vor dem Einsatz einer persönlichen Schutzausrüstung (P) zu überprüfen. Dies umfasst vor allem die Verriegelungen der Zugangsöffnungen, die Umhausung des Laserbereichs, Gefahrenkennzeichen und die Unterweisung der Beschäftigten.

Beim Laserschneiden handelt es sich um einen unsichtbaren Laserstrahl, dessen Leistung so hoch sein kann, dass auch gestreute und reflektierte Strahlanteile zu Haut- und Augenschäden führen können.
Entsprechend groß ist das Gefahrenpotenzial bei einer unbeabsichtigten Bestrahlung des Menschen. Dabei sind vor allem die Augen gefährdet. Schon die diffuse Reflexion eines Laserstrahls auf einer matten Oberfläche kann bleibende Schäden auf der Netzhaut hinterlassen. Die Schäden sind in den meisten Fällen irreversibel.

Zur Sicherheit des Bedieners und herumstehende Menschen um der Lasermaschine haben diese meinst eine geschlossene Kabine, die nur geöffnet werden kann, wenn der Laserstrahl abgeschaltet ist. Zudem ist auch eine geeignete Laserschutzbrille zu empfehlen.

Die Strahlresistenz der Umhausung wird mit steigender Laserleistung und insbesondere mit den großen Fokusabständen der Faserlaser (Remoteschneiden) zunehmend zum Problem. Selbst dicke Betonplatten werden oft in wenigen Sekunden durchdrungen. Daher werden zunehmend sogenannte aktive Umhausungen eingesetzt, die das Auftreffen eines Laserstrahles oder die beginnende Zerstörung erkennen und den Laser abschalten.

Die verschiedenen Laser werden in ihrem Gefährdungsgrad durch die DIN EN 60825 „Sicherheit von Lasereinrichtungen“ in die Klassen 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B und 4 eingeteilt. Für die Bestimmung der Laser-Klasse dienen die Grenzwerte der zugänglichen Strahlung, die sog. GZS-Werte. Umso höhere die Laserklasse ist, desto aufwendiger sind die Schutzmaßnahmen.

Laser-Klasse 1
Die Laserstrahlung gilt bei bestimmungsmäßigen Betrieb als ungefährlich.
Der Grenzwert der zugänglichen Strahlung der DIN EN 60825-1:2001-11 im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1400 nm zur Klassifizierung eines Lasers ist zwischen 100 s und 30000 s gleich. Deshalb sind bei Langzeiteinwirkungen Belastungen nicht auszuschließen.

Laser-Klasse 1M
Die zugängliche Laserstrahlung liegt im Wellenlängenbereich von 302.5 nm bis
4000 nm. Die zugängliche Laserstrahlung ist für das Auge ungefährlich, solange der Querschnitt nicht durch optische Instrumente (Lupen, Linsen, Teleskope) verkleinert wird!
Sofern keine optisch sammelnden Instrumente verwendet werden, die den Strahlquerschnitt verkleinern, besteht bei Lasereinrichtungen der Klasse 1M eine vergleichbare Gefährdung wie bei Lasereinrichtungen der Klasse 1.
Bei Einsatz optisch sammelnder Instrumente können vergleichbare Gefährdungen wie bei Klasse 3R oder 3B auftreten.

Laser-Klasse 2
Die zugängliche Laserstrahlung liegt im sichtbaren Spektralbereich (400 nm bis 700 nm). Sie ist bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer bis 0,25s ungefährlich. Zusätzliche Strahlungsanteile außerhalb des Wellenlängenbereiches von 400-700 nm erfüllen die Bedingungen für Klasse 1.
Bei Lasereinrichtungen der Klasse 2 ist das Auge bei zufälliger, kurzzeitiger Einwirkung der Laserstrahlung, d. h. bei Einwirkungsdauern bis 0,25s nicht gefährdet. Lasereinrichtungen der Klasse 2 dürfen deshalb ohne weitere Schutzmaßnahmen eingesetzt werden, wenn sichergestellt ist, dass weder ein absichtliches Hineinschauen für die Anwendung über längere Zeit als 0,25s, noch wiederholtes Hineinschauen in die Laserstrahlung bzw. spiegelnd reflektierte Laserstrahlung erforderlich ist.

