Lasersnijden

Laser is een bron van elektromagnetische straling met een golflengte tussen het ultraviolette en infrarode spectrum. Het laserlicht zelf kan daarom vaak niet worden waargenomen met het menselijk oog. Desondanks spreken we van “laserlicht”.

De term “Laser” is van oorsprong een Engelse afkorting: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Een combinatie van drie eigenschappen maakt laser bijzonder geschikt om metaal mee te snijden.

Laserlicht is (1) monochromatisch, dat wil zeggen dat er licht van slechts een enkele uniforme golflengte wordt opgewekt. Daarnaast is laserlicht (2) coherent, wat wil zeggen dat de golflengte van alle lichtgolven in fase met elkaar synchroon zijn. Tot slot is laserlicht (3) directioneel, dat wil zeggen dat het licht in een enkele lijn opgewekt wordt en te richten is; het licht verspreid zich niet zoals bij een gloeilamp in alle richtingen rondom de lichtbron.

Doordat het laserlicht niet convergeert of divergeert, is het laserlicht goed inzetbaar om te richten op een zeer kleine gefocuste plek. Bij hoge vermogens, wordt deze kleine plek door de overgebrachte energie zodanig verwarmd dat het materiaal waarop de laser gericht is smelt. Het gesmolten materiaal kan met snijgas uit de snede worden gedreven. Door de laserstraal vervolgens over het materiaal te bewegen, ontstaat er een snijlijn. Dit is het principe van de plaatbewerking lasersnijden.

CNC Programma’s

De lasersnijmachines worden aangestuurd met CNC programma’s. CNC staat voor Computer Numerically Controlled. Een CNC programma is in feite een digitaal tekstbestand met instructies voor de lasersnijmachine.

In dit CNC bestand wordt o.a. vastgelegd welk materiaal de machine moet snijden, welke coördinaten de snijkop moet afleggen en op welke snelheden de snijkop moet bewegen. Ook bevat het CNC programma de zogenaamde snijparameters voor het lasersnijden. De belangrijkste snijparameters zijn het vermogen [W] dat de laserbron levert, de gasdruk [bar] die wordt toegepast voor het snijgas, en op welke hoogte [mm] het focuspunt van de laserstraal zich moet bevinden.

Offline geprogrammeerd

De CNC programma’s worden offline geprogrammeerd. Dat wil zeggen dat de CNC programma’s op computers gemaakt worden, terwijl de lasersnijmachine productie draait. De laseroperators hebben altijd verschillende CNC programma’s klaarstaan die zij kunnen starten aan de machine. Dat doen zij in de volgorde zoals de planning van de produceren productieorders dat voorschrijft.

CADCAM software

Het CNC programma wordt gemaakt met CADCAM software. CAD staat voor Computer Aided Design. CAM staat voor Computer Aided Manufacturing.

De CADCAM software die wij toepassen kan een 3D bestand van een gebogen plaatwerk onderdeel ‘uitvouwen’ naar een vlakke toestand. Deze vlakke plaat noemen we de ‘uitslag’. De ‘uitslag’ is hoe het plaatwerk onderdeel eruitziet op het moment dat het gesneden wordt op de laser, alvorens het gebogen wordt op een kantbank.

Deze uitslag wordt vervolgens voorzien van een bewerkingsplan voor het lasersnijden. In dit bewerkingsplan wordt vastgelegd op welke plek de laser moet piercen en welk traject de laserkop moet afleggen. Ook worden voor ieder buiten- en binnencontour de snijparameters vastgesteld. Het artikel wordt als het ware ‘getooled’. Het resultaat noemen we in jargon een ‘GMT’ bestand, en wordt opgeslagen in een artikelarchief. Door artikelen iedere productieserie met dezelfde tooling te produceren, bevorderen wij een constante kwaliteit van het lasersnijden. Het stelt ons in staat de snijprogramma’s continu verbeteren op basis van feedback van onze fabriek en klanten.

MES Software

MES staat voor Manufacturing Execution System. De MES software is gekoppeld aan de planning waarin voorgeschreven wordt welke artikelen met welke aantallen geproduceerd moeten worden. De MES software groepeert alle te snijden plaatwerk onderdelen vervolgens per materiaal. Alle onderdelen van hetzelfde materiaal kunnen vervolgens worden in een metaalplaat worden ‘geschikt’ door het GMT bestand uit het artikelarchief te laden. Dit proces noemen we ook wel ‘nesten’. Deze ‘nestingen’ zijn de uiteindelijke CNC programma’s die de machineoperators in de machine kunnen laden om te kunnen lasersnijden.

Contour beschikt over twee soorten machines waarmee wij plaatwerk kunnen lasersnijden. Namelijk een vlakbedlaser en een ponslasercombinatie. Beide machines beschikken over een CO2 laserbron met snijkop, echter is het mechanische principe van de plaatbewerking verschillend.

Vlakbedlaser

Bij de vlakbedlaser wordt de te snijden metaalplaat met een vacuümlift op het snijbed gepositioneerd. Het snijbed bestaat uit een rij van metalen verticaal opgestelde kammen. Het gesmolten plaatmateriaal wordt na het piercen van het plaatwerk aan de onderkant van de plaat tussen de kammen door naar de opvangbak voor het snijafval geblazen. Bij de vlakbedlaser blijft de te snijden plaat stil op het stationaire snijbed liggen. De snijkop beweegt tijdens het lasersnijden over het plaatwerk om de contouren te snijden. We noemen dit mechanisme een “vliegende optiek”, de snijkop ‘vliegt’ immers over de plaat die stil ligt.

Als het plaatwerk gesneden is, wordt het snijbed uit de machine gereden. Daarna wordt de plaat met grijpers van het snijbed getild. Deze grijpers worden tussen de kammen bewogen en tillen de gesneden plaat van het snijbed om deze op een uitvoerpallet te leggen.

Ponslasercombinatie

Het principe van de ponslasercombinatie verschilt van de vlakbedlaser. Bij de ponslasercombinatie kan de snijkop slechts zeer beperkt bewogen worden (voor de kleine gaten). Hier is het juist metaalplaat die gesneden wordt die bewogen wordt. Dat bewegen wordt mogelijk gemaakt door de plaat met een vacuümlift op een borsteltafel te leggen. De metalen plaat wordt aan een kant met klemmen vastgezet. Door deze klemmen te bewegen, kan het metaal over de borsteltafel bewogen worden. Terwijl de laserkop stil blijft staan.

Dit principe heeft als consequentie dat losgesneden plaatwerk onderdelen uit de plaat moeten worden getild, alvorens het volgende onderdeel gesneden kan worden. Zou dat niet gebeuren, dan zouden de losliggende onderdelen alle kanten op schieten bij het bewegen van de plaat met de klemmen. Om het weghalen van losliggende plaatwerk onderdelen mogelijk te maken, kan de machine de plaatwerk onderdelen op het moment van lossnijden door een klep onder de plaat in een opvangbak laten glijden. Ook kan een vacuüm- of magneetlift de onderdelen vasthouden terwijl deze worden losgesneden. Als de onderdelen helemaal zijn losgesneden uit de grotere plaat, stapelt de lift de plaatwerk onderdelen keurig op een pallet.

Doordat het bij de ponslasercombinatie de plaat is die beweegt tijdens het lasersnijden, is het mogelijk om naast de laserkop ook een zwaar geconstrueerde ponskop met actieve ondermatrijs in te zetten. De ponskop kan met een groot tonnage aan kracht op hoog tempo gaten in de plaat ponsen. Daar is een stevige constructie voor nodig, die niet zoals bij de “vliegende optiek” van de vlakbedlaser snel over de plaat kan worden bewogen.

De laserstraal wordt met het snijgas omhuld. Het snijgas wordt op hoge druk op het materiaal gericht. Het door de laser gesmolten materiaal wordt op die manier weggeblazen, waardoor het niet versmelt met de te snijden onderdelen en het niet als braam stolt aan de snijrand.

Doorgaans wordt er stikstof, zuurstof of perslucht ingezet als snijgas bij het lasersnijden. Bij Contour werken wij uitsluitend met stikstof als snijgas. Door gebruik te maken van het inerte stikstof voorkomen we dat het gesmolten materiaal chemisch reageert en door oxidatie (verbranding) verkleurt en vervuild raakt. Het resultaat is een zeer schone snijrand die niet hoeft te worden nabewerkt.

Als alternatief voor stikstof, kiezen sommige bedrijven ook voor zuurstof. Door zuurstof als snijgas toe te passen reageert het gesmolten materiaal met de zuurstof en verbrand het. Dit verbrandingsproces levert extra energie op tijdens het lasersnijden, waardoor er grotere snijsnelheden bereikt kunnen worden en grotere materiaaldiktes gesneden kunnen worden met hetzelfde laservermogen. Echter resulteert het verbrandingsproces in een oxidehuid op de snijrand die in veel gevallen moet worden nabewerkt. De oxidehuid belemmert een goede hechting van poederlak en werkt verstorend bij het lassen. Het gebruik van zuurstof als snijgas geeft dus een minder mooi snijbeeld.

In de snijkop van een lasersnijmachine wordt de laserstraal gefocust met een lens met een vaste brandpuntsafstand. Op het brandpuntsafstand is de laserstraal het dunst en de energiedichtheid het hoogst. (Te vergelijken met het aansteken van papier met behulp van zonlicht en een loupe.)

Het brandpuntsafstand is een belangrijke instelling van invloed op de kwaliteit van de snijrand van het gesneden product. De lasersnijmachines meten constant de afstand van de snijkop tot de te snijden plaat. De hoogte van de snijkop wordt op basis van deze informatie bijgesteld. Op die manier wordt de hoogtepositie van het brandpunt ten opzichte van de te snijden plaat zo stabiel mogelijk gehouden.