Laser Cutting Lenses
Kollimationslinse (Kollimator)
Der Kollimator ist eine eigenständige, passive Optikbaugruppe, die den Laserstrahl auf die Weiterleitung an die Fokussiereinheit vorbereitet. Er besteht aus einem Gehäuse (Objektiv), einem Satz konvergierender Kollimationslinsen (bikonvex + Meniskus), oberen und unteren Dichtringen, Manschetten und Muttern.
Der Kollimator ist ein zentrales Bauteil zur Kollimation (Sammlung) optischen Lichts. Er fungiert als "Begradiger und Sammler" des Strahls: er macht den Laserstrahl für die Weiterleitung an die Fokussiereinheit nutzbar und sichert dort eine hohe Strahlqualität.
Wozu eine Kollimationslinse im Schneidlaser dient
Die Kollimationslinse wandelt den divergenten Laserstrahl in einen kollimierten Strahl um — einen Strahl, in dem alle Photonen parallel zueinander laufen. Dieser kollimierte Strahl wird vom optischen System an die Fokussierlinsen weitergeleitet, die ihn auf einer definierten Brennweite zu einem Lichtpunkt bündeln. Genau dort konzentriert sich die maximale Energiedichte — auf dem für effizientes Laserschneiden erforderlichen Durchmesser.
Anders gesagt: Kollimationslinsen verengen und richten den Strahl aus — entweder durch parallelere Lichtrichtungen oder durch einen verkleinerten Strahlquerschnitt. Der Kollimator des Laserschneidkopfs verengt den divergenten Strahl aus der Lichtleitfaser und besteht aus zwei Linsen.
Funktionen und Eigenschaften:
- Die Kollimationslinse ist eine zusammengesetzte Linse für maximale Optikqualität und Schneidleistung.
- Hohe Transmission, ultraniedrige Absorption, hält Leistungen über 10 000 W aus, hohe Enthalpieverlust-Schwelle.
- Konstanz des Arbeitsabstands über 99,5 %.
- Hohe Lasertransmission, hohe Schadensschwelle — geeignet für Hochleistungs-Laserschneiden.
- Gute Kollimation, weniger als 1/10 der Wellenlänge.
Fokussierlinse
Die im Schneidkopf eingebaute Linse erzeugt auf dem Werkstück einen Laserspot der erforderlichen Größe.
Langbrennweitige Modelle erzeugen einen größeren Spot — das gleicht das "Abrutschen" auf zylindrischen Oberflächen aus und liefert höhere Gravurqualität auf gekrümmten Oberflächen, auch auf Kegelkörpern.
Allerdings wirkt ein großer Spot wie ein Fräser mit großem Durchmesser — feine Bildelemente lassen sich kaum darstellen. Langbrennweitige Linsen werden daher nur zum Gravieren von Text und wenig detaillierter Grafik eingesetzt.
Andernfalls ist ein kurzbrennweitiges Modell zu wählen oder die Maschine neu einzustellen (Beschleunigung/Verzögerung absenken, Kopfvorschubgeschwindigkeit reduzieren usw.).
Der Hauptnachteil langer Brennweiten: Die erforderliche Schneidleistung steigt nahezu auf das Doppelte. Beim Gravieren (max. ~30 % der Nennleistung) ist das akzeptabel; beim Durchtrennen reichen jedoch unter Umständen selbst 100 % nicht aus.
Der energiereiche Laserstrahl muss mit maximaler Präzision auf der Materialoberfläche fokussiert werden.
Die Fokustiefe wächst mit der Brennweite und verringert sich, wenn die Brennweite kürzer wird. In Lasersystemen entspricht das der Länge der Strahltaille.
Daher:
- Für dünne, ebene Materialien — Linsen mit kurzer Brennweite, z. B. f′ = 93,75 mm. Sauberer Schnitt, hohe Geschwindigkeit, schmale Schnittfuge, extrem kleine Wärmeeinflusszone.
- Für dicke oder unebene Materialien — Linsen mit größerer Brennweite (f′ = 127–190,5 mm).
Fokussierung des Laserstrahls
Hersteller setzen unterschiedliche Prioritäten im Schneidkopf. Die einen legen Wert auf minimale Spotgröße; die anderen auf Linsenorientierung und Senkrechtstellung der Linsenachse zum Strahl. In der Praxis lässt sich keine Größe gegen die andere ausspielen — die Bedeutung schwankt mit den Schneidbedingungen. Das Halten der Fokuslage im Material ist entscheidend für reproduzierbare Schnittparameter und gleichbleibend hohe Kantenqualität.
Fokussierung für dickes Metall
Bei Blechen über 20 mm ist eine vergrößerte Schmelzzone wichtig — um ein tieferes Schmelzbad zu erzeugen, das während des Schneidens entfernt werden muss. Dazu wird der Strahl je nach Schneidgas über oder unter der Materialoberfläche fokussiert. Ein kleiner Spot auf der Oberfläche ist bei dickem Material meist weniger erfolgreich.
Fokussierung für dünnes Metall
Für Bleche von 1–3 mm ist ein auf der Oberfläche fokussierter Punkt erforderlich. Er ist deutlich effektiver als ein größerer Spot, da kein breiter Kanal zum Materialaustrag benötigt wird.
Schneidgas beim Laserschneiden
Ein zentraler Faktor ist das Schneidgas: Sauerstoff, Stickstoff oder Druckluft. Jedes Gas hat spezifische Eigenschaften — Beschleunigung der Verbrennung, Austrieb des Schmelzguts oder beides.
Schneidgase tragen eine von zwei Reaktionen: exotherm oder endotherm. Die Fokussierregeln hängen von Reaktionstyp und Gas ab.
Fokussierung bei exothermer Reaktion
Wenn das Gas eine exotherme Reaktion erzeugt, beschleunigt es den Schnitt — etwa Sauerstoff. Das Metall siedet förmlich, die hohe Strahlenergie verdampft es, und Sauerstoff reagiert effektiv mit dem flüssigen Metall. Der Prozess läuft unter hohem Druck; Sauerstoff bringt das Material auf sehr hohe Temperaturen, es entsteht Metalldampf und weitere Verdampfung.
Das Schneiden dicker Bleche erfordert eine größere Stechform — in der Fertigung zur breiten Schnittfuge und zum Austrag des Schmelzguts.
Fokussierregeln für exotherme Reaktionen:
- Dickes Material — Fokus über der Oberfläche.
- Dünneres Material — Fokus auf der oberen Oberfläche.
Liegt der Fokus über dem Material, werden niedriger Druck und kleines Gasvolumen verwendet — um Verflüssigung zu fördern und das Schmelzgut zu verdrängen. Es wird sehr wenig Material verdampft, da das kleine Sauerstoffvolumen keine vollständige Verdampfung trägt.
Liegt der Fokus auf der Oberfläche, kommen hoher Druck und hohes Volumen zum Einsatz — genug für eine intensive Verdampfung.
Deshalb sieht man auf Schneidtischen, auf denen vorwiegend dünnes Material verarbeitet wird, fast saubere Auflagen; auf Tischen für dickes Material sammelt sich deutlich mehr Material.
Fokussierung bei endothermer Reaktion
Endotherme Reaktionen entstehen mit Inertgasen — Stickstoff und Argon.
Das Gas bläst hier nur das geschmolzene Material durch den Schnitt aus. Der endotherme Prozess hängt stark von der Ausgangsenergie des fokussierten Strahls ab — sie muss das Metall rasch in den flüssigen Zustand bringen und den Schnitt formen. Das Inertgas mit hohem Druck drückt das verflüssigte Material dann durch die Schnittfuge und hinterlässt eine saubere Kante ohne Schlackeanhaftung.
Fokussierregeln für endotherme Reaktionen:
- Fokus am Materialboden oder knapp darunter.
- Der Fokus unterhalb des Materials erzeugt im Querschnitt der Schnittfuge eine kleine V-Form; das Gas mit hohem Druck komprimiert das Schmelzgut und treibt es mit hoher Geschwindigkeit durch den Fugengrund.
- Hohes Volumen und hoher Druck sind erforderlich, um das Schmelzgut schnell auszutreiben.
Druckluft — Hybridfall
Druckluft erzeugt tatsächlich beide Reaktionen gleichzeitig. Da Luft überwiegend aus Stickstoff besteht (≈78 %), ist die Reaktion vorrangig endotherm; der geringe Sauerstoffanteil (≈20 %) verursacht eine parallele, aber kleinere exotherme Reaktion. Dank des Sauerstoffs schmilzt das Grundmaterial schneller. Der restliche Luftanteil ist weitgehend inert und nimmt nur an der endothermen Stickstoffreaktion teil.
Schneiden mit Druckluft liefert die besten Ergebnisse, wenn der Fokus in der Mitte der Materialdicke liegt.
Praxisanwendung
Jeder Faktor, der die Projektion des Fokuspunkts beeinflusst, ist zu kontrollieren. Der Rohstrahl im optischen Resonator muss in gutem Zustand sein und korrekt zur Linse gelangen. Die richtige Brennweite ändert die Schmelzgeschwindigkeit und die maximal bearbeitbare Dicke.
Das Schneidgas bestimmt die Fokuslage:
- Sauerstoff (exotherm) — Fokus direkt auf der Oberfläche oder darüber. Beim Wechsel zwischen Hoch- und Niederdruck-Schneiden sind nur kleine Korrekturen nötig — der Fokus liegt stets an oder nahe der Oberfläche und ist weitgehend dickenunabhängig.
- Stickstoff (endotherm) — die Fokuslage hängt stark von der Materialdicke ab, da sie nahe dem Boden liegt.
Die exakte Fokuslage lässt sich über CNC und Autofokus halten — z. B. mit einem adaptiven Spiegel.
Der adaptive Spiegel verändert seine Oberfläche durch Druck auf der Rückseite. Im Normalzustand (kein Druck) ist die Oberfläche konkav. Mit steigendem Druck wird sie eben, dann konvex. Die Formänderung verändert die Wellenfront, die Strahlgröße auf der Linse und die Fokusprojektion im Material.
Ein zentraler Vorteil des Autofokus: die Fokuslage kann während des Einstechens dynamisch verändert werden — Energie wird optimal über die Materialdicke verteilt, die Einstechzeit verkürzt sich.
Die Entwicklung im Laserschneiden geht weiter, doch die Grundlage bleibt: korrekte Strahlführung zur Linse und korrekte Fokuslage für die Anwendung. Bleiben Fokuslage und Kantengeometrie im Material erhalten, reduzieren sich alle weiteren Anforderungen an einen stabilen, hochwertigen Schnitt auf ein Minimum. Das spart Rüstzeit bei stabilem Durchsatz.
Wozu eine Fokussierlinse im Schneidlaser dient
Die Fokussieroptik bündelt den Laserstrahl durch die Düse zu einem einzelnen Punkt. Sie kann eine Linse aus geschmolzenem Quarz (Silica) oder ein Parabolspiegel sein.
Die Fokussier- (Sammel-)Linse muss korrekt eingebaut sein: die nach außen gekrümmte Seite zeigt stets zum Strahlspitzenpunkt.
Eine verunreinigte Fokussierlinse absorbiert mehr Laserstrahlung, erwärmt sich und verformt sich — die Fokuslage verschiebt sich nach oben.
Wichtig: Starke Verunreinigung kann sowohl die Linse selbst als auch den gesamten Schneidkopf beschädigen.
Folgen der Verunreinigung:
- Mit zunehmender Schnittlänge entstehen Grate; Schnittfuge und Oberflächenrauheit nehmen zu.
- Bei Kohlenstoffstahl Neigung zu Kraterbildung.
- Im Extremfall trennt sich das Bauteil nach dem Schnitt nicht mehr vom Blech.
Brennweite
Beim Schneiden werden meist Optiken mit Brennweiten von 125 mm und 150 mm eingesetzt.
- 125 mm — nur für dünne Bleche, 1–3 mm.
- Für dickere Materialien — 150 mm-Optik.
Die 125-mm-Optik erzeugt eine schmalere Schnittfuge als die 150-mm-Optik und damit höhere Energiedichte bei gleicher Laserleistung. Die Schnittgeschwindigkeiten sind bei gleicher Dicke und Leistung mit 125 mm etwas höher. Wer überwiegend dünnes Material schneidet, sollte aus wirtschaftlichen Gründen 125 mm wählen.
Vorteil der 150-mm-Optik: größere Schnittiefe. Sie ist über einen weiten Dickenbereich einsetzbar, wird aber überwiegend für dickere Materialien verwendet.
Fokuslage
Die exakte Fokuslage ist Voraussetzung für gute Schnittergebnisse.
Für das Laserschneiden von Kohlenstoffstahl gilt:
- Bleche bis ca. 6 mm — optimale Fokuslage auf der Blechoberfläche (endotherm).
- Bleche ab 8 mm — Fokuspunkt über der Blechoberfläche (exotherm).
- Hochdruckschneiden von Edelstahl oder Aluminium — Fokus auf dem Blech.
- Faustregel: Fokus ungefähr auf 2/3 der Blechdicke im Blech legen.
Jede Änderung der Blechdicke bedeutet also in der Regel eine Änderung der Fokuslage.
Düsenzentrierung
Die Fokussierlinse ist so einzubauen, dass der fokussierte Laserstrahl mittig im Düsenbohrloch liegt. Der fokussierte Strahl darf maximal ±0,05 mm außerhalb der Düsenmitte liegen.
Ein nicht zentrierter Strahl macht die Schnittqualität richtungsabhängig — selbst bei insgesamt guter Qualität. Im Extremfall ist der Schnitt in einer Richtung in Ordnung, in den anderen wird das Material nicht sauber durchgetrennt oder gar nicht getrennt. Beim Sauerstoff-Schneiden von Kohlenstoffstahl können Funken auf der Blechoberfläche entstehen, wenn die Schnittrichtung dem Exzentritätsvektor entgegenläuft.