Laser-Klasse 2M
Die zugängliche Laserstrahlung liegt im sichtbaren Spektralbereich von 400 nm bis 700 nm. Sie ist bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer bis 0,25s für das Auge un-gefährlich, solange der Querschnitt nicht durch optische Instrumente (Lupen, Linsen, Teleskope) verkleinert wird! Zusätzliche Strahlungsanteile außerhalb des Wellenlängenbereiches von 400-700 nm erfüllen die Bedingungen für Klasse 1 M.
Sofern keine optischen Instrumente verwendet werden, die den Strahlquerschnitt verkleinern, besteht bei Lasereinrichtungen der Klasse 2M eine vergleichbare Gefährdung wie bei Lasereinrichtungen der Klasse 2.
Bei Einsatz optisch sammelnder Instrumente können vergleichbare Gefährdungen wie bei Klasse 3R oder 3B auftreten.

Laser-Klasse 3A
Die zugängliche Laserstrahlung wird für das Auge gefährlich, wenn der Strahlquerschnitt durch optische Instrumente verkleinert wird. Sie ist für das Auge ungefährlich, solange der Querschnitt nicht durch optische Instrumente (Lupen, Linsen, Teleskope) verkleinert wird! Ist dies nicht der Fall, ist die ausgesandte Laserstrahlung im sichtbaren Spektralbereich von 400 nm bis 700 nm bei kurzzeitiger Einwirkungsdauer bis 0,25s, in den anderen Spektralbereichen auch bei Langzeitbestrahlung, ungefährlich.
Sofern keine optischen Instrumente verwendet werden, die den Strahlquerschnitt verkleinern, besteht bei Lasereinrichtungen der Klasse 3A, die nur im sichtbaren Spektralbereich emittieren, eine vergleichbare Gefährdung wie bei Lasereinrichtungen der Klasse 2. Bei Lasereinrichtungen der Klasse 3A, die nur im nicht sichtbaren Spektralbereich emittieren, besteht eine vergleichbare Gefährdung wie bei Lasereinrichtungen der Klasse 1.

Laser-Klasse 3R
Die zugängliche Laserstrahlung liegt im Wellenlängenbereich von 302,5 nm bis 10 6 nm und ist gefährlich für das Auge. Die Leistung bzw. die Energie beträgt maximal das Fünffache des Grenzwertes der zulässigen Strahlung der Klasse 2 im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm.
Anmerkung:
Lasereinrichtungen der Klasse 3R sind für das Auge potentiell gefährlich wie Lasereinrichtungen der Klasse 3B. Das Risiko eines Augenschadens wird dadurch verringert, dass der Grenzwert der zugänglichen Strahlung (GZS) im sichtbaren Wellenlängenbereich auf das Fünffache des Grenzwertes der zugänglichen Strahlung für Klasse 2, in den übrigen Wellenlängenbereichen auf das Fünffache des Grenzwertes der zugänglichen Strahlung für Klasse 1 begrenzt ist.

Laser-Klasse 3B
Die zugängliche Laserstrahlung ist gefährlich für das Auge, häufig auch für die Haut.
Das direkte Blicken in den Strahl bei Lasern der Klasse 3B ist gefährlich. Ein Strahlbündel kann sicher über einen diffusen Reflektor betrachtet werden, wenn folgende Bedingungen gleichzeitig gelten:

* der minimale Beobachtungsabstand zwischen Schirm und Hornhaut des Auges ist 13 cm

* die maximale Beobachtungsdauer 10s

* es treten keine gerichteten Strahlanteile auf, die ins Auge treten können

Ein Strahlenbündel kann nur dann über einen Diffusor betrachtet werden, wenn keine gerichteten Strahlanteile auftreten.
Eine Gefährdung der Haut durch die zugängliche Laserstrahlung besteht bei Lasereinrichtungen der Klasse 3B, wenn die Werte der maximal zulässigen Bestrahlung (MZB) überschritten werden.

