Effizienz maximieren: Luft als Hilfsgas beim Laserschneiden

Das Laserschneiden, eine revolutionäre Technologie, die in den 1960er Jahren eingeführt wurde, ist aufgrund seiner unvergleichlichen Präzision und Effizienz bei der Materialbearbeitung zu einem festen Bestandteil verschiedener Branchen geworden. Dieses fortschrittliche Schneidverfahren hat die Produktionsprozesse in zahlreichen Sektoren erheblich rationalisiert.

Die weit verbreitete Einführung der Laserschneidtechnologie hat jedoch den Wettbewerb auf dem Markt verschärft, was zu Preisdruck und geringeren Gewinnspannen für Anlagenhersteller und Dienstleister geführt hat. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen sich die Unternehmen auf die Optimierung ihrer Produktionsprozesse und die Verbesserung der allgemeinen betrieblichen Effizienz konzentrieren.

Eine effektive Strategie zur Kostensenkung beim Laserschneiden ist die Verwendung von Luft als Hilfsgas. Dieser Ansatz bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Hilfsgasen wie Stickstoff oder Sauerstoff:

1. Kosteneffizienz: Luft ist wesentlich preiswerter als Spezialgase und senkt die Betriebskosten erheblich.
2. Verfügbarkeit: Da Luft leicht zugänglich ist, entfällt die Notwendigkeit komplexer Gasspeicher- und -versorgungssysteme.
3. Vielseitigkeit: Luft kann effektiv zum Schneiden einer Vielzahl von Materialien eingesetzt werden, darunter Baustahl, Edelstahl und Aluminium, je nach der spezifischen Anwendung und der gewünschten Schnittqualität.

Um das luftunterstützte Laserschneiden effektiv einzusetzen, sollten Sie die folgenden bewährten Verfahren beachten:

1. Richtige Luftfilterung und Trocknung: Stellen Sie sicher, dass die Luft sauber und trocken ist, um Verunreinigungen zu vermeiden und die Schnittqualität zu erhalten.
2. Optimierter Luftdruck: Stellen Sie den Luftdruck je nach Materialstärke und -art ein, um eine optimale Schneidleistung zu erzielen.
3. Düsendesign: Verwenden Sie spezielle Düsen für das luftunterstützte Schneiden, um die Effizienz und Qualität des Schneidens zu maximieren.
4. Optimierung der Schneidparameter: Optimieren Sie die Laserleistung, die Schneidgeschwindigkeit und die Position des Brennpunkts, um die besten Ergebnisse mit Luftunterstützung zu erzielen.

Das luftunterstützte Schneiden ist zwar nicht für alle Anwendungen geeignet, insbesondere nicht für solche, die oxidfreie Schnitte erfordern, oder für das Schneiden von stark reflektierenden Materialien, aber es kann die Betriebskosten für eine breite Palette von Schneidaufgaben erheblich senken.

Die Einführung des luftunterstützten Laserschneidens sollte Teil einer umfassenden Strategie sein, die darauf abzielt, die Produktionsprozesse zu verbessern, die Effizienz zu steigern und sich auf wertschöpfende Tätigkeiten zu konzentrieren. Dieser Ansatz, kombiniert mit laufenden Investitionen in Forschung und Entwicklung, kann Unternehmen helfen, einen Wettbewerbsvorteil auf dem sich entwickelnden Laserschneidmarkt zu erhalten.

Der Einfluss verschiedener Hilfsgase auf die Schnittqualität

Untersuchen wir zunächst die Prozess des Laserschneidens:

Der vom Lasergenerator erzeugte Laser wird durch eine Linse fokussiert und konvergiert zu einem kleinen, intensiven Lichtpunkt. Der Abstand zwischen der Linse und der Platte wird sorgfältig kontrolliert, um die Stabilität des Laserpunkts in Richtung der Materialdicke zu gewährleisten.

An diesem Punkt fokussiert die Linse das Licht in einen Punkt mit einer hohen Leistungsdichte, die in der Regel 106-109 W/cm2 erreicht. Das Material absorbiert die Energie des Lichtpunkts, wodurch es sofort schmilzt. Das geschmolzene Material wird dann durch einen Hilfsgasstrom entfernt, wodurch der Schneidvorgang abgeschlossen ist.

Während des gesamten Schneidprozesses erfüllt das Hilfsgas zwei Hauptaufgaben: Es sorgt für die zum Schneiden erforderliche Kraft und entfernt das geschmolzene Material vom Werkstück.

