Praktijkaanbeveling Snijden van metalen met hoogvermogen … · 2019. 9. 2. · lasers voor het bewerken van metalen” [1] worden verschillende (theoretische) onderwerpen die een

PA.09.11 - “Snijden van metalen met hoogvermogen lasers” 1

Praktijkaanbevelingnr. PA.09.11augustus 2009

Snijden van metalen met hoogvermogen lasersHet snijden van metalen met behulp van een hoogvermogen laser biedt vele voor-delen ten opzichte van conventionele snijtechnieken. Zo is de snijsnelheid hoger,de snedebreedte kleiner, de bewerking nauwkeuriger en is de warmte beïnvloedezone in het materiaal kleiner. In de voorlichtingspublicatie VM 121 “Hoogvermogenlasers voor het bewerken van metalen” [1] worden verschillende (theoretische)onderwerpen die een rol spelen bij het bewerken (snijden, lassen, oppervlakte-bewerken, enz.) van metalen gedetailleerd(er) behandeld. Deze praktijkaanbevelingwil met name inzicht geven in de praktische aspecten die bij het gebruik van eenhoogvermogen laser voor het snijden aan de orde komen.

Inhoud 1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Laserbronnen voor lasersnijden . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.1 Opbouw van een laserbron . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Eigenschappen van laserstraling en laserbundels 22.3 Machine-aspecten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Snijprincipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 Parameterinvloeden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4.1 Laservermogen en snijsnelheid . . . . . . . . . . . . . 64.2 Focuspositie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.3 Snijgassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.4 Startgat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94.5 Materiaaleigenschappen . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5 Karakterisering van de snedekwaliteit . . . . . . . . . . . 10 6 Overige componenten van een lasersnij-installatie . . 10

6.1 Opspanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.2 Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

7 Praktijkvoorbeelden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117.1 Snijden van een zijgeleiding met CO2-laser . . . 117.2 Snijden van pootjukken . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

8 Veiligheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 9 Economische aspecten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1310 Probleemoplosser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

10.1 Problemen als er een snede is . . . . . . . . . . . . 1410.2 Problemen bij geen (of onvoldoende) snede . . . 14

10.2.1 Problemen bij geen snede . . . . . . . . . . 1410.2.2 Problemen bij onvoldoende snede . . . . 15

11 Literatuur en normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1512 Referenties en bronvermelding . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1 InleidingTijdens lasersnijden wordt de laserbundel gefocusseerden op het te snijden materiaal geprojecteerd, waardoorhet materiaal lokaal smelt en/of verdampt. Het proceswordt vrijwel altijd ondersteund door een snijgas, datcoaxiaal met de laserbundel in de snede wordt geblazenen zo het gesmolten materiaal uitdrijft.Door een beweging van het product t.o.v. de laser- engasstraal wordt een snede aangebracht (zie figuur 1.1).

figuur 1.1 Het principe van lasersnijden. De laserbundeldient bij voorkeur loodrecht op het product-oppervlak in te vallen

Lasersnijden resulteert in een nagenoeg rechte (haakse)snede en de snijkant vertoont het voor lasersnijden type-rende rillenpatroon (striations), zie figuren 1.1 en 1.2.Deze ruwheid neemt toe naar de onderzijde van de sne-de en vertoont bij hoge snelheden en/of dikke materia-len enige naloop. Bij een goede uitvoering van het snij-proces blijft de ruwheid beperkt tot enige tientallenmicrometers (Rz).

(a) (b)figuur 1.2 Snijkant met het voor lasersnijden typerende

rillenpatroon (striations). Het product is zuur-stofgesneden met snijsnelheid 0,4-0,5 m/min.

In vergelijking met conventionele snijtechnieken levert hetlasersnijden de hoogste snijsnelheid (tot circa 15 m/min),de beste snedekwaliteit en is er in de meeste gevallengeen nabewerking nodig (i.v.m. geringe braam aan deonderzijde van de snede). In vergelijking met anderethermische scheidingstechnieken, zoals elektronenbundel-,autogeen- en plasmasnijden, is het lasersnijden nauw-keuriger (50 µm), heeft een kleinere snedebreedte (on-geveer 0,2 mm), zijn scherpere hoeken (15°) in de snij-contouren mogelijk en vertoont het de kleinste warmtebeïnvloede zone (minder dan 0,5 mm). In vergelijking metde in het algemeen minder nauwkeurige mechanischescheidingstechnieken, zoals knippen, ponsen en nibbelen,geeft het lasersnijden de meeste vrijheid en flexibiliteitbij het snijden van willekeurige contouren in 2D en 3Dproducten. Voor wat betreft de flexibiliteit is alleen hetwaterstraalsnijden een concurrent in de groep van me-chanische scheidingstechnieken. Een nadeel van laser-snijden is de beperkte productdiktes (staal tot ca. 20 mm)die economisch gesneden kunnen worden. De relatiefhoge investering in een lasersnij-installatie kan echter inveel gevallen snel worden terugverdiend i.v.m. de hogesnijsnelheden.

2 Laserbronnen voor lasersnijden2.1 Opbouw van een laserbronHet woord LASER is een acroniem voor Light Amplifica-tion by Stimulated Emission of Radiation, ofwel licht-versterking door gestimuleerde emissie van straling.Een laserbron waarin de laserstraling wordt opgewekt(zie figuur 2.1) bestaat uit: een trilholte (of resonator) die is opgebouwd uit

spiegels, met daartussen

2 PA.09.11 - “Snijden van metalen met hoogvermogen lasers”

een actief medium (CO2-gas bij een CO2-laser en eenkristal bij een Nd:YAG- en fiberlaser) en

een energiebron, die energie in het medium ‘pompt’.

figuur 2.1 Principeopbouw van een laserbron

Bij de CO2-laser wordt de energie elektrisch (elektrischeontlading) in het actieve medium (CO2-gas) ‘gepompt’.Bij de Nd:YAG-laser gebeurt dit ‘pompen’ d.m.v. lichtvan flitslampen (lampen-gepompte Nd:YAG-laser) ofd.m.v. licht van diodes (diode-gepompte Nd:YAG-laser).De toegevoegde energie wordt in de trilholte omgezetin ‘laserlicht’, waarvan een klein deel door één van despiegels (uitkoppelspiegel) wordt doorgelaten (zie figuur2.1). Dit afgetapte licht is de laserbundel waarmeematerialen bewerkt kunnen worden. Het licht van delaserbundel heeft slechts één golflengte (één kleur, zieook tabel 2.1). De mate waarin laserlicht wordt geab-sorbeerd door materialen, hangt af van deze golflengte ende optische eigenschappen van het materiaal (zie § 2.2).De keuze voor een bepaald type laserbron hangt danook met deze absorptie samen. Van de totale hoeveel-heid toegevoerde (pomp)energie wordt wel 85 tot 97%omgezet in (verlies)warmte (zie tabel 2.1). Afhankelijkvan de constructie van de laser en het pompmechanismeen de mogelijkheden van de aansturing van de laserbron,kan de toevoer van laserenergie aan het te bewerkenmateriaal, gepulseerd of continue plaatsvinden. Continuewerkende lasers worden cw-lasers (cw = continuouswave) genoemd. Bij het lasersnijden maakt men gebruikvan zowel gepulste als cw-lasers (zie figuur 2.12 enhoofdstuk 3). Tabel 2.1 geeft een overzicht van debelangrijkste eigenschappen van de twee lasertypen diehet meest geschikt zijn voor het lasersnijden.

tabel 2.1 Overzicht eigenschappen laserbronnen diegeschikt zijn voor lasersnijden

laser-type golflengte energetisch

rendement [%]vermogen

[kW]

CO2 10,6 [µm] 10 tot 15 > 20

Diode

direct 780-1100 nm 30 tot 50 < 10

fiber 780-1100 nm 30 tot 50 < 8

Nd:YAG

staaf 1,06 [µm] 3 tot 10 4-4,5

disc 1,06 [µm] 20 tot 25 8

Fiber 1,07-1,08 [µm] 30 < 20

Gezien de hoge beschikbare vermogens (meer dan 20 kW)worden CO2-lasers veel toegepast voor het snijden vanrelatief dikke (2 tot 35 mm) metalen producten.

De bundelkwaliteit (zie § 2.2) van een diode-gepompteNd:YAG laser is beter dan van een lampengepompteNd:YAG-laser, en daarom geschikter voor het lasersnij-den. Bovendien hebben diodes een langere standtijd(circa 10.000 uur) dan lampen (circa 1000 uur). Diodeszijn echter duurder dan lampen.

De voordelen van Nd:YAG-lasers t.o.v. CO2-lasers zijn o.a.dat het Nd:YAG-laserlicht door een glasfiber kan wordengetransporteerd (zie § 2.3), en dat het beter wordt geab-sorbeerd door metalen (zie § 2.2). Inmiddels zijn Nd:YAG-lasers beschikbaar in vermogens die nodig zijn voor hetsnijden van wat dikkere (>2 mm) metalen producten.Voor meer informatie over de werking van de lasers ende eigenschappen van de CO2-, en de Nd:YAG-laserwordt verwezen naar de voorlichtingspublicatie “Hoog-vermogen lasers voor het bewerken van metalen” [1].

2.2 Eigenschappen van laserstraling en laser-bundels

Een laserbron is niets anders dan een lichtbron, maar weléén met een aantal bijzondere eigenschappen, waarmeehet zich onderscheidt van ‘normale’ lichtbronnen.Eigenschappen, waarvan voor het snijden in het bijzon-der gebruik wordt gemaakt, zijn de geringe bundeldiver-gentie en de hoge vermogensdichtheid.

VermogensdichtheidDe vermogensdichtheid I [W/m2] is het laservermogenP [W] per oppervlak O [m2] van de bundeldoorsnede.Als d [m] de diameter is van de laserbundel, dan is devermogensdichtheid gelijk aan:

(2.1)IPO

Pd

= =4

2π[ ]W / m2

Met een laserbundel kunnen vermogensdichtheden totcirca 1020 W/m2 worden bereikt (met snijbranden circa104 W/m2). Het voordeel van de hoge vermogensdicht-heid van de laser is, dat er hoge snijsnelheden kunnenworden bereikt. Daarnaast kan een kleine snedebreedte(orde grootte 0,2 mm) worden gerealiseerd met eengeringe warmte beïnvloede zone (circa 0,5 mm).

Geringe bundeldivergentieVaak wordt gedacht dat een nog niet gefocusseerdelaserbundel perfect evenwijdig is. Dit is echter niet hetgeval. Dat wil zeggen, de diameter d [m] van de laser-bundel varieert langs de optische as (zie figuur 2.2).

figuur 2.2 Verloop van de bundeldiameter d langs de z-as(optische as), voor een laserbundel met eengaussische energieverdeling (zie ook figuur 2.3)

De kleinste insnoering van de bundel d0[m], wordt waist(taille) genoemd. Vanaf de waist neemt de bundeldia-meter toe. De divergentiehoek θ(z) [rad] bereikt op groteafstand van de waist de asymptotische waarde θ0 [rad].De divergentiehoek hangt af van de golflengte λ [m] vanhet laserlicht en de waist-diameter d0 (zie figuur 2.2 entabel 2.1). In vergelijking met ‘normale’ lichtbronnen isde divergentie van een laserbron klein. Dit maakt het mo-gelijk om de laserenergie over grote afstanden te trans-porteren, zonder dat de vermogensdichtheid I [W/m2]


Let op: Sommige leveranciers van laserbronnen specifi-ceren i.p.v. het kwaliteitsgetal M2, diens reciproque 1/M2,of enkel het bundelproduct: d0⋅θ0.

afneemt. Tevens maakt dit het mogelijk om de bundeltot een kleine spot te focusseren, die nodig is voor eenkleine snedebreedte.

EnergieverdelingDe energieverdeling (intensiteitsverdeling) van de laser-straling over de doorsnede van de bundel, wordt bepaalddoor de constructie van de resonator en de gebruikteoptische componenten om de laserbundel te transporterenen te focusseren (zie ook § 2.3 en figuur 2.10). Figuur 2.3toont een tweetal veel voorkomende energieverdelingenvan lasers die worden ingezet voor het lasersnijden.

(a) (b)figuur 2.3 Twee voorkomende energieverdelingen (inten-

siteitsverdelingen) van laserbundels, voor hetlasersnijden. a): Gaussisch I0=8P/(π.d2);b): Top hat I=4P/(π.d2)

De gaussische intensiteitsverdeling (figuur 2.3a) komtveel voor bij CO2-lasers. De maximale intensiteit (piek-intensiteit) van deze energieverdeling treedt op in hetcentrum van de laserbundel. Diens diameter d [m] isgedefinieerd als die diameter waarbinnen 86% van hettotale vermogen valt. De top hat (hoge hoed) intensiteits-verdeling (zie figuur 2.3b) ontstaat als het licht van eenNd:YAG-laser door een glasfiber wordt getransporteerd(zie ook figuur 2.9).

De intensiteitsverdeling van een CO2-laserbundel kanzichtbaar worden gemaakt door gedurende korte tijd(circa 0,1 s) en met een laag vermogen (circa 100 W)de laserbundel te laten ‘inbranden’ op perspex. Figuur2.4 toont een voorbeeld van een dergelijke mode burn.

figuur 2.4 Een ‘inbranding’ van een CO2-laser in perspexmaakt diens energieverdeling zichtbaar

Met deze methode kan op een goedkope en snelle wijzede diameter en de vorm van de intensiteitsverdelingworden gemeten. Deze diameter en vorm hebben eengrote invloed op de snedekwaliteit (hoofdstuk 10). Demethode is echter niet geschikt voor detail analyse.Daarvoor is het beter om een zogenaamd bundelanalyseapparaat te gebruiken [1].

BundelkwaliteitEen laserbundel (en dus ook de laserbron) kan wordengekarakteriseerd met het kwaliteitsgetal M2:

(2.2)M d20 0= ⋅

πλ4

θ

Hierin is d0 de kleinste insnoering van de bundel en θ0de asymptotische waarde van de divergentiehoek (ziefiguur 2.2). Voor de gaussische intensiteitsverdeling

(zie figuur 2.3a) is M2=1, voor alle andere energiever-delingen is M2>1. Een bundelkwaliteit van ongeveer 1is gunstig voor het lasersnijden, omdat in dat geval: de laserbundel tot een (zeer) kleine spot kan worden

gefocusseerd (zie ook formule 2.3). Dit heeft als voor-deel dat er op een hoge snelheid gesneden kan wor-den, of met een laag laservermogen. Daarnaast resul-teert een kleine laserspot in een kleine snedebreedte;

de warmte-inbreng laag is (minder thermischevervormingen van het product);

(focusseer)optiek (lenzen, spiegels) met kleine dia-meter kan worden ingezet;

de werkafstand tussen focusseerlens/spiegel en hetproduct groot is (zie ook figuur 2.11), wat gunstig isvoor de bereikbaarheid van het product en veiligvoor de optiek i.v.m. spatten.

Absorptie van laserstralingBij het gebruik van lasers voor het snijden gaat het er-om zo veel mogelijk laserenergie in het materiaal te krij-gen, waar het wordt omgezet in warmte. Voor metalenvindt deze omzetting plaats in een dunne laag (circa300 nm dik) aan het oppervlak. Niet alle laserenergiedie op het oppervlak valt wordt geabsorbeerd. Het per-centage van de op het oppervlak vallende energie datwordt geabsorbeerd wordt absorptiecoëfficiënt A [%]genoemd. De rest van de energie wordt gereflecteerd.De absorