Hohe Schneidgeschwindigkeiten durch exakte Messungen der Strahlleistung bei CO2-Lasermaschinen

Wissen Sie, warum Ihr Laser immer länger benötigt, um das gleiche Teil zu schneiden? Es liegt daran, dass Laser sich mit der Zeit verändern. Niemand ist erstaunt, wenn sich mechanische Schneidwerkzeuge mit der Zeit abnutzen und irgendwann abbrechen. Laser, die mit der enormen Intensität von Lichtstrahlen Metall ohne direkten Kontakt zum Material schweißen oder schneiden, scheinen resistent zu sein gegen langfristige Änderungen. Aber wir wissen, dass sie sich selbst im Laufe von wenigen Monaten dramatisch verändern können. Das führt zu geringen Schneidgeschwindigkeiten und schlechter Schneidqualität, was sich direkt in höheren Arbeitskosten, Abfall durch Ausschuss, längeren Lieferzeiten und geringerer Kundenzufriedenheit auswirkt.

Überraschenderweise vermuten manche Produktionsabteilungen den Fehler bei ihrem Laser, „leben“ aber einfach damit und nehmen geringere Erträge und höhere Fertigungszeiten einfach als gegeben hin. In anderen Fällen sind die Außendienst-Techniker einiger Hersteller von Laser-Zerspanungsmaschinen mit dem Lösen eines solchen Problems überfordert. Trotz der erheblichen Kosten, die solche Außendiensteinsätze verursachen, nutzen die wenigsten Produktionsabteilungen quantitative Kriterien, um zu beurteilen, ob der Techniker die Funktion des Lasers tatsächlich verbessert hat.

Dabei können verlässliche Messwerte bei kW-CO2-Lasern mit Messgeräten gewonnen werden, die einfach zu bedienen sind. Deren Anwendung reduziert die Servicezeiten vor Ort erheblich und steigert gleichzeitig die Kundenzufriedenheit. Diese kurze Anwendungsbeschreibung diskutiert Ergebnisse, die wir bei der Messung der Ausgangsleistung von Multikilowatt CO2-Lasern gefunden haben und die Auswirkungen, die dies auf die Schneidgeschwindigkeit hatte.

Geschwindigkeit = Laserleistung

Die Schneidgeschwindigkeit hängt direkt mit der Laserleistung zusammen. Je höher die Leistung, desto schneller die Schneidgeschwindigkeit. Eine Zerspanungsmaschine mit CO2-Laser, die wir ausgewertet haben, produzierte qualitativ hochwertige Teile, arbeitete aber enorm langsam. Beim Betrieb an der Leistungsgrenze, die der Hersteller mit 4 kW angab, sollte sie die 9,5 mm dicken Aluminiumblechplatten mit einer Rate von 635 mm pro Minute schneiden. Stattdessen schnitt das System aber nur 381 mm pro Minute, so dass für jedes Teil nahezu die doppelte Zeit benötigt wurde. Betrachtete man die Arbeitskosten des Unternehmens, führte dies zu zusätzlichen Kosten von 50 Dollar für ein Teil, das vielfach am Tag produziert wurde. Nachdem wir die Ausgangsleistung des Lasers analysiert hatten, war klar warum.

Bei maximaler Leistungseinstellung lieferte der Laser nur 1,8 kW anstelle der angegebenen 4 kW. Wir nutzten einen Ophir 10 kW-BB-45 thermischen Messkopf, um die Ausgangsleistung des Lasers zu analysieren. Bei diesem Messkopf wird der Strahl direkt in den Sensor gelenkt; ein interner Kegel verhindert, dass das Laserlicht zurück reflektiert wird. Dies schützt vor eventuellen Gefahren.

Bei Leistungen im Kilowatt-Bereich muss der Sensor durch eine Wasserkühlung vor dem Überhitzen geschützt werden. Dazu genügt aber ein einfacher Aufbau mit knapp 20 Litern Leitungswasser und einer herkömmlichen Umwälzpumpe für den Garten, um den Sensor ausreichend für mehrere Minuten lange Messungen zu kühlen.

