Laser Beam Focusing

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Einführung

Hersteller setzen in ihren Laserschneidköpfen unterschiedliche Schwerpunkte. Die einen legen größtes Gewicht auf einen möglichst kleinen Brennfleck, die anderen auf die Ausrichtung der Linsen und die Senkrechtigkeit ihrer Achse zum Laserstrahl. Tatsächlich lässt sich keiner der Parameter pauschal als wichtiger einstufen — ihre Bedeutung wächst je nach Schneidbedingungen. Die Beibehaltung der Fokuslage im Werkstoff ist entscheidend dafür, dass die Schneidparameter funktionieren und gleichbleibend hohe Kantenqualität entsteht.

Fokussierung beim Schneiden von dickem Metall

Bei Blechen über 20 mm muss eine größere Schmelzzone erzeugt werden, damit ein voluminöses Schmelzbad entsteht, das während des Schnitts ausgetrieben werden kann. Um diesen vergrößerten Durchbrennfleck zu erzeugen, wird der Strahl je nach Schneidgas oberhalb oder unterhalb der Werkstückoberfläche fokussiert. Daher ist das Fokussieren eines kleinen Spots auf der Oberfläche bei dickem Material in der Regel weniger erfolgreich.

Fokussierung beim Schneiden von dünnem Metall

Für dünne Bleche von 1–3 mm wird ein auf die Metalloberfläche fokussierter Punkt benötigt. Das ist deutlich wirksamer als ein größerer Spot, da kein breiter Kanal zur Materialaustragung erforderlich ist.

Schneidgas beim Laserschneiden

Ein zentraler Faktor beim Laserschneiden ist das Schneidgas — Sauerstoff, Stickstoff oder Druckluft. Jedes Gas besitzt spezifische Eigenschaften zur Beschleunigung der Verbrennung, zur Austragung der Schmelze oder zu beidem.

Beim Laserschneiden unterstützen die Schneidgase eine von zwei Reaktionen: exotherm oder endotherm. Die Fokussierregeln hängen vom Reaktionstyp und vom verwendeten Gas ab.

Fokussierung bei exothermem Schneiden

Bei einer exothermen Reaktion verleiht das Gas dem Schnitt beschleunigende Eigenschaften — zum Beispiel Sauerstoff. Bei dieser Reaktion siedet das Metall buchstäblich: Die hohe Energie des Laserstrahls verdampft es, und Sauerstoff reagiert effektiv mit dem Metall im flüssigen Zustand. Der Prozess läuft unter Hochdruck; mit Sauerstoff wird das Grundmaterial während des Schneidens auf höchste Temperaturen erhitzt, wodurch Metalldampf entsteht und weiter verdampft wird.

Das Schneiden dicker Bleche bedingt eine größere Durchbrennform — sie wird in der Produktion eingesetzt, um eine breite Schnittfuge zur Austragung der Schmelze zu erzeugen.

Fokussierregeln für exotherme Reaktionen: Der Fokus muss oberhalb der Oberfläche liegen — bei dicken Werkstoffen — oder auf der Oberseite — bei dünneren.

Liegt der Fokus über dem Material, werden in der Regel niedriger Druck und geringer Volumenstrom verwendet, um Verflüssigung zu fördern und die Schmelze danach auszutreiben. Tatsächlich verdampft sehr wenig Material, weil ein kleiner Sauerstoffstrom keine vollständige Verdampfung tragen kann.
Liegt der Fokus exakt auf der Materialoberfläche, werden in der Regel hoher Druck und hoher Volumenstrom verwendet. Das reicht aus, um eine intensive Materialverdampfung aufrechtzuerhalten.

Deshalb sieht man an Schneidtischen, die überwiegend dünnes Material schneiden, sehr wenig Schlacke auf den Auflagen. Tische für dickere Werkstoffe sammeln dagegen deutlich mehr Material auf ihren Auflagen.

Fokussierung bei endothermem Schneiden

Endotherme Reaktionen treten auf, wenn ein inertes Gas verwendet wird. Hierzu zählen Stickstoff und Argon.