Dabei haben die verschiedenen Gase unterschiedliche Auswirkungen auf Materialien und Profile:

(1) Sauerstoff

Sauerstoff als Hilfsgas beim Laserschneiden erfüllt einen doppelten Zweck: Er beschleunigt den Abtransport von geschmolzenem Metall und katalysiert eine exotherme Oxidationsreaktion. Durch diesen Synergieeffekt wird die Schneidleistung des Lasers erheblich gesteigert, insbesondere bei dickeren Materialien. Die Oxidationsreaktion erzeugt zusätzliche Wärme, wodurch die Energiedichte in der Schneidzone effektiv erhöht und die Effizienz des Gesamtprozesses verbessert wird.

Die Verwendung von Sauerstoff ist jedoch mit Nachteilen verbunden. Die Schneidoberfläche wird erheblich oxidiert, was bei Anwendungen, die makellose Oberflächen erfordern, eine Nachbearbeitung erforderlich machen kann. Interessanterweise entsteht durch die schnelle Abkühlung durch den Sauerstoffstrahl eine örtliche Wärmeeinflusszone (WEZ) mit erhöhter Härte. Diese metallurgische Veränderung kann für bestimmte nachfolgende Prozesse von Vorteil sein, da sie die Notwendigkeit zusätzlicher Wärmebehandlungsschritte verringern kann.

(2) Stickstoff

Stickstoff, ein inertes Gas, erzeugt beim Laserschneiden eine Schutzatmosphäre, die das geschmolzene Metall wirksam vor Oxidation schützt. Dies führt zu hochwertigen, oxidfreien Schnittflächen, was für oxidationsempfindliche Materialien oder Anwendungen, die eine hervorragende Oberflächengüte erfordern, entscheidend ist. Im Gegensatz zu Sauerstoff ist Stickstoff jedoch nicht in der Lage, durch exotherme Reaktionen zusätzliche Wärmeenergie zu erzeugen, was seine Schneidkapazität im Vergleich zu Sauerstoff einschränkt, insbesondere bei dickeren Materialien.

Die Verwendung von Stickstoff als Hilfsgas erfordert in der Regel höhere Durchflussraten, um eine wirksame Abschirmung und den Ausstoß von geschmolzenem Metall zu erreichen. Dieser höhere Verbrauch, verbunden mit den höheren Kosten für Stickstoff im Vergleich zu Luft oder Sauerstoff, führt zu erhöhten Betriebskosten. Diese Kosten müssen jedoch gegen die Vorteile einer verbesserten Schnittqualität und geringerer Nachbearbeitungsanforderungen bei vielen Anwendungen abgewogen werden.

(3) Luft

Luft, eine leicht verfügbare und kostengünstige Option, bietet einen ausgewogenen Ansatz für das Laserschneiden. Ihre Zusammensetzung aus etwa 78% Stickstoff und 21% Sauerstoff bietet eine einzigartige Kombination aus partieller Oxidation und partieller Abschirmung. Dies führt zu einer mäßigen Oxidation an der Schnittkante, während der überwiegende Stickstoffgehalt eine übermäßige Oxidation abschwächt und zur Wärmeübertragung durch Konvektion beiträgt.

Die Schneidleistung von Luft liegt zwischen der von reinem Sauerstoff und reinem Stickstoff. Auch wenn die Schneidgeschwindigkeit von Sauerstoff bei dicken Materialien oder die mit Stickstoff erreichte Oberflächenqualität nicht erreicht werden kann, bietet Luft eine vielseitige und wirtschaftliche Lösung für eine Vielzahl von Anwendungen. Die Hauptkosten, die mit der Verwendung von Luft verbunden sind, sind der Stromverbrauch des Luftkompressors und die Wartung des Luftfiltersystems, die im Allgemeinen niedriger sind als die Kosten, die bei reinen Gassystemen anfallen.

Die Wahl zwischen diesen Hilfsgasen hängt von Faktoren wie Materialart, Dicke, gewünschte Schnittqualität und wirtschaftlichen Überlegungen ab. Moderne Laserschneidsysteme ermöglichen häufig eine dynamische Gasumschaltung, so dass die Bediener die Gasauswahl je nach den spezifischen Auftragsanforderungen optimieren können.

Der Einfluss verschiedener Hilfsgase auf die Schneidkosten

FIG. 1 zeigt die Wirkung des Schnittes von 1.5 mm dick Edelstahl 304 unter Verwendung von Stickstoff und Luft als Hilfsgas. Wie in der Abbildung zu sehen ist, ist der Abschnitt bei Verwendung von Stickstoff als Hilfsgas glänzend und hell, während der Abschnitt bei Verwendung von Luft blassgelb ist.

Ein Vergleich der Schneidkosten von Luft und Stickstoff als Hilfsgas für 1,5 mm dicken Edelstahl 304 ist in Tabelle 1 dargestellt. Für den Vergleich wurde die neueste Generation von Faserlaserschneidmaschinen mit selbstentwickelten Faserlasergeneratoren ausgestattet.

Die Kostenanalyse zeigt, dass die Verwendung von Luft als Hilfsgas zu einem Rückgang der Schneidkosten pro Stunde um 23,7% im Vergleich zur Verwendung von Stickstoff führt. Diese Senkung der Schneidkosten kann sich erheblich auf die Gesamtverarbeitungskosten des Werks auswirken.

Außerdem wird der Stromverbrauch des Luftkompressors wie folgt analysiert:

Viele Unternehmen verwenden derzeit nicht variable Schraubenluftkompressoren. Der Einsatz eines permanentmagnetischen frequenzgesteuerten Schraubenkompressors kann allein für den Luftkompressor zu einer Stromeinsparung von bis zu 50% führen.

Bei der Verwendung von Luft als Hilfsgas sind die Schneidkosten um 36,2% niedriger als bei der Verwendung von Stickstoff.

Tabelle 1 Vergleich der Schnittkosten

Anmerkung:

(1) Die oben genannte Kostenanalyse wurde unter den folgenden Annahmen berechnet:

• Das Betriebsverhältnis der Werkzeugmaschine wurde mit 70% angenommen.
• Für die elektrische Ladung wurde ein Wert von 1 Yuan/KW angenommen.
• Die Kosten für Stickstoff wurden auf der Grundlage des Preises für Flüssigstickstoff von 1,5 Yuan/kg berechnet.

(2) Die Leistungsaufnahme des Luftkompressors beim Schneiden mit Luft wurde für einen nicht variablen Schraubenkompressor mit einer Leistung von 17,5 kW, einem Druck von 1,26 MPa und einer Durchflussmenge von 2,3 m berechnet.³/min.

(3) Wenn Stickstoff als Hilfsgas für das Schneiden verwendet wird, muss der Luftkompressor die Maschine weiterhin mit Gas versorgen, was zu Stromkosten führt.

(a) Der Schneidbereich, wenn Stickstoff als Hilfsgas verwendet wird

(b) Der Schneidbereich, wenn Luft als Hilfsgas verwendet wird

(c) Schnittvergleich zweier Teile (Stickstoff links und Luft rechts)

Abb.1 Schnittbildwirkung bei Verwendung von Stickstoff und Luft als Hilfsgas

Der Anwendungsbereich bei Verwendung von Luft als Hilfsgas

(1) Kohlenstoffstahlblech /Q235 Stahlplatte

Wenn die Blechdicke 1,5 mm übersteigt, entsteht ein gewisser Grat auf dem Schneideabschnitt. Die Grate sind jedoch nicht scharf genug, um Papier zu zerkratzen.

Die maximale Dicke, die mit Luft als Hilfsgas geschnitten werden kann, variiert je nach Leistung und Lasertyp Generator.

(2) Platte aus rostfreiem Stahl /SUS304 Stahlplatte

Beim Schneiden entsteht eine gelbe Oxidschicht.

(3) Aluminiumplatte /A1050 Platte & Platte aus Aluminiumlegierung /A5052 Platte

Die Schneidgrat wird im Vergleich zur Verwendung von Stickstoff als Hilfsgas reduziert.

Tabelle 2 zeigt den Schneidbereich bei Verwendung von Luft als Hilfsgas für Kohlendioxid-Laserschneidmaschinen und Faserlaserschneiden Maschinen.

Tabelle 2 Die maximale Dicke der Platte wird bei Verwendung von Luft als Hilfsgas geschnitten

Der Einfluss von Luft als Hilfsgas auf das Schneiden

(1) Für Bleche aus Kohlenstoffstahl

Wenn beim Laserschneiden von Kohlenstoffstahl Luft als Hilfsgas verwendet wird, entstehen Schnittflächen mit minimalen Graten. Diese Grate sind in der Regel weniger scharf und besser handhabbar als bei anderen Gasen. Dieses Ergebnis ist besonders vorteilhaft für Bauteile mit moderaten Grattoleranzanforderungen. Die Oxidationsreaktion zwischen der Luft und dem geschmolzenen Stahl erzeugt eine dünne Oxidschicht, die das Ausstoßen des geschmolzenen Materials unterstützen kann, was zu saubereren Schnitten führt.

