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Moderne Technologien der Metallbearbeitung
Laserschneiden
Laserschneiden von Rohren
Roboterschweißen
Blech biegen-kanten
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Aluminium ist ein Werkstoff, der hervorragend den Anforderungen der modernen Industrie entspricht. Sein geringes Gewicht, seine Korrosionsbeständigkeit, seine gute Wärmeleitfähigkeit und die Möglichkeit der Wiederverwertung sorgen dafür, dass es in der Automobilindustrie, Elektronik, im Bauwesen, Maschinenbau und in technischen Konstruktionen weit verbreitet ist.
Gleichzeitig führen genau jene Eigenschaften, die Aluminium zu einem so attraktiven Konstruktionswerkstoff machen, dazu, dass seine Bearbeitung geeignete Technologien und entsprechendes Know-how erfordert. Ein gutes Beispiel dafür ist das Laserschneiden. Um ein präzises Bauteil, eine saubere Schnittkante und eine hohe Wiederholgenauigkeit zu erzielen, reicht es nicht aus, einen leistungsstarken Laserstrahl auf das Blech zu richten. Entscheidend ist der gesamte Prozess – von den Eigenschaften der jeweiligen Aluminiumlegierung über die Laserparameter bis hin zum Hilfsgas und zur gewählten Schneidstrategie.
Auf den ersten Blick unterscheidet sich das Schneiden von Aluminium nicht wesentlich von der Laserbearbeitung anderer Metalle. In der Praxis verhält sich der Werkstoff unter dem Einfluss konzentrierter Energie jedoch auf besondere Weise.
Ein Grund dafür ist die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium. Die vom Laserstrahl eingebrachte Energie wird schnell aus der unmittelbaren Wirkungszone des Lasers abgeleitet. Daher ist eine sehr präzise Steuerung der Prozessparameter erforderlich.
Eine weitere Herausforderung ist die hohe Reflexionsfähigkeit von Aluminium. Sie spielt insbesondere bei bestimmten Arten von Laserquellen eine wichtige Rolle. Gerade deshalb hatte die Entwicklung moderner Faserlaser eine so große Bedeutung für die industrielle Bearbeitung von Aluminium.
Nicht zu vergessen ist außerdem die natürliche Aluminiumoxidschicht, die sich auf der Oberfläche des Werkstoffs bildet. Sie schützt Aluminium vor Korrosion, besitzt jedoch einen deutlich höheren Schmelzpunkt als das darunterliegende Metall. Deshalb erfordern sowohl der Beginn als auch die Stabilisierung des Schneidprozesses eine geeignete Wahl der Parameter.
Eine der wichtigsten Entwicklungen in der Laserbearbeitung von Metallen war die zunehmende Verbreitung von Faserlasern, auch Fiber-Laser genannt.
Im Vergleich zu älteren CO₂-Lasersystemen arbeiten sie mit einer kürzeren Wellenlänge, die von Aluminium deutlich besser absorbiert wird. Dadurch lässt sich die Energie effizienter in den Werkstoff einbringen, die Produktivität steigern und gleichzeitig eine hohe Schnittqualität erreichen.
Die hohe Leistungsdichte und die sehr guten Strahleigenschaften ermöglichen sowohl das Schneiden einfacher Konturen als auch komplexer Geometrien. Die Lasertechnologie eignet sich daher besonders gut für die Herstellung wiederholgenauer Komponenten auf Grundlage von CAD-Dokumentationen.
Beim Laserschneiden könnte man leicht annehmen, dass die Leistung der Maschine der wichtigste Faktor ist. Tatsächlich handelt es sich jedoch nur um einen von vielen Parametern, die das Ergebnis beeinflussen.
Der Technologe muss unter anderem folgende Faktoren berücksichtigen:
Diese Parameter beeinflussen sich gegenseitig. Eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit kann dazu führen, dass das Material nicht vollständig durchtrennt wird oder sich Grate bilden. Wird der Laserstrahl dagegen zu langsam geführt, gelangt mehr Energie in den jeweiligen Bereich, wodurch sich die Qualität der Schnittkante verschlechtern und der thermische Einfluss auf das Bauteil erhöhen kann.
Es geht also nicht darum, die „höchstmögliche Leistung“ einzusetzen, sondern das richtige Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit, Qualität und Prozessstabilität zu finden.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil beim Laserschneiden von Aluminium ist das Hilfsgas. Seine Hauptaufgabe besteht darin, das geschmolzene Material effektiv aus dem Schnittspalt zu entfernen.
In vielen Anwendungen wird Stickstoff eingesetzt, da er einen Schneidprozess ohne intensive Oxidation der Schnittkanten ermöglicht. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Oberflächenqualität im Hinblick auf nachfolgende Produktionsschritte wichtig ist.
Ein entsprechend gewählter Gasdruck trägt außerdem dazu bei, die Gratbildung zu reduzieren und die Wiederholgenauigkeit des Prozesses zu verbessern.
Eines der wichtigsten Kriterien zur Beurteilung der Schnittqualität ist die Beschaffenheit der entstandenen Kante. Aufgrund seiner Duktilität und seiner hohen Wärmeleitfähigkeit kann Aluminium zur Gratbildung neigen.
Die richtige Konfiguration des Prozesses ist daher nicht nur aus ästhetischen Gründen wichtig. Je besser die Qualität direkt nach dem Schneiden ist, desto geringer kann der Bedarf an zusätzlichen Nachbearbeitungsschritten ausfallen.
Dies ist insbesondere in der Serienproduktion von großer Bedeutung. Wenn Hunderte oder Tausende Bauteile zusätzlich bearbeitet werden müssen, wirkt sich selbst ein kleiner zusätzlicher Arbeitsschritt auf die Produktionszeit und die Gesamtkosten aus.
Das Laserschneiden ist ein thermisches Verfahren. Daher gehört der Einfluss der Temperatur auf den Werkstoff zu den Aspekten, die besondere Aufmerksamkeit erfordern.
Bei dünnen Bauteilen oder komplexen Geometrien kann eine ungeeignete Reihenfolge beim Schneiden der Konturen zu lokalen Spannungen und Verformungen führen.
Von Bedeutung ist deshalb nicht nur die Art und Weise, wie eine einzelne Linie geschnitten wird, sondern auch die Strategie für die Bearbeitung des gesamten Bauteils. Die Reihenfolge beim Schneiden von Öffnungen und Außenkonturen sowie die Anordnung der Bauteile auf dem Blech können die Prozessstabilität und die endgültige Geometrie der Teile beeinflussen.
Eine moderne Laserfertigung beginnt somit bereits vor dem eigentlichen Start der Maschine – bei der technologischen Vorbereitung.
In der industriellen Fertigung ist Qualität von entscheidender Bedeutung. Ebenso wichtig ist jedoch die effiziente Nutzung des Materials.
Aluminium ist ein wertvoller Rohstoff. Deshalb wirkt sich die richtige Anordnung der Bauteile auf dem Blech unmittelbar auf die Wirtschaftlichkeit der Produktion aus. Hier kommt das sogenannte Nesting zum Einsatz – die optimierte Anordnung der auszuschneidenden Formen.
Die Software kann die Geometrie der einzelnen Elemente analysieren und sie so platzieren, dass möglichst wenig Material ungenutzt bleibt. Bei großen Serien können bereits wenige Prozent bessere Materialausnutzung zu spürbaren Einsparungen führen.
Einer der größten Vorteile des Laserschneidens ist die große Freiheit bei der Gestaltung der Bauteilgeometrie. Für jede Kontur muss kein separates Werkzeug hergestellt werden – die Geometrie ergibt sich direkt aus dem vorbereiteten Programm.
Dadurch lassen sich unter anderem folgende Elemente herstellen:
Änderungen am Projekt können häufig direkt in der Dokumentation und im Programm vorgenommen werden, ohne dass dafür ein neuer Satz klassischer Werkzeuge vorbereitet werden muss.
Dies ist ein großer Vorteil beim Prototyping, bei Kleinserien sowie bei der Herstellung von Komponenten, die häufigen konstruktiven Änderungen unterliegen.
Die Kombination aus dem geringen Gewicht von Aluminium und den Möglichkeiten moderner Lasertechnologien sorgt dafür, dass dieses Verfahren in sehr unterschiedlichen Branchen eingesetzt wird.
In der Automobilindustrie trägt Aluminium dazu bei, das Gewicht von Konstruktionen zu reduzieren. In der Elektronik wird es unter anderem zur Herstellung von Gehäusen und wärmeableitenden Bauteilen verwendet. Im Bauwesen entstehen daraus Konstruktionselemente, Verkleidungen und Fassadenelemente. Im Maschinenbau kommt Aluminium überall dort zum Einsatz, wo geringes Gewicht, ausreichende Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit miteinander kombiniert werden sollen.
Mithilfe des Lasers lässt sich ein Aluminiumblech in ein präzise gefertigtes Bauteil verwandeln, das anschließend weiteren Produktionsschritten zugeführt werden kann.
Die moderne Herstellung von Metallkomponenten besteht immer seltener aus nur einem einzigen Bearbeitungsschritt. Ein lasergeschnittenes Bauteil kann anschließend gebogen, CNC-bearbeitet, geschweißt, geschliffen oder einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden.
Deshalb wird es immer wichtiger, das Bauteil als Bestandteil eines gesamten technologischen Prozesses zu betrachten.
Bereits bei der Vorbereitung des Laserschneidens sollte berücksichtigt werden, was anschließend mit dem Bauteil geschieht. Die richtige Positionierung von Öffnungen, die Einhaltung der erforderlichen Toleranzen und eine geeignete Vorbereitung der Kanten können nachfolgende Arbeitsschritte erleichtern und das Risiko von Problemen in späteren Produktionsphasen reduzieren.
Ein einziges korrekt gefertigtes Bauteil ist erst der Anfang. In der industriellen Produktion ist es ebenso wichtig, das nächste – und jedes weitere – Bauteil unter Einhaltung derselben Vorgaben herzustellen.
Modernes Laserschneiden ist daher eine Kombination aus Maschine, Software, richtig gewählten Parametern und konsequenter Prozesskontrolle.
Die Automatisierung ermöglicht es, stabile Produktionsbedingungen aufrechtzuerhalten, den Einfluss zufälliger Faktoren zu reduzieren und sowohl einzelne Prototypen als auch größere Serien von Komponenten effizient herzustellen.
Das Laserschneiden von Aluminium ist keine abgeschlossene Technologie. Laserquellen werden immer leistungsfähiger und effizienter, Steuerungssysteme immer präziser und Softwarelösungen nutzen Daten über Werkstoffe und Prozesse zunehmend effektiver.
Auch Systeme zur laufenden Überwachung der Prozessparameter und zur automatischen Reaktion auf sich verändernde Arbeitsbedingungen entwickeln sich kontinuierlich weiter.
Die Richtung ist eindeutig: mehr Automatisierung, höhere Wiederholgenauigkeit, bessere Materialausnutzung und eine immer präzisere Qualitätskontrolle.
Das Laserschneiden von Aluminium zeigt deutlich, dass das Endergebnis in der modernen Metallbearbeitung weder von einem einzigen Parameter noch allein von der Maschinenleistung bestimmt wird.
Entscheidend sind die Kenntnis des Werkstoffs, die richtige Auswahl der Technologie, die Vorbereitung des Programms, das Hilfsgas, die Schneidstrategie, die Anordnung der Bauteile sowie die Kontrolle des Endergebnisses.
Erst das Zusammenspiel all dieser Faktoren ermöglicht es, das Potenzial von Aluminium und modernen Lasersystemen vollständig auszuschöpfen. Das Ergebnis ist eine schnelle, wiederholgenaue und präzise Fertigung von Komponenten, die anschließend weiteren Bearbeitungsschritten zugeführt und in anspruchsvollsten Industriezweigen eingesetzt werden können.