Laser-Klasse 4
Die zugängliche Laserstrahlung ist sehr gefährlich für das Auge und gefährlich für die Haut. Auch diffus gestreute Strahlung kann gefährlich sein. Die Laserstrahlung kann Brand- und Explosionsgefahr verursachen.
Lasereinrichtungen der Klasse 4 sind Hochleistungslaser, deren Ausgangsleistungen bzw. -energien die Grenzwerte der zugänglichen Strahlung (GZS) für Klasse 3 B übertreffen.
Die Laserstrahlung von Lasereinrichtungen der Klasse 4 ist so intensiv, dass bei jeglicher Art von Exposition der Augen oder der Haut mit Schädigungen zu rechnen ist.
Außerdem muss bei der Anwendung von Lasereinrichtungen der Klasse 4 immer geprüft werden, ob ausreichende Maßnahmen gegen Brand- und Explosionsgefahren getroffen sind; Hierfür müssen die Bedingungen der §§ 10 und 16 der Unfallverhütungsvorschrift "Laserstrahlung" erfüllt sind.

Unabhängig von den verschiedenen Laserklassen muss immer in Betracht gezogen werden, dass bei den Materialien, die mit einem Laser bearbeitet werden, Laserstaub und Schadstoffe entstehen können. Besonders bei der Entstehung von Schadstoffen muss die Lasereinrichtung eingehaust und ein Absaugsystem vorhanden sein. Zudem ist es immer sinnvoll eine Laserschutzbrille zu tragen.

II. Versuchsteile 1. Aufbauvarianten
In Zusammenarbeit mit der Firma NBHX Trim GmbH hat man sich auf 4 verschiedene Versuchsteile, welche sich jeweils durch einen unterschiedlichen Materialaufbau auszeichnen, geeinigt. Bei den Bauteilen handelt es sich um die Türzierleisten „ VW 526 Touareg“. Die verschiedenen Aufbauten sollen einen Aufschluss darüber geben, wie sich die Verwendung verschiedener Materialarten und Materialstärken auf das Ergebnis der Laserschnitte auswirken. Der Aufbau der Bauteile wird in den folgenden Variationen dargestellt:
Variante 1:
Serienaufbau (PUR-DF-GM406-UF-GM400-UF-GP185-ALU-GP185-UF-GM400-UF-ABS/PC GF20)
Schicht 1: PUR ist ein lineares Polyurethan, welches unter Abspaltung von Wasser aus Polyhydroxiverbindungen und Polysicocyanaten hergestellt werden. Es hat eine hohe Chemikalienbeständigkeit und weist nur eine geringe Schwindung auf.
Schicht 2: DF ist ein Deckfurnier, also ein dickes Blatt aus Holz, welches zu sehen ist.
Schicht 3,5,7,9 und 11: GM406, GM400 und GP185 sind spezielle Kleber um die unterschiedlichen Materialen zu fügen.
Schicht 4,6,10 und 12: UF ist ein Unterfurnier, also ein dickes Blatt aus Holz, welches im Bauteil verarbeitet wird um dessen Eigenschaften den Anforderungen anzupassen.
Schicht 8: Alu, also Aluminium, ist ein relatives weiches, jedoch zähes Metall das zur Verbesserung der Eigenschaften des Verbundstoffes beiträgt.
Schicht 13: PC sind Polycarbonate werden „durch Kondensation aus Dioxiphenylalkanen mit bifunktionellen Kohlensäureesern“ hergestellt und sind thermoplastische lineare Polyester. Es ist sehr steif und hart, besitzt aber trotzdem eine hohe Zähigkeit, außerdem ist es sterilisierbar, kochfest und beständig gegen organische Lösungsmittel.
ABS, also Acrylnitril-Butadien-Styrol, welches durch Pfropfcopolymerisation hergestellt wird. Die Eigenschaften sind eine hohe Oberflächenhärte und eine hohe Schlagfestigkeit sowie eine gute Beständigkeit gegenüber Öl.
GF20, ist der Glasfaseranteil der im Kunststoff enthalten ist. Die 20 steht für den prozentualen Anteil. Die Glasfasern erhöhen die Festigkeit und die Steifigkeit. Durch den Einsatz von Glasfasern nimmt der Kunststoff auch geringere Mengen Feuchtigkeit auf.

Variante 2: Dünnschichtaufbau (PUR-(DF + VC300+: ~ 0,35 [mm])-ABS/PC GF20)
Schicht 1: Polyurethan wie bei Variante 1
Schicht 2: Deckfurnier an das ein Fließ, VC300, angeklebt wurde.
Schicht 3: Wie die Schicht 13 bei Variante 1

Variante 3: DF/1UF (PUR-DF-GM406-UF-ABS/PC GF20)
Bei der Variante 3 wurden im Gegensatz zur Variante eins, die Unterfurniere auf ein einziges Unterfurnier reduziert und das Aluminium herausgelassen. Damit das Bauteil die Anforderungen einhält, wurde mehr ABS/PC GF20 verwendet.
Schicht 1: Polyurethan
Schicht 2: Deckfurnier
Schicht 3: GM406
Schicht 4: Unterfurnier
Schicht 5: Siehe Variante 1 Schicht 13

Variante 4: DF/4UF (PUR-DF-GM406-UF-GM400-UF-GM400-UF-GM400-UF-GM400-ABS/PC GF20)
Die Variante 4 entspricht genau der Variante 1 nur das hier das Aluminium weg gelassen wurde und dafür mehr ABS/PC GF20 eingesetzt wurde.

2. Schwierigkeitsgrade der Materialbearbeitung

a) Metallische Werkstoffe Mit K = Wärmeleitfähigkeit Ts = Schmelztemperatur A = Absorptionsgrad K = Temperaturleitfähirgkeit

Aluminium:

Je niedriger der Schwierigkeitsgrad S, desto einfacher kann ein metallischer Werkstoff bearbeitet werden. Titan besitzt z.B. einen Schwierigkeitsgrad S von 0,15*10^6, es ist also einfacher mit dem Laser zu bearbeiten als das von uns verwendete Aluminium. Die Bearbeitbarkeit von Silber hingegen, mit einem Schwierigkeitsgrad von 125,16*10^6 ist hingegen sehr viel schlechter als die des Aluminiums.

b) Nicht- metallische Werkstoffe

Mit Tvi = Vicat- Temperatur ( Erweichungstemperatur)
G = Glutfestigkeit (Widerstandsfähigkeit von Nicht- Metallischen Werkstoffen bei Berührung mit einer hellrot glühenden Oberfläche)

N > 20 => Das Material ist gut bis sehr gut zu bearbeiten

9 < N < 20 => Das Material ist ausreichend bearbeitbar

N > 9 => Das Material ist unzureichend oder gar nicht bearbeitbar.

Holz:

Polyurethan:

PC:

Zu den Materialien Vließ, PC und Glasfasern konnten keine ausreichenden Informationen zur Berechnung des Bearbeitungsschwierigkeitsgrades gefunden werden.

III. Schnittversuche und Auswertungen 1. Kriterien

a) Schnittgeschwindigkeit
Die mögliche Schnittgeschwindigkeit hat eine hohe Relevanz für den Nutzenvorteil einer solchen Investition. Der Laserstrahl muss also das Bauteil möglichst schnell trennen bzw. dessen Konturen abfahren, ohne dass hierbei die Qualität leidet um kostengünstig zu produzieren.

b) Schmauchspuren
Das Auftreten von Schmauchspuren würde eine Nachbehandlung erfordern, wodurch Kosten entstehen bzw. Zeit verloren wird. Bei starken Schmauchspuren kann es auch sein, dass das Bauteil nur durch einen sehr hohen Aufwand verkaufsfähig wird. Es ist also zu prüfen ob und welchen Grades Schmauchspuren auftreten.

c) Schnittkantengüte
Durch die Hitze des Lasers, kann es sein, dass die sichtbare Oberfläche beschädigt wird. In einem solchen Fall wäre das Laserschneiden keine Alternative zum Fräsen. Auch darf sich das Bauteil nicht so verformen, dass es nicht mehr passgenau befestigt werden kann. Es sollte außerdem geprüft werden inwieweit die Schnittkantengüte durch die Veränderung von Vorschub und Leistung beeinflusst werden kann.

d) Mögliche Radien
Um exakte Formen schneiden zu können, werden auch die möglichen Radien bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten geprüft.

2. Versuchsergebnisse

Das Ziel dieses Projekts ist die Prüfung der Möglichkeit Holzzierteile anstelle über CNC-Fräsen mittels Laserschneiden zu formatieren. Es wurde bei vielen verschiedenen Firmen (lasercomb, BLZ, Trumpf, Eifeler, itec, Jenoptik) bzgl. der Möglichkeit von Laserschneidversuchen angefragt. Jedoch bestand nur bei zwei Firmen, dem BLZ und Jenoptik, Interesse an einer Zusammenarbeit. Bei ersten Tests bei dem Bayerischen Laserzentrum, stellte sich schnell heraus, dass die vorhandenen Laser nicht den notwendigen Anforderungen entsprechen. Die Versuche bei Jenoptik führten zu besseren und unseren Ansprüchen genügenden Ergebnissen. Die Versuchsergebnisse werden im Folgenden ausführlich dargestellt.
Versuchsreihe 1:

CO2- Laserstrahlschneidversuche beim Bayerischen Laserzentrum in Erlangen Laseranlage: Trumpf TLC 750 Versuchsaufbauten: V1, V3 Versuch | Leistung kW(max. 0,75 kW) | Tast-frequenz | Schneid-gas | Gas-druck | Düsen-durchmesser | Geschwindig-keit | Fokus-lage | V 1.1 | 0,225 kW | 10 kHz | N2 | 2 bar | 1,4 mm | 2 m/min | Z0 | V 1.2 | 0,375 kW | 10 kHz | N2 | 2 bar | 1,4 mm | 2 m/min | Z0 | V 1.3 | 0,75 kW | 10 kHz | N2 | 2 bar | 1,4 mm | 2 m/min | Z0 | V 1.4 | 0,75 kW | 10 kHz | N2 | 2 bar | 1,4 mm | 1 m/min | Z0 | V 1.5 | 0,75 kW | 10 kHz | N2 | 5 bar | 1,4 mm | 1 m/min | Z0 | V 3.1 | 0,225 kW | 10 kHz | N2 | 2 bar | 1,4 mm | 2 m/min | Z0 |

Versuch | Schmauch | Schnittkantengüte | Mögliche Radien | Besonderheiten | V 1.1 | Geringe | Oberfläche leicht beschädigt, schmaler Schnitt | - | Bauteil wurde nicht durchtrennt | | | V 1.2 | Mittelmäßig | Sehr unruhiger Schnitt, Oberfläche beschädigt | - | Bauteil wurde nicht durchtrennt | | | V 1.3 | Stark | Sehr dicker Schnitt, geringe Beschädigung der Oberfläche | - | Bauteil wurde nicht durchtrennt | | | V 1.4 | Mittelmäßig | Oberfläche mittelmäßig beschädigt | - | | | | V 1.5 | Mittelmäßig | Schlecht, Oberfläche stark beschädigt | - | | | | V 3.1 | Sehr gering | Schmaler Schnitt, jedoch geringe Beschädigung der Oberfläche | | Bauteil wurde nicht durchtrennt | | |

Versuchsreihe 2:
CO2- Laserstrahlschneidversuch bei der Firma Jenoptik Laseranlage: Votan (Laserklasse 1) Versuchsaufbauten: V1, V2, V3, V4

Unabhängig von dem Materialaufbau hat sich über mehrere Versuche eine Laserleistung von 1500 W, eine Schnittgeschwindigkeit von 40mm/s, ein Schneidgasdruck von 12 bar und ein Düsenabstand zur Bauteiloberfläche von 1mm als besonders gut erwiesen. Zunächst wurde davon ausgegangen, dass eine Laserleistung von 600 W ausreichend sein sollte. Bei dieser Leistung wurde kein Testteil durchtrennt. Auch wurde davon ausgegangen, dass ein Schneidgasdruck von 2 bar ausreicht. Bei diesem Druck hat sich aber sehr viel Schmauch, sowohl auf der Oberfläche als auch auf der Unterseite des Bauteils, gebildet.
Ein Schneidgasdruck von 12 bar erwies sich als besonders gut, da kein Schmauch mehr auf der Unterseite vorhanden war. Auf der Oberseite der Testteile tritt nur beim Einstichloch Schmauch auf. Dieser ist leicht wegzuwischen oder kann durch eine Schutzfolie auf dem Testteil auf ein Minimum reduziert werden.
Da sich das Einstichloch jedoch außerhalb des eigentlichen Holzzierteils befindet und indem man bei Ausschnitten das Einstichloch in das Abfallstück setzt, lässt sich der Schmauch völlig vermeiden. Die Schnittgeschwindigkeit wurde von 50mm/s auf 40mm/s reduziert, um die Rattermarkenbildung zu reduzieren. Bei dieser Schnittgeschwindigkeit sind zwar noch leichte Rattermarken vorhanden, aber diese liegen im Rahmen.
Die Möglichkeit, die Holzierteile mit einem erforderlichen Schneidwinkel von 30° mittels eines Lasers zu schneiden, ist ebenfalls gegeben.
Das Optimum der Laserparameter für die verschiedenen Bauteil-Aufbauten wird NBHX mit der Firma Jenoptik in naher Zukunft ermitteln. Uns war es leider nicht mehr möglich dies zu tun, da Jenoptik das Optimum für die einzelnen Aufbauten erst in 4 Wochen ermitteln kann, aufgrund hoher Auftragslage.

Bilderserie der Holzzierteile mit Aluminiumanteil
V1.1

V1.2

V1.3

V1.4 (Abfallstück)

V2.1 (Ohne Aluminiumanteil)

Ergebnis
Es ist möglich die Holzzierteile von NBHX anstelle über CNC-Fräsen mittels Laserschneiden zu formatieren. Jedoch muss für die einzelnen Bauteil-Aufbauten das Optimum der Laserparameter bestimmt werden. Zudem empfehlen wir auch eine Versuchsserie mit verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten, um damit später die Zykluszeit vs. Schnittkantenqualität abzuwägen.

3. Einfluss der Parameter

a) Schnittgeschwindigkeit
Hohe Schnittgeschwindigkeit = Starke Rattermarken
Niedrigere Schnittgeschwindigkeit = schwächere Rattermarken * Beeinflussung der Schnittkantengüte b) Düsenabstand
Höherer Düsenabstand = Schmauch verteilt sich flächengemäß mehr auf dem Bauteil.
Niedrigerer Düsenabstand = Schmauch wird von unten abgesaugt und wird nur am Einstichloch abgelagert c) Schneidgasdruck
Beeinflusst den Schmauchanteil auf der Ober- und Unterseite des Holzzierteiles; höherer Schneidgasdruck = weniger Schmauch d) Laserleistung
Die Laserleistung bestimmt, ob ein zu schneidendes Bauteil durchtrennt wird oder nicht.