(2) Für Bleche aus rostfreiem Stahl

Die Verwendung von Luft als Hilfsgas beim Schneiden von Blechen aus rostfreiem Stahl führt zu einer Oxidation, die zu verschiedenen Problemen führen kann. An den Schnittkanten können Defekte wie Schlackenbildung und Porosität (Stomata) in der zukünftigen Schweißzone auftreten. Diese Unvollkommenheiten können die Integrität der nachfolgenden Schweißvorgänge erheblich beeinträchtigen und die Festigkeit und Qualität der Schweißverbindung potenziell verringern.

Um diese Probleme zu mindern, ist es wichtig, eine Oberflächenvorbereitung nach dem Schneiden durchzuführen. Dazu gehört in der Regel das mechanische Entfernen der Oxidschicht von den Schnittkanten durch sorgfältiges Schleifen oder Polieren. Dieser Schritt ist unerlässlich, um die Oberfläche wieder in einen Zustand zu versetzen, der für hochwertiges Schweißen geeignet ist und eine optimale Verbindungsfestigkeit und -leistung gewährleistet.

Außerdem bildet sich auf der Schnittfläche eine charakteristische gelb-braune Oxidschicht. Diese Verfärbung kann bei äußerlich sichtbaren Teilen, bei denen die Ästhetik wichtig ist, problematisch sein. Die Oxidschicht beeinträchtigt auch die Schweißprozesse, da sie Verunreinigungen einbringt und die Oberflächeneigenschaften des Materials verändert. Daher muss diese Schicht vor dem Schweißen unbedingt durch Polieren oder chemische Behandlung entfernt werden, um eine ordnungsgemäße Verschmelzung und Integrität der Verbindung zu gewährleisten.

(3) Für Aluminiumplatten und Platten aus Aluminiumlegierungen

Bei Platten aus Aluminium und Aluminiumlegierungen bietet die Verwendung von Luft als Hilfsgas während des Schneidens einen deutlichen Vorteil in Bezug auf die Gratreduzierung. Der Oxidationsprozess, der bei Luft auftritt, hilft bei der Steuerung des Flusses des geschmolzenen Metalls, was zu kleineren, kontrollierteren Graten entlang der Schnittkanten führt. Dies steht im Gegensatz zur Verwendung von Stickstoff als Hilfsgas, das zwar einen sauberen Schnitt ermöglicht, aber aufgrund des fehlenden Oxidationseffekts zu größeren Graten neigt.

Die Wahl zwischen Luft und Stickstoff für das Schneiden von Aluminium hängt oft von der spezifischen Legierungszusammensetzung, der Blechdicke und dem Verwendungszweck der geschnittenen Teile ab. Für Anwendungen, bei denen eine minimale Nachbearbeitung erwünscht ist und eine leichte Oxidation akzeptabel ist, kann Luft die bevorzugte Wahl sein. Bei hochpräzisen Bauteilen oder wenn eine völlig oxidfreie Oberfläche erforderlich ist, kann Stickstoff jedoch trotz der größeren Grate bevorzugt werden, da diese in den nachfolgenden Nachbearbeitungsvorgängen leichter entfernt werden können.

Anforderungen an die Luftversorgungseinrichtung bei Verwendung von Luft als Hilfsgas

Bei der Verwendung von Luft als Hilfsgas in Metallverarbeitungsprozessen ist ein konstanter Druck von 0,9 MPa erforderlich. Um diese Anforderung zu erfüllen, empfiehlt sich der Einsatz eines Schraubenkompressors mit einem Nennarbeitsdruck von 1,26 MPa und einer Durchflussmenge von 2,3 m³/min. Diese Spezifikation gewährleistet einen angemessenen Druck und ein angemessenes Volumen für eine optimale Leistung.

Die Luftqualität ist entscheidend für Präzisionsschneid- und Schweißanwendungen. Die Druckluft sollte eine Trocknungsrate von 99% mit einem Feuchtigkeitsgehalt von unter 1/100 erreichen. Um diesen hohen Standard aufrechtzuerhalten, sollten Sie in der Druckluftleitung ein mehrstufiges Filtersystem mit HEPA-Filtern (High Efficiency Particulate Air) und Koaleszenzfiltern einsetzen. Die regelmäßige Wartung und der Austausch dieser Filterelemente sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Luftqualität über einen längeren Zeitraum.

Für eine effektive Feuchtigkeitsentfernung stehen zwei primäre Trockneroptionen zur Verfügung: regenerative Adsorptionstrockner und Kältetrockner. Beide haben ihre Vorzüge, doch regenerative Adsorptionstrockner werden aufgrund ihrer höheren Stabilität, ihres geringeren Wartungsbedarfs und ihrer längeren Lebensdauer bevorzugt. Diese Systeme verwenden Trockenmittel, um Feuchtigkeit zu entfernen, und bieten eine gleichbleibende Leistung auch unter wechselnden Umgebungsbedingungen.

Bei der Auslegung des Druckluftverteilungssystems müssen der Rohrleitungsdurchmesser und die Auswahl des Druckminderers sorgfältig bedacht werden. Diese Komponenten sollten auf der Grundlage der Durchflussmenge und der Druckleistung des Kompressors dimensioniert werden, um den Druckabfall zu minimieren und eine stabile Luftversorgung am Einsatzort zu gewährleisten. Die Implementierung eines Kreislaufsystems mit richtig dimensionierten Verteilern und Fallleitungen kann die Druckstabilität und Systemeffizienz weiter verbessern.

Um den Energieverbrauch zu optimieren, sollten Sie in einen Schraubenkompressor mit Permanentmagnet und variablem Frequenzantrieb (VFD) investieren. Diese modernen Systeme können den Stromverbrauch im Vergleich zu Alternativen mit fester Drehzahl um bis zu 50% senken. Die VFD-Technologie ermöglicht es dem Kompressor, seine Leistung an den Bedarf anzupassen, was zu erheblichen Energieeinsparungen in Zeiten mit geringerem Luftverbrauch führt.

Darüber hinaus kann die Implementierung eines umfassenden Luftmanagementsystems die Effizienz weiter steigern, indem es die Luftverbrauchsmuster überwacht, Lecks aufspürt und den Betrieb der Kompressoren optimiert. Regelmäßige Audits des Druckluftsystems können Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung und Energieeffizienz aufzeigen.

Schlussfolgerung

In der heutigen, hart umkämpften Industrielandschaft können sich Unternehmen einen entscheidenden Vorteil verschaffen, indem sie ihre Produktionsprozesse optimieren, das Produktdesign verfeinern und innovative Fertigungsstrategien umsetzen.

Ein besonders effektiver Ansatz zur Erzielung eines Wettbewerbsvorteils liegt in der Senkung der Verarbeitungskosten innerhalb bestehender Arbeitsabläufe. Dies kann durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien und intelligente Prozessoptimierung erreicht werden.

Eine solche kosteneffiziente Lösung ist die Verwendung von Luft als Hilfsgas beim Schneiden, insbesondere bei bestimmten Materialien und Dicken. Dieser Ansatz kann die Schneidkosten erheblich senken, vor allem im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren mit Stickstoff oder Sauerstoff. Die Vorteile gehen über reine Kosteneinsparungen hinaus:

1. Geringere Umweltbelastung durch geringeren Gasverbrauch
2. Vereinfachte Logistik- und Lageranforderungen
3. Potenzial für höhere Schnittgeschwindigkeiten bei bestimmten Anwendungen
4. Verbesserte betriebliche Gesamteffizienz

Durch den Einsatz des luftunterstützten Schneidens können Unternehmen nicht nur ihre Gewinnspannen erhöhen, sondern auch ihre Ressourcen effektiver für andere wichtige Bereiche der Geschäftsentwicklung einsetzen. Diese strategische Verlagerung der Ressourcenzuweisung kann eine wichtige Unterstützung für umfassendere Umgestaltungs- und Modernisierungsinitiativen sein und es den Unternehmen ermöglichen, in einer sich ständig weiterentwickelnden Industrielandschaft wettbewerbsfähig zu bleiben.

Es ist jedoch zu beachten, dass die Eignung von Luft als Hilfsgas von Faktoren wie Materialart, -dicke und der erforderlichen Schnittqualität abhängt. Unternehmen sollten gründliche Kosten-Nutzen-Analysen und Qualitätsbewertungen durchführen, bevor sie diese Technologie in ihren Produktionslinien einsetzen.

Da sich die Branchen weiter entwickeln, ist die Einführung solcher kostengünstigen und effizienten Technologien für Unternehmen, die einen Wettbewerbsvorteil erzielen und gleichzeitig nachhaltiges Wachstum und Innovation anstreben, von entscheidender Bedeutung.