Soorten, kwaliteiten, eigenschappen

Inleiding

In dit hoofdstuk vind je uitleg over verschillende soorten laserbronnen en op welke manier de laserstraal naar de snijplaats kan worden getransporteerd.

Ook vind je uitleg over de meest voorkomende bewegingsmogelijkheden van een lasersnijmachine en welke instelmogelijkheden belangrijk zijn om een goede snede te kunnen maken.

Laserbronnen

Voordat er met een laserstraal kan worden gesneden, moet de laserstraal eerst opgewekt ofwel gecreëerd worden in een laserbron. Er zijn verschillende soorten laserbronnen. Elk type laserbron maakt een laserstraal met specifieke eigenschappen. Klik op onderstaande link voor uitleg.

Er zijn twee soorten laserbronnen:

• Gaslasers ofwel CO2- lasers
• Vastestoflasers

Laserstraaltransport

Na het opwekken van de laserstraal is het nodig om de laserstraal naar de snijtafel te transporteren. Bij de gaslaser gaat dit op een andere manier dan bij de vastestoflaser. Ook wordt de laserstraal na het transport gefocusseerd om ermee te kunnen lassen. Klik op onderstaande link voor uitleg.

• Laserstraaltransport

Bewegingsmogelijkheden en lasparameters

Als de laserstraal op de bewerkingsplaats, de snijtafel is aangekomen, moet deze over het materiaal kunnen bewegen om een snede te kunnen maken. Ook zijn de instelmogelijkheden ofwel snijparameters van groot belang om een goede snede te kunnen maken. Klik op onderstaande link voor uitleg.

• Bewegingsmogelijkheden (d.m.v. verschillende machinenopstellingen)
  
• Lasersnijparameters

Gaslaser

De laserbron bestaat uit een buis waarin een gas wordt rondgepompt. Er is ook een elektrode in de buis geplaatst of om de buis heen, zoals bij de Trumpf machines. Als er door de elektrode een elektrische spanning wordt opgewekt, gaan de gasmoleculen bewegen en versnellen. Deze komen daardoor in een hogere energietoestand, ook wel de geëxciteerde toestand genoemd.

Door deze hoge energietoestand komen er lichtdeeltjes ofwel fotonen vrij. Deze lichtdeeltjes worden in de resonator tussen de spiegels heen en weer geschoten en een deel komt door een halfdoorlatende| spiegel als een lichtbundel naar buiten: de laserstraal.

Het gas, dat de gaslaser gebruikt om de laserstraal op te wekken, is heel vaak koolzuurgas (CO₂), waaraan stikstof (N₂) en helium (He) is toegevoegd. De CO₂-laser is de meest voorkomende gaslaser in de dunne plaat industrie.






Als in de laserbron het gas dwars ofwel haaks op de laserstraal wordt rondgepompt, noemen we dit een dwarsstroomlaser.

Wordt het gas in de laserbron langs ofwel evenwijdig met de laser rondgepompt, dan heet dit een langsstroomlaser.

Een laserbron die gebruikt maakt van een stilstaand CO₂-gas, om de laserstraal op te wekken is de diffusie gekoelde laser ofwel de slablaser.

Toepassing

De CO₂-laser is een echte alleskunner: hij is bij uitstek geschikt voor het lasersnijden. Daarnaast wordt dit type laser ook gebruikt voor het laserlassen en oppervlaktebewerkingen.

Vastestoflaser

De laserbronnen, die gebruik maken van een vaste stof in plaats van een gas om de laserstraal op te wekken, noemen we vastestoflasers. De vastestoflasers zijn de:

• Nd:YAG-laser
• Schijvenlaser
• Fiberlaser

Nd:YAG-laser

Het kristal is een ronde staaf, kunstmatig gekweekt en opgebouwd uit de stoffen Yttrium, Aluminium en Granaat (YAG) met daarin kleine sporen Neodinium 3 ionen (Nd). Vandaar de naam Nd:YAG

Wanneer het licht geleverd wordt door flitslampen, spreken we vaneen lampengepompte Nd:YAG-laser.

Als het licht geleverd wordt door diodes, spreken we van een
diodengepompte Nd:YAG-laser.

Toepassing

De Nd:YAG-laser wordt met name toegepast voor het laserlassen
(keyhole-lassen en geleidingslassen) en oppervlaktebewerkingen
en in mindere mate voor het lasersnijden behalve bij dunnere
materialen van 0.1 - 0.5 mm.





Schijvenlaser

De schijvenlaser is een laserbron die op basis van de Nd-YAG laser verder is ontwikkeld. Het kristal heeft bijcde schijvenlaser de vorm van een plat schijfje in plaats van een staaf en bestaat uit Yb:YAG-materiaal.

We krijgen daardoor een laserstraal met meer mogelijkheden. We kunnen sneller en nauwkeuriger snijden. Ook gaat er minder energie verloren tijdens het opwekken van de laserstraal.


Het pomplicht wordt bij de schijvenlaser geleverd door diodes. Het pomplicht wordt door twee of meer reflectoren, spiegels, gericht op het Yb:YAG-kristal. Het kristal zet een deel van het licht om in een laserstraal.

Toepassing

De schijvenlaser is ook een zeer compacte laser met lage verbruikskosten in verhouding tot de Nd:YAG-laser. De schijvenlaser is inzetbaar voor vele bewerkingen. Naast lasersnijden is de schijvenlaser geschikt voor het laserlassen en oppervlaktebewerkingen.


Fiberlaser

Bij de fiberlaser is het actieve lasermedium (in dit geval Ytterbium) ondergebracht in een glasvezelkabel (fiber).

Bij dit type laser wordt het licht, dat wordt gemaakt door diodes in het fiber geleid. Het fiber zet het licht voor een deel om in een laserstraal. De fiber doet in dit geval dienst als opwekker en transporteur van de laserstraal naar de lasplaats.

Toepassing

We kunnen met de fiberlaser dikkere materialen lassen of snijden omdat de fiberlaser verkrijgbaar is met hogere vermogens vergeleken met Nd:YAG- en schijvenlaser.

VERDIEPING


Nd:Yag laser
De Nd:YAG staaf bestaat uit Nd = Neodynium ionen die zijn ingebed in een YAG = Yttrium-Aluminium-Granaat kristal.


Schijvenlaser en fiberlaser
Het kristal bij de schijvenlaser bestaat uit Yb:YAG materiaal. In het YAG kristal zijn Yb = Yberium ionen ingebed.

Bij de fiberlaser is het materiaal zowel het kristalmateriaal als het bundeltransportsysteem. De schijven- en fiberlaser hebben in vergelijk met een Nd:YAG-laser een hogere straalkwaliteit en een hoger rendement.

De Nd:Yag laser heeft veel mindere en de de diodelaser heeft zelf veel mindere en de diodelaser heeft zelfs een slechte straalkwaliteit. Hierdoor zijn deze lasers minder geschikt voor het remotesnijden van fineer ed.. Metalen worden niet met dit principe gesneden. De hoge straalkwaliteit betekent, dat we met een grotere focusafstand dezelfde laserspot kunnen maken. Of we kunnen bij dezelfde focusafstand met een hogere snelheid snijden. Een hoger rendement betekent, dat er minder energie toegevoerd hoeft te worden om de laserstraal op te wekken.

Laserstraaltransport

Na het opwekken van de laserstraal in de laserbron wordt de laserstraal naar de lasplaats getransporteerd.
Dit kan met:

• spiegels en lenzen
• fiber ofwel glasvezelkabel
  

Met spiegels en lenzen

Bij CO₂-lasers wordt de laserstraal vanaf de laserbron door spiegels en lenzen naar de lasplaats gebracht. In verband met de veiligheid wordt rondom de laserstraal vaak een holle buis aangebracht.

Door spiegels kunnen we zonodig de laserstraal van richting veranderen.

Met fiber ofwel glasvezelkabel

Bij de vastestof- en diodelaser wordt de laserstraal meestal door een fiber getransporteerd. De fiber is een dunne glasvezelkabel die gemakkelijk in allerlei bochten gebogen kan worden. Hij is licht en neemt weinig ruimte in beslag. Hij wordt ook wel laserlichtkabel genoemd.

Hierdoor zijn deze typen lasers flexibeler in gebruik. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de combinatie van laser en robot.


Focussering

Na het transport van de laserstraal van laserbron naar de snijtafel wordt de laserstraal gefocusseerd in de snijkop.

Dit is nodig om voldoende energie per mm² te krijgen om metalen te laten smelten zodat een lasverbinding kan ontstaan.


Het focusseren wordt gedaan door lenzen en spiegels in de
laserbundel te plaatsen. Hierdoor worden alle lichtdeeltjes van
de laserstraal dichter bij elkaar gebracht. De laserstraal krijgt
hierdoor een kleinere diameter en meer energiedichtheid ofwel
een hogere vermogensintensiteit.

Het machinedeel waarin de focussering plaatsvindt, wordt de snijkop genoemd. Uit deze snijkop komt de gefocusseerde laserstraal die het metaal snijdt.

Bij het focusseren spelen de volgende aspecten een belangrijke rol:

1. focusafstand
2. lasspotdiameter
3. scherptediepte
4. werkafstand
5. straalkwaliteit

1. Focusafstand

Voor het focusseren kunnen we verschillende soorten lenzen gebruiken.

De focusafstand wordt bepaald door de brandpuntsafstand van de lens. Een bollere lens heeft een kleinere focusafstand, een vlakkere lens een grotere.

De optimale focusafstand hangt af van het soort materiaal, dat we gaan
lassen en de materiaaldikte. Bij warmtegeleidingslassen werken we
'uit focus'.





2. Laserspotdiameter

Met de laserspot bedoelen we de diameter van de laserstraal, waarmee we snijden.

De gebruikte focusafstand bepaalt de diameter van de laserspot. Vuistregel hierbij is: hoe groter de focusafstand, hoe groter de lasspot en hoe breder de snede.

3. Scherptediepte

We gebruiken bij het lasersnijden de gefocusseerde laserstraal.

Bij het snijden van dikkere materialen is het nodig, dat de laserbundel over een groot gebied klein blijft. Het gebiedje waarin de laserstraal klein blijft (het groene gedeelte in de tekening), noemen we de scherptediepte.

Een grote scherptediepte bereiken we door de focusafstand te vergroten. Hiertegenover staat, dat bij grotere focusafstand de snijsnelheid lager zal worden.



4. Werkafstand

De werkafstand is de afstand tussen de lens van de snijkop en het product. Het
is duidelijk, dat de werkafstand afhangt van de focusafstand. Als de werkafstand
te klein is, bestaat het gevaar dat de lens wordt beschadigd door opspattend materiaal of dampen.

5. Straalkwaliteit

De straalkwaliteit van de laserstraal bepaalt in hoeverre de laserbundel gefocusseerd kan worden. De straalkwaliteit kunnen we als gebruiker niet beïnvloeden.

Door de keuze van de laserbron wordt de straalkwaliteit al bepaald. Zo hebben de CO2-laser, schijvenlaser en fiberlaser een goede straalkwaliteit.

Bewegingsmogelijkheden

Bij het lasersnijden wordt de lasspot over het product bewogen. Deze beweging kunnen we bereiken met verschillende machineopstellingen. Deze zijn:

• stationair product en 'flying optics' (bewegende optiek)
  
• stationaire optiek en productmanipulatie
  
• hybridemanipulator (hybrideopstelling)
  
• robotsnijden

Stationair product en 'flying optics'

Bij deze machineopstelling beweegt de laserstraal over het product. De snijtafel met daarop het product staat tijdens het snijden stil.

Deze opstelling wordt het meest toegepast omdat zij ook voor het snijden van grote of zware producten geschikt is. De laserkop is vaak licht, waardoor we snel en nauwkeurig kunnen bewegen.




Stationaire optiek en productmanipulatie

Bij deze machineopstelling beweegt de tafel met het product en staat de snijkop tijdens het snijden stil.

Deze opstelling is het meest geschikt voor het snijden van lichte en/of kleine producten, maar wordt niet veel toegepast.



Hybridemanipulator

Een combinatie van bovenstaande machineopstellingen is de hybridemanipulator. Bij deze machineopstelling bewegen de laserstraal en de bewerkingstafel met werkstuk gelijktijdig.

Een hybridemanipulator kunnen we toepassen bij complexe 3D-producten. Voorbeelden zijn hybridemanipulatoren voor buiscontouren en complexe profielen. Maar voor deze producten worden zeker zo vaak machines met flying optics gebruikt.

Snijrobot

De robot wordt vaak gebruikt voor het snijden van complexe 3D-producten omdat deze gemakkelijk moeilijke bewegingen kan maken.

De robot beweegt de snijkop over het product. In sommige gevallen wordt ook het werkstuk tijdens het snijden bewogen.

Lasersnijparameters

Bij het lasersnijden zijn heel veel parameters ofwel instelmogelijkheden aanwezig.
De belangrijkste parameters bij het lasersnijden zijn:

1. laservermogen
2. snijsnelheid
3. focusafstand
4. focuspositie
5. keuze snijgas

1. Laservermogen

Om met een laser te kunnen snijden, hebben we energie nodig. Deze energie ofwel dit vermogen wordt door de laserbron geleverd.

Hoeveel laservermogen nodig is om een snede te maken hangt af van de dikte, de oppervlakte en het soort materiaal.

Of een materiaal goed te lasersnijden is, hangt af van drie factoren:

• absorptie van de laserstraal in het materiaal
• reflectie van de laserstraal op het materiaal
• transmissie van de laserstraal door het materiaal

	Absorptie Hoe goed het te snijden materiaal de laserstraal opneemt ofwel absorbeert, bepaalt voor een groot deel het benodigde laservermogen. Hoe beter een materiaal de laserstraal absorbeert, hoe minder laservermogen er nodig is om een snede in het materiaal te maken. Dus bij een slechte absorptie is veel vermogen nodig.
	Reflectie Een deel van de laserstraal wordt tijdens het snijden teruggekaatst ofwel gereflecteerd. Dit deel wordt niet gebruikt tijdens het snijden. Vooral het oppervlak van het te snijden materiaal speelt hierbij een grote rol. Met name aluminium heeft daardoor veel meer laservermogen nodig dan bijvoorbeeld staal. De reflectie van een materiaal kunnen we verminderen door bijvoorbeeld het oppervlak te schuren of te coaten.
	Transmissie Een deel van de laserstraal die het materiaal treft, wordt niet geabsorbeerd en zal door het materiaal schieten. Dit noemen we transmissie. Deze transmissie-energie wordt niet gebruikt tijdens het snijden en is dus verlies. Hoeveel er van de laserstraal doorgelaten wordt, is afhankelijk van het soort materiaal en het gebruikte lasertype.

2. Snijsnelheid

De snelheid waarmee de snijkop over het werkstuk beweegt en de snede maakt, is de snijsnelheid. De snijsnelheid hangt af van het soort materiaal en de materiaaldikte wat gesneden gaat worden.

Het beschikbare laservermogen bepaalt in belangrijke mate de maximale snijsnelheid die we kunnen bereiken.


3. Focuspositie

Om goed met de laser te kunnen snijden is het belangrijk, dat we de positie van de laserspot goed in hoogte instellen. De afstand van de laserspot tot het materiaaloppervlak noemen we focuspositie.

De juiste focuspositie is afhankelijk van het soort materiaal en de materiaaldikte:

• Voor dikkere materialen (>10 mm) wordt het focus vaak onder
  het werkstukoppervlak gepositioneerd.

• Bij dunnere materialen wordt het focus gelijk met de bovenkant
  van het product ingesteld.

De optimale positie kunnen we bepalen aan de hand van enkele snijproeven. In de praktijk
zijn lasersnijkoppen vaak uitgevoerd met een automatische hoogtesensor. Met deze sensor
wordt de hoogte van de snijkop automatisch goed gezet. Hierdoor blijft de focuspositie ook
altijd gelijk. Dit is handig bij bijvoorbeeld het snijden van gegolfde platen.

4. Snijgas

Het snijgas wordt door de nozzle-opening van de snijkop toegevoerd. Bij het lasersnijden kunnen we kiezen uit verschillende snijgassen.

De keuze wordt bepaald door de materiaalsoort en de snijtechniek:

• sublimatiesnijden
• smeltsnijden
• brandsnijden

De meest gebruikte gassen bij het lasersnijden zijn stikstof en zuurstof.

Stikstof

Stikstof is heel goedkoop en wordt bij het smeltsnijden meestal onder hoge druk toegepast.

Bij het smeltsnijden kunnen er bramen ontstaan aan de onderkant van het materiaal. Door de druk van het snijgas te verhogen, wordt de snijkant braamloos.

Zuurstof

Bij het laserbrandsnijden wordt zuurstof toegepast. Het zuurstofgas zorgt voor extra warmte. Hierdoor kunnen we dikkere materialen snijden tot wel 25 mm. In het laboratorium is onder ideale omstandigheden
40 mm staal gesneden.




Praktijkaanbevelingen bij het lasersnijden


Starten van snijbewerking

Voordat we een product kunnen gaan snijden, is het nodig dat er eerst een startgaatje gemaakt wordt. Dit startgaatje leggen we vaak buiten de contourlijn. Hierdoor wordt de snijkant zo weinig mogelijk aangetast.


Het maken van scherpe hoeken

Bij het lasersnijden van scherpe hoeken komt er veel warmte in de scherpe punt. Dit kan leiden tot afronding en afbranding van de hoek.

Om dit te voorkomen kunnen we een hoekstrategie toepassen. We snijden dan niet door de scherpe hoek maar maken een extra lus.

Een andere oplossing is, om de laser in een pulsmode te zetten en de snijsnelheid te verlagen. In deze mode wordt minder energie toegevoerd waardoor het afronden niet optreedt.

VERDIEPING

Reflectie
De reflectie van een materiaaloppervlak kunnen we verminderen door het oppervlak te schuren of te coaten. Deze coatinglaag kan bijvoorbeeld bestaan uit een laklaag of een koolstofspray. Ook zal verzinkt staal beter absorberen dan blanke staalplaat. Een verchroomde staalplaat zal daarentegen een hogere reflectie hebben.


Pulsmode
Zowel de CO₂- als de Nd:YAG-laser kunnen in een continu- en in een pulsmode gezet worden. In de continu-mode levert de laser een constant vermogen. In de pulsmode worden telkens korte laserpulsjes gegeven. Deze pulsjes en de tijd tussen de pulsjes kunnen we instellen. Voordeel van de pulsmode is, dat er minder energie wordt toegevoerd aan het materiaal.