IV. Maschinenstundensatzrechnung Kosten | Laser | | CNC 5- Achs 1-Kopf(Hartmetall Fräswerkzeug) | | | | | Anschaffungskosten | 692.580,00 € | | 275.000,00 € | Benötigte Energie in KW | 20 | | 15 | Standzeiten in h | 1900 | | 2613 | Maschinenlaufzeit | 6860 | | 6147 | Stellfläche in m² | 40 | | 50 | Kosten pro m²(mtl.) | 60,00 € | | 60,00 € | | | | | | | | | Abschreibung | 69.258,00 € | | 27.500,00 € | Raumkosten | 2.400,00 € | | 3.000,00 € | kalk. Zinsen | 207,77 € | | 82,50 € | Instandhaltungskosten | 1.000,00 € | | 1.200,00 € | Energiekosten | 35.672,00 € | | 23.973,30 € | Werkzeugkosten | - € | | 36.882,00 € | Reinigungskosten | 1.000,00 € | | 3.000,00 € | maschinenabh. FGK p.a. | 40.279,77 € | | 68.137,80 € | Maschinenstundensatz | 5,87 € | | 11,08 € | Ersparnis pro Stunde | | 5,21 € | | möglicher Vorschub | 40 mm/s | | 30 mm/s | - Die Rechnung soll nur grob die Vorteilhaftigkeit der Laseranlage darstellen, da für eine genaue Vergleichsrechnung die exakten Werte fehlen
- Die Grau hinterlegten Werte sind nur Annahmen
- Die Kosten für die Absauganlagen konnten auf Grund fehlender Informationen nicht in die Rechnung mit einbezogen werden
- Es liegt ein Zinssatz von 6% und ein Strompreis von 0,26 € pro Stunde zu Grunde sowie eine Abschreibungsdauer/Nutzungsdauer von 10 Jahren
- Bei den Standzeiten wird von einer Woche mit 18 Schichten ausgegangen
- Die Rechnung soll nur grob die Vorteilhaftigkeit der Laseranlage darstellen, da für eine genaue Vergleichsrechnung die exakten Werte fehlen
- Die Grau hinterlegten Werte sind nur Annahmen
- Die Kosten für die Absauganlagen konnten auf Grund fehlender Informationen nicht in die Rechnung mit einbezogen werden
- Es liegt ein Zinssatz von 6% und ein Strompreis von 0,26 € pro Stunde zu Grunde sowie eine Abschreibungsdauer/Nutzungsdauer von 10 Jahren
- Bei den Standzeiten wird von einer Woche mit 18 Schichten ausgegangen | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

V. Schlussfolgerung und weitere Anregungen * Entwicklung einer geeigneten Vorrichtung * Bestimmung der opt. Laserparameter * Empfehlung einer Versuchsserie mit verschiedenen Schnittgeschwindigkeit
Aufgrund der hohen Auftragslage der Firma Jenoptik AG war es uns nicht möglich, die optimalen Laserparameter für die einzelnen Aufbauvarianten zu ermitteln.
Wie oben erwähnt, ist es möglich die Holzzierteile der Firma NBHX Trim GmbH mittels Laserschneiden zu bearbeiten.
Nach Absprache mit Herrn Krug von der Firma Jenoptik AG ist es möglich eine geeignete Laserschneidemaschine individuell für die Firma NBHX Trim GmbH herzustellen. Die Firma Jenoptik AG würde im Falle eines Kaufes einer Laserschneidemaschine ein komplettes Modul samt Vorrichtung, Umhausung und Absaugsystem zur Verfügung stellen. Aus der Sicht des Herrn Krug könnten die wenig vorhandenen Rattermarken beseitigt werden, wenn die Holzzierteile fest in eine geeignete Vorrichtung eingespannt werden. Evtl. lässt sich dann die Schnittgeschwindigkeit auch erhöhen.

--------------------------------------------
[ 1 ]. Vgl.: http://www.rz.rwth-aachen.de/global/show_document.asp?id=aaaaaaaaaaavhvn
[ 2 ]. Vgl.: http://www.hs-pforzheim.de/De de/Technik/Maschinenbau/laborbereiche/fertigungstechnik/verfahren_fertigung/Seiten/Beschreibung_Laserschneiden.aspx
[ 3 ]. Vgl.: http://www.techniklexikon.net/d/festkoerperlaser/festkoerperlaser.htm
[ 4 ]. Vgl.: http://www.elektronikinfo.de/techpic/strom/gaslaser.gif
[ 5 ]. Vgl.: http://www.laserdeal.com/techInfoFiles/Grundlagen%20der_Lasertechnik.pdf
[ 6 ]. Vgl.: http://www.leserberichte.de/themen/laserschneiden.htm
[ 7 ]. Vgl.: http://www.microstep-europa.de/de/default.aspx?CatID=1670
[ 8 ]. Vgl.: http://www.bgbau-medien.de/zh/z223/3.htm
[ 9 ]. Vgl.: http://www.laserstaub.de/laserstaub.html
[ 10 ]. Vgl.: http://www.laserstaub.de/laserstaub.html
[ 11 ]. Vgl.: http://marktcheck.greenpeace.at/kunststoffe.html
[ 12 ]. Vgl.: http://www.arbeitssicherheit.de/de/html/fachbeitraege/anzeigen/110/neue_Lasertechnologien/