Während dieser Reaktion sorgt das Gas ausschließlich für das Ausblasen der Schmelze durch die Schnittfuge. Der endotherme Prozess hängt stark von der ursprünglichen Energie des fokussierten Laserstrahls ab, um das Grundmaterial schnell in den flüssigen Zustand zu überführen und eine saubere Schnittfuge zu bilden. Das inerte Gas treibt das verflüssigte Material durch den Schnittkanal und hinterlässt eine saubere Schnittfläche ohne Schlackeanhaftung.

Fokussierregeln für endotherme Reaktionen: Die Fokuslage muss am Boden des Materials oder knapp darunter liegen. Ein Fokus unterhalb des Materials erzeugt im Querschnitt der Schnittfuge eine kleine V-Form, sodass das Hochdruckgas die Schmelze zusammenpressen und mit hoher Geschwindigkeit durch die Unterseite des Kanals ausstoßen kann.

Endotherme Reaktionen erfordern hohen Volumenstrom und hohen Druck, um die Schmelze schnell auszutragen.

Druckluft

Druckluft als Schneidgas erzeugt in der Praxis zugleich eine endotherme und eine exotherme Reaktion. Da Luft überwiegend aus Stickstoff besteht (≈78 %), ist es primär eine endotherme Reaktion; der geringe Sauerstoffanteil (≈20 %) verursacht eine gleichzeitige, aber kleinere exotherme Reaktion. Dadurch schmilzt das Grundmaterial wegen der Reaktivität des Sauerstoffs schneller. Der Rest der Luft ist im Wesentlichen inert und beteiligt sich nur an der durch Stickstoff getriebenen endothermen Reaktion.

Druckluftschneiden liefert die besten Ergebnisse, wenn die Fokuslage in der Mitte der Materialdicke gehalten wird.

Steuerung des Brennpunkts

Jeder Aspekt der korrekten Brennpunktprojektion muss kontrolliert werden. Der Rohstrahl im optischen Resonator muss in gutem Zustand sein, und der Strahl muss korrekt zur Linse geführt werden.

Eine Linse mit der richtigen Brennweite verändert die Schmelzgeschwindigkeit und die maximale verarbeitbare Dicke.

Die Wahl des Schneidgases bestimmt weitgehend, wie die Fokuslage im Werkstoff gesetzt wird:

Laserschneiden mit Sauerstoff (exotherm) — Fokus direkt auf oder über der Materialoberfläche. Sehr kleine Fokusänderungen sind notwendig, außer beim Wechsel zwischen Hochdruck- und Niederdruckschneiden, da der Fokus stets auf oder nahe der Oberfläche liegt und somit nicht von Dickenänderungen abhängt.
Laserschneiden mit Stickstoff (endotherm) — der Fokus hängt stark von der Materialdicke ab, da er am Boden des Materials oder nahe daran liegt.

In jedem Fall können alle wichtigen Fokuslagen per CNC und einem Autofokus-Gerät, etwa einem adaptiven Spiegel, erreicht werden.

Adaptiver Spiegel

Ein adaptiver Spiegel ändert seine Oberflächenform durch Druck, der auf die Rückseite aufgebracht wird. Im Normalzustand ohne Druck ist die Spiegeloberfläche konkav. Wird Druck aufgebracht, geht die Oberfläche von konkav auf plan und dann auf konvex über. Eine Änderung der Spiegelform verändert die Wellenfront des Strahls und damit die Strahlgröße an der Linse sowie die Lage der Fokusprojektion im Werkstück.

Brennweite der Linse

Beim Schneiden werden üblicherweise optische Systeme mit Brennweiten von 125 mm und 150 mm eingesetzt.

125-mm-Optik — geeignet nur für geringe Dicken von 1–3 mm. Die 125-mm-Optik erzeugt eine schmalere Schnittfuge als die 150-mm-Optik und liefert dadurch eine höhere Energiedichte bei gleicher Laserleistung. Daher sind die möglichen Schnittgeschwindigkeiten mit der 125-mm-Optik bei gleicher Materialdicke und Leistung etwas höher. Werden überwiegend dünne Werkstoffe geschnitten, empfiehlt sich aus Kostengründen die 125-mm-Optik.
150-mm-Optik — hat den Vorteil einer größeren Schnitttiefe. Sie ist universell für ein breites Dickenspektrum einsetzbar, wird aber hauptsächlich für dickere Werkstoffe verwendet.

Fokuslage

Die genaue Fokuslage ist eine zentrale Voraussetzung für gute Schnittergebnisse.

Für das Laserschneiden von Kohlenstoffstahl gilt:

Bei Blechen bis ca. 6 mm liegt die optimale Fokuslage auf der Blechoberseite (endotherm).
Bei Blechen ab 8 mm muss der Fokuspunkt oberhalb der Blechoberfläche liegen (exotherm).
Hochdruckschneiden von Edelstahl oder Aluminium: Fokus auf dem Blech.

In der Praxis kann der Fokus etwa bei 2/3 der Blechdicke innerhalb des Blechs gesetzt werden.

Folglich bedeutet jede Änderung der Blechdicke in der Regel eine Änderung der Fokuslage.

Düsenzentrierung

Die Fokussierlinse muss so eingebaut werden, dass der fokussierte Laserstrahl mittig in der Düsenbohrung steht. Der fokussierte Strahl darf höchstens ±0,05 mm außermittig zur Düse stehen.

Auch bei guter Schnittqualität kann ein außermittiger Strahl die Qualität richtungsabhängig machen. Im Extremfall ist der Schnitt in einer Richtung zufriedenstellend, in anderen wird das Material nicht sauber getrennt oder gar nicht zerschnitten.

Beim Gasschneiden von Kohlenstoffstahl können Funken auf der Blechoberfläche in der zur Exzentrizität entgegengesetzten Richtung auftreten.

Linsenverschmutzung

Wichtig: Starke Verschmutzung kann die Linsen und den gesamten Schneidkopf beschädigen.

Auswirkungen:

Mit zunehmender Schnittlänge bilden sich Grate; Schnittfugenbreite und Oberflächenrauheit nehmen zu.
In Kohlenstoffstahl besteht die Neigung zur Kraterbildung.
Im Extremfall lässt sich das Teil nach der Bearbeitung nicht aus dem Blech lösen.

Wartung und Austausch der Fokussierlinse

Aus- und Einbau der Fokussierlinse:

Nehmen Sie den Schneidkopf ab und bringen Sie ihn an einen sauberen Ort. Reinigen Sie den gesamten Staub von der Oberfläche.
Legen Sie den Schneidkopf waagerecht. Lösen Sie die Sicherungsschrauben von unten nach oben (vgl. Abb. 6.5 — Demontage des Schutzglases und der Düsenbaugruppe).
Nehmen Sie den Federdruckring und die Fokussierlinse mit dem Linsenausziehschlüssel ab.
Tauschen oder reinigen Sie die Fokussierlinse.
Setzen Sie die Fokussierlinse und den Federdruckring gemäß Abb. 6.7 vorsichtig in die Linsenfassung ein und ziehen Sie den Druckring ordnungsgemäß an.

Praxis: Fokuseinstellung am Faserlaser

Vor Arbeitsbeginn an einer Faserlaseranlage muss der korrekte Brennabstand zwischen Schneidkopf und Werkstück eingestellt werden. Von der richtigen Fokuseinstellung hängen Schnittfugenbreite und -qualität, Gratbildung und Schnittgeschwindigkeit ab.

Die Strahlfokussierung ist ein zentraler Aspekt der Laseranlagenarbeit. Für saubere Metallschnitte muss die Energie an einer bestimmten Stelle konzentriert werden — das erhöht die Strahlintensität.

Spotdurchmesser und Schärfentiefe hängen von der Brennweite ab.

Fokussiert wird: über dem Metall, auf dem Metall oder unter dem Metall.

Positiver Fokus — der Photonenfluss liegt über der Werkstückebene. Wird beim Schneiden von Kohlenstoffstahl verwendet. Schlackebildung wird verhindert; Sauerstoff fördert die Oxidation des Metalls von der Schnittkante bis zur Unterseite des Blechs. Mit zunehmend positivem Fokus wächst der Spotdurchmesser auf dem Werkstück, was die Wärmeeinbringung erhöht und eine glattere Stahlkante entlang des Schnitts ergibt.
Negativer Fokus — der Konzentrationspeak liegt innerhalb des Werkstücks, die Energiedichte steigt und die Schnittfuge wird breiter. Geeignet für Edelstahl. Die Fuge ist oben breiter und unten schmaler; die größere obere Amplitude verbessert die Schmelzefließbarkeit. Der schmalere untere Bereich erfordert jedoch einen höheren Gasstrom. Negative Defokussierung wird üblicherweise beim Schneiden mit Luft oder Stickstoff verwendet.
Nullfokus — Fokus auf der Blechoberfläche liefert den kleinstmöglichen Spot. Daraus resultieren ein relativ schmaler Schmelzbereich und eine kleinere Schnittfuge — geeignet für hochpräzises Schneiden dünner Werkstoffe.

Das Verständnis und die Steuerung der Fokuslage sind entscheidend für die Optimierung des Laserschneidens, da sie die Strahlintensität in der Schnittzone, die Fugenbreite und die Gesamtqualität direkt beeinflussen.

Im Diagramm der Fokuslage (Z) gegenüber der oberen Fugenbreite (W) gilt: Liegt der Fokus auf der Blechoberfläche, ist die Fugenbreite am kleinsten. Bei Fokusverschiebung (positive oder negative Defokussierung) nimmt die Fugenbreite zu.

Das Maß der Fugenverbreiterung hängt von der Brennweite der Linse im Schneidkopf und der Schärfentiefe ab. Generell gilt: Je kürzer die Brennweite und je geringer die Schärfentiefe, desto stärker variiert die Fugenbreite mit der Fokuslage.

Je dicker das Metall, desto höher muss der Fokus eingestellt werden.

Kollimator- und Fokussierlinse

Den Brennpunkt bilden Kollimator- und Fokussierlinse. Die Kollimatorlinse fängt den schnell divergierenden Strahl am Faserausgang ein und richtet ihn auf; die Fokussierlinse fokussiert diese Strahlung anschließend auf die Werkfläche.

Probleme mit Linsen

Bei Faserlasern sind Kollimator und Fokussierlinse selten Ursache von Fokusproblemen. Die Materialien der sogenannten transmissiven Laseroptik sind seit Langem bekannt, ihre Fertigungstechnologien gut etabliert. Dennoch ein gelegentlicher Defekt: der thermische Linseneffekt — Fokusdrift durch Erwärmung der Optik, bedingt durch die Temperaturabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten des Linsenmaterials. Der Effekt ist bei verschmutzten oder beschädigten Linsen erkennbar; kaufen Sie Linsen nur bei geprüften Optikherstellern. Bevor Sie Rückschlüsse auf die Optik ziehen, führen Sie eine Düsenzentrierung durch. Das Schutzglas leidet beim Einstich zuerst.
Ebenso wichtig ist die Senkrechtigkeit des Strahleinfalls auf die Linse. Ein nicht senkrechter Strahl kann die Düse zerstören und Kantenfehler erzeugen.
Die Brennebene ist per Definition die Ebene, in der der fokussierte Laserspot die kleinste Größe hat.
Was geschieht, wenn die Lage der Brennebene am Blech suboptimal ist? Schlimmstenfalls Grat und Schnittabbruch. Bei kleinem Fehler beeinflusst der Fokus die Abweichung der Fugenwände von der Senkrechten. Die Prüfung ist einfach: Messen Sie die Teilmaße an der Unterkante und an der Oberkante — natürlich an derselben Stelle des Teils.
Was tun Bediener typischerweise bei sinkender Kantenqualität? Sie reduzieren die Schnittgeschwindigkeit, bis die Qualität akzeptabel ist. Das Ergebnis ist nicht immer wünschenswert: Die Qualität verbessert sich, bleibt aber suboptimal, während die Produktivität durch die geringere Geschwindigkeit sinkt.
Die Fokuslage ist meist die Hauptursache für Qualitätsverluste — und genau sie wird von Bedienern vergessen. Wenn geprüft wird, dann häufig mit zu großem Refokusschritt, sodass das Optimum übersprungen wird, oder unsystematisch — die Linse zu hoch, dann zu tief, das volle Verständnis darüber, wo sich das geschnittene Blech aktuell im fokussierten Strahl befindet, geht verloren.

Algorithmus zur Bestimmung der richtigen Fokuslage

Die Suche nach der richtigen Fokuslage darf nicht viel Zeit kosten. Folgen Sie einem einfachen Algorithmus:

Wählen Sie einen Refokusschritt. Nicht zu groß, damit das Optimum nicht übersprungen wird, und nicht zu klein, damit keine Zeit verloren geht.
Schneiden Sie 12 Testteile. Optimale Form: ein kleines Quadrat. Möglich sind auch gerade Schnitte im Blech.
Nummerieren Sie die Teile oder Linien und notieren Sie neben jeder die verwendete Fokuslage.
Begutachten Sie den Schnitt von der Strahleinfallseite und von unten und wählen Sie den Ablauf mit dem besten Linien- oder Kantenbild aus — kleinste Wärmeeinflusszone, keine Tröpfchen, kein Grat.
Hat sich die Qualität gebessert, ist aber noch nicht optimal, fixieren Sie die gefundene Fokuslage und wiederholen Sie ähnliche Prozeduren für jeden Parameter einzeln: Düsen-Blech-Abstand, Gasdruck, Schnittgeschwindigkeit, Laserleistung. Bewegen Sie sich bei jeder Parameteränderung in Einzelschritten von einem Extrem zum anderen. So verlieren Sie unter den vielen zu optimierenden Parametern den Überblick nicht.

Der gefundene Parametersatz bleibt nicht ewig gleich. Ändert sich auch nur ein Parameter, müssen die übrigen erneut betrachtet werden.

Einfluss von Gas und Material auf den Fokus

Die Fokuslage kann sich sowohl bei Materialwechsel als auch bei Gaswechsel ändern. Beachten Sie das z. B. beim Umstieg auf Sauerstoff anderer Reinheit — und unbedingt beim Wechsel zwischen Sauerstoff und Stickstoff.

Beim Schneiden mit inertem Stickstoff muss der Fokus tiefer ins Material gesetzt werden.
Beim Schneiden mit chemisch aktivem Sauerstoff muss der Fokus auf oder oberhalb der Blechoberfläche liegen.

Diagnose über die Kante

Eine sorgfältige Kantenprüfung sagt viel über die Fokuslage:

Grat mit scharfen Spitzen — entweder zu geringer Stickstofffluss oder Fokus zu hoch.
Grat mit Tröpfchen — Fokus zu tief.

Manchmal rettet eine Fokusverschiebung um 100–150 Mikrometer die Lage.

Arten von Fokussierlinsen

Lange Brennweite — geeignet zur Bearbeitung dicker Bleche und Werkstücke mit variabler Oberflächenkrümmung.
Mittlere Brennweite — am besten für mittlere und dünne Werkstoffe.
Kurze Brennweite — am besten zum Gravieren, mit klaren und sauberen Bildern.

Fokusvarianten am Schneidkopf

1. Manuelle Fokussierung. Der Schneidkopf besitzt eine Fokussiereinrichtung, meist einen Drehring, mit dem die Fokussierlinse gehoben und gesenkt wird. Bei der ersten Einstellung oder nach einem Wechsel von Dicke und Metallart muss die ungefähre Fokuslage manuell eingestellt werden.

2. Autofokus. Hochwertige Laserschneidanlagen können mit einem Autofokussystem ausgestattet sein, das die Fokuslage automatisch nach vorgegebenen Werten regelt. Das steigert die Produktivität deutlich und reduziert menschliche Fehler.

Strahltaille (Beam Waist)

Aus dem Strahlfokussierschema für Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten lassen sich zwei grundlegende Tatsachen ablesen:

Je größer die Brennweite, desto größer der Spot, in dem die Strahlung fokussiert wird.
Je größer die Brennweite, desto länger die Strahltaille. Die Strahltaille ist eine Strecke um die Brennebene entlang der Ausbreitungsachse.

Weitere Empfehlungen

Halten Sie Linsen und Spiegel sauber: Reinigen und prüfen Sie die Gläser regelmäßig, da Verschmutzung den Fokus beeinflusst.
Überwachen Sie Verschleiß und Zustand der Anlage.
Nutzen Sie Schneidtabellen für Ihre Quelle (vom Lieferanten anfordern) und prüfen Sie die Brennweite der Linsen in Ihrem Schneidkopf.
Prüfen Sie, ob Ihr realer Nullpunkt mit dem Programm-Nullpunkt übereinstimmt — Methode: Bestimmung der Strahltaille.