Thermische Leistungssensoren wurden entwickelt, um die Leistung unabhängig von der Strahlgröße und der Strahlposition auf dem Sensor exakt messen zu können. Sie lassen sich einfach anhand offizieller, nationaler Leistungsstandards kalibrieren, um einen hohen Genauigkeitsgrad zu erzielen. Auf Änderungen der Strahlleistung reagieren sie in nur drei Sekunden. Damit eignen sie sich hervorragend, um die Laserleistung während eines Optimierungsprozesses aktiv zu justieren.


Darstellung 1: Thermische Messungen eines CO2-Lasers bei voller Leistung. Der Laser lieferte bei maximaler Leistungseinstellung 1,8 kW Leistung, obwohl er mit 4 kW spezifiziert war.

 

Thermische Sensoren unterscheiden sich deutlich von sogenannten „Power Pucks“, die häufig genutzt werden, um CO2-Laser stichprobenartig zu überprüfen. Diese Power Pucks nutzen einen Bimetall Streifen, wie er häufig in Kochthermometern verwendet wird. Diese Bimetall Streifen sind in einen Block aus Stahl eingebettet und haben typische Antwortzeiten von 20 Sekunden. Es handelt sich also um relativ langsame Messwerkzeuge. Die Kalibrierung der Metallstreifen kann nachträglich nicht angepasst werden und die Leistungsmessungen hängen sehr stark von der Strahlposition, der Bestrahlungsdauer und dem thermischen Kontakt des Blocks während des Messvorgangs ab. Zahlreiche Chefköche wiesen schon nach, dass Bimetall Sensoren die Temperatur eines gebratenen oder gegrillten Fleischs nicht immer korrekt messen. Man kann also durchaus davon ausgehen, dass sie auch Laser nicht sehr zuverlässig messen. Demzufolge sind Messergebnisse, die mit solchen Sensoren gewonnen wurden, sehr subjektiv.

Unsere Erfahrung bei dem speziellen Kunden war wohl kaum ein Einzelfall. In anderen Fällen entdeckten wir einen CO2-Laser, der 1,5 kW Leistung liefern sollte, es aber nur bis 1,2 kW – also immerhin 20 Prozent weniger – schaffte. Erneut bemerkte auch dieser Kunde eine deutlich reduzierte Schneidgeschwindigkeit. Ein anderes System, das auf 2 kW ausgelegt war, lieferte nur eine Leistung von 1,8 kW. Eine geringere Drosselung, aber auch hier sprechen wir von 10 Prozent. Wir finden natürlich immer wieder auch Laser, die tatsächlich die angegebene Leistung erbringen. Diese Übereinstimmungen sind bei unseren Messungen jedoch eher die Ausnahmen als die Regel.

Was verursacht diese enormen Diskrepanzen? Erfahrungsgemäß handelt es sich dabei um eine Vielzahl unterschiedlicher Gründe: Laser verändern sich im Laufe der Zeit. Verschmutzte Oberflächen von Optiken und Spiegeln verschlechtern die Leistung ebenso wie leckende Gassysteme und dejustierte Resonatoren. Wir finden immer wieder Laser mit reduzierter Ausgangsleistung, die noch vor kurzem durch einen Techniker gemessen worden waren, der seinerseits die Ausgangsleitung als korrekt bestätigt hatte. Das legt nahe, dass eine signifikante Zahl von Leistungsmessungen, die im Außendienst durchgeführt werden, nicht korrekt ist.

Welchen Grund das auch immer hat, in einer Industrie mit hartem Wettbewerb und engen Margen zahlt es sich aus, genauer hinzuschauen. Es lohnt sich definitiv, einen Weg zu finden, der die Ausgangsleistung des Lasers verbessert und damit die hohen Schneidraten langfristig konstant hält. Durch die Nutzung der einfach anzuwendenden thermischen Sensoren, profitieren Produktionsabteilungen von deutlichen höheren Erträgen.

Von Derrick Peterman, Vertriebsingenieur Ophir-Spiricon