Laser & fiberlaser
De opkomst van de lasertechniek is bepalend geweest voor de plaatbewerkende industrie. Vrijwel iedere gewenste contour kan met de laser uit het plaatmateriaal worden gesneden. Samen met de CNC-besturing werd het zogenoemde soft-tooling mogelijk: snijden zonder productgebonden gereedschap. Vroeger werd daarvoor vaak stansgereedschap op maat toegepast, ook wel hard-tooling genoemd.
In de moderne plaatbewerking is de solid-state laser, in de praktijk meestal fiberlaser genoemd, de standaard geworden voor het lasersnijden van plaatwerk. Maar wat maakt de laser zo geschikt als scheidingstechniek voor plaatbewerking, en wat is het verschil tussen een CO2-laser en een fiberlaser? Op deze pagina leggen we de techniek uit en schetsen we wat de huidige generatie lasersnijmachines mogelijk maakt.
Wat is een laser?
Laser is een vorm van elektromagnetische straling. Laserbronnen kunnen ultraviolet, zichtbaar of infrarood licht maken. Bij het snijden van metaal wordt vooral infrarood gebruikt: solid-state laserbronnen rond 1 µm en CO2-laserbronnen rond 10,6 µm. Dat laserlicht is niet zichtbaar voor het menselijk oog, maar het wordt nog steeds gewoon “licht” genoemd.
De term “laser” is van oorsprong een Engelse afkorting: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Een combinatie van drie eigenschappen maakt laserlicht bijzonder geschikt om metaal mee te snijden:
- 1
Laserlicht is monochromatisch: er wordt licht van slechts één uniforme golflengte (kleur) opgewekt.
- 2
Laserlicht is coherent: alle lichtgolven zijn in fase en lopen synchroon met elkaar.
- 3
Laserlicht is directioneel: het licht wordt in een nauwe, gerichte bundel opgewekt. Anders dan bij een gloeilamp verspreidt het zich niet in alle richtingen rondom de lichtbron.
Hoe werkt lasersnijden?
Doordat laserlicht directioneel is en nauwelijks divergeert, laat het zich met een lens scherp bundelen op een zeer kleine, gefocuste plek. In dat brandpunt is de vermogensdichtheid enorm.
Bij hoge vermogens wordt het materiaal op die plek zo sterk verhit dat het smelt of verdampt. Het gesmolten materiaal wordt vervolgens met een snijgas onder hoge druk uit de snede geblazen. Door de laserstraal over de plaat te bewegen, ontstaat een snijlijn. Dit is het werkingsprincipe van het lasersnijden.
Deze techniek heeft een aantal sterke voordelen voor de plaatbewerking:
CO2-laser versus fiberlaser
Voor het lasersnijden van plaatwerk worden twee families laserbronnen onderscheiden: de CO2-laser en de solid-state laser. In de plaatbewerking wordt “fiberlaser” vaak gebruikt als verzamelnaam voor een solid-state laser rond 1 µm waarvan de bundel via een glasvezelkabel naar de snijkop gaat.
Daarbij is het goed om onderscheid te maken tussen de machinebouwer en de laserbron. In Europese plaatwerkbedrijven zie je veel machines van onder meer TRUMPF, Bystronic, AMADA, LVD, Eagle, Mazak en Mitsubishi. De bron of oscillator in zo’n machine kan door de machinebouwer zelf worden geleverd, of door een gespecialiseerde bronfabrikant zoals IPG, Coherent, nLIGHT, FANUC, Raycus of MAX Photonics. Bij TRUMPF is de bron vaak onderdeel van het eigen ecosysteem, zoals TruDisk of TruFiber.
Bij Contour snijden we met een TRUMPF solid-state laser: bij deze TruLaser-machines komt het laserlicht uit een schijflaser (TruDisk), die via een verwisselbare glasvezelkabel met de snijkop is verbonden. Sinds halverwege de jaren 2010 heeft de solid-state laser de markt voor plaatmetaal grotendeels overgenomen. Nieuwe CO2-installaties worden voor vlakbed-plaatlasersnijden nog maar beperkt geplaatst; CO2 behoudt vooral waarde bij materialen zoals kunststof, hout en enkele specialistische toepassingen.
Golflengte en absorberend vermogen
Belangrijk bij lasersnijden is dat het materiaal de laserstraling absorbeert. Alleen geabsorbeerde straling verwarmt het materiaal, zodat het smelt. Straling die reflecteert (spiegel) of door het materiaal heen passeert, laat het werkstuk onaangetast.
De golflengte (kleur) van de straling bepaalt in belangrijke mate hoeveel een materiaal absorbeert, en die golflengte verschilt per type laserbron. Een solid-state laser werkt met een golflengte rond 1 µm: een schijflaser op circa 1.030 nm en een fiberlaser meestal tussen 1.060 en 1.080 nm. Dat kleine verschil komt door het actieve medium: een met ytterbium gedoteerde YAG-schijf bij de schijflaser tegenover een met ytterbium gedoteerde glasvezel bij de fiberlaser. Een CO2-laser zendt straling uit met een golflengte van 10.600 nm (10,6 µm), ongeveer een factor tien langer.
Als vuistregel geldt: hoe korter de golflengte in het infrarood, hoe beter metaal de straling absorbeert. De kortere golflengte van de solid-state laser wordt door gangbare plaatmetalen zoals staal, RVS, aluminium en koperlegeringen beter geabsorbeerd dan de lange CO2-golflengte. De werkelijke absorptie hangt af van oppervlak, invalshoek en temperatuur; zodra het materiaal smelt of een keyhole vormt, neemt de koppeling van laserenergie verder toe. In de praktijk snijdt een solid-state laser daardoor sneller, vooral in dunne en middeldikke plaat, en verwerkt hij reflecterende metalen die voor een CO2-laser lastig of risicovol zijn.
Voordelen van de solid-state laser in de praktijk
De solid-state laser, als schijflaser of fiberlaser, heeft om verschillende redenen de standaard gezet voor de plaatbewerking:
Snijkwaliteit: CO2 versus moderne solid-state laser
Lange tijd gold de CO2-laser als referentie voor de hoogste snijkwaliteit: op grotere materiaaldiktes was de snijrand van een CO2-snede vaak gladder. Bij de meest moderne lasersnijmachines is dat verschil in de meeste plaatwerktoepassingen sterk verkleind. Dankzij bundelvormingstechnologie, bijvoorbeeld TRUMPF BrightLine fiber, nLIGHT Corona en Coherent HighLight FL-ARM, kan de vermogensverdeling van een solid-state laser worden aangepast aan materiaal en plaatdikte. Daardoor combineert de moderne solid-state laser een hoge productiviteit met een industrieel nette snijkant, ook in dikkere plaat. Alleen bij speciale materialen of uitzonderlijk dikke plaat met bijzondere kwaliteitseisen blijft CO2 relevant.
Veiligheid en omkasting
De golflengte bepaalt ook het veiligheidsrisico. De nabij-infrarode straling van een fiberlaser (~1 µm) dringt door tot het netvlies en wordt door metaal sterk gereflecteerd. Daarom zijn fiberlasermachines volledig omkast (laserklasse 1). De langere CO2-golflengte (10,6 µm) wordt juist aan het oppervlak van het oog geabsorbeerd, dus in het hoornvlies, en kaatst minder gevaarlijk terug. Bij oudere, open CO2-machines volstond een borstel rond de snijkop als afscherming. Moderne machines zijn echter standaard volledig gesloten uitgevoerd.
Reflecterende metalen: koper en messing
Koper, messing en aluminium reflecteren infraroodstraling sterk. Bij kamertemperatuur absorbeert koper slechts een klein deel van 1-µm straling; na het ontstaan van smelt en keyhole neemt de absorptie toe. Toch snijdt een moderne solid-state laser deze materialen goed. Dat komt door de hoge vermogensdichtheid in het brandpunt, procesparameters voor non-ferrometalen en bron- en optiekbeveiliging tegen terugreflectie. Een CO2-laser kon koper nauwelijks veilig verwerken: de teruggekaatste straal kon resonator en spiegels beschadigen.
Groene laserbronnen rond 515 nm en blauwe diodebronnen rond 450 nm zijn industrieel beschikbaar voor vooral koperlassen, batterijtoepassingen en elektronica. Koper absorbeert groen licht bij kamertemperatuur veel beter dan nabij-infrarood licht. Voor standaard 2D-plaatlasersnijden zijn deze golflengten in de praktijk echter geen vervanging van de 1-µm solid-state laser; ze zijn vooral relevant in speciale koperprocessen.
Industriële solid-state laserbronnen in moderne productie
De gangbare laserbronnen in productieomgevingen zijn geen labopstellingen, maar robuuste hoogvermogenbronnen die in snijmachines, robotcellen en geautomatiseerde lijnen worden ingebouwd. In de Europese plaatwerkindustrie is het merk op de machine vaak bekender dan het merk op de bron. TRUMPF gebruikt in zijn eigen vlakbedmachines doorgaans eigen bronnen zoals TruDisk en TruFiber. AMADA en Mitsubishi leveren hun fiberlasers meestal als eigen machine- en oscillatorpakket. Bij machinebouwers zoals Bystronic, LVD, Eagle en andere Europese OEM’s zit vaker een bron van een gespecialiseerde leverancier in de machine. In de praktijk kom je vooral IPG Photonics tegen, naast bronnen van onder meer Coherent, nLIGHT, FANUC, Raycus en MAX Photonics. Welke bron precies is toegepast, hangt af van machinegeneratie, vermogen, optieconfiguratie en markt.
Het verschil tussen moderne bronnen zit steeds minder alleen in het aantal kilowatt. Beam shaping, vermogensstabiliteit, terugreflectiebeveiliging, snijkopbewaking, automatische focus/nozzle-instelling en softwarematige procesdatabases bepalen in de praktijk minstens zo sterk of een machine betrouwbaar en onbemand kan produceren.
Materialen en plaatdiktes
Een moderne solid-state laser verwerkt vrijwel alle gangbare plaatmetalen, van dunne plaat tot dikke plaat. De maximale plaatdikte hangt af van het beschikbare laservermogen, de bundelkwaliteit, de snijkop, het gebruikte snijgas, het procespakket en de gewenste kantkwaliteit. Dunne plaat rond 0,5 mm is normaal laserwerk; bij high-end vlakbedmachines met vermogens boven 12 kW liggen de maximale snijdiktes veel hoger. Onderstaande waarden zijn indicatieve bereiken en bovengrenzen voor moderne fiberlasers in de markt, geen vaste Contour-specificatie:
| Materiaal | Indicatieve snijdikte | Opmerking |
|---|---|---|
| Constructiestaal S235 / S355 |
ca. 0,5 tot 40 mm tot 60 mm met dikplaatpakket |
De hoogste diktes vragen veel vermogen, de juiste optiek en vaak speciale procesinstellingen. |
| Roestvast staal RVS 304 / 316 |
ca. 0,5 tot 40 mm tot 60 mm met dikplaatpakket |
Meestal met stikstof voor een oxidevrije snijrand; dik RVS vraagt veel gas en stabiele instellingen. |
| Aluminium | ca. 0,5 tot 40 mm | Reflecterend en warmtegeleidend; vraagt stabiele procesinstellingen. |
| Koper | dunne plaat tot ca. 16 mm | Alleen met geschikte solid-state bron en terugreflectiebeveiliging. |
| Messing | dunne plaat tot ca. 12,7 mm | Vergelijkbaar kritisch door reflectie en warmtegeleiding. |
De hoogste diktes zijn fabrikant- en machineafhankelijk en gelden niet automatisch voor iedere kwaliteitseis of iedere productiesituatie. Neem gerust contact met ons op voor de actuele Contour-specificaties.
Snijkwaliteit, toleranties en nabewerking
Lasersnijden levert een smalle snede met beperkte warmte-inbreng en nauwe toleranties. De haalbare maatnauwkeurigheid hangt af van plaatdikte, materiaal en machine, maar ligt voor dunne plaat doorgaans binnen enkele tienden van een millimeter. Op de snijkant kan een lichte braam of oxidehuid achterblijven.
Waar nodig wordt het product nabewerkt door ontbramen en kanten breken. Na het snijden volgen vaak vervolgbewerkingen zoals kanten (buigen), ponsen en lassen, zodat een compleet plaatwerkproduct ontstaat.
Automatisering en modern lasersnijden
Lasersnijden is bij uitstek geschikt voor vergaande automatisering. Moderne installaties combineren de snijmachine met automatische belading en ontlading, magazijntorens en software voor nesting en planning. Zo kan onbemand worden doorgeproduceerd, ook 24/7 en lights-out. Bij Contour draait het lasersnijden volautomatisch, 24 uur per dag, met automatische belading en ontlading.
De belangrijkste ontwikkelingen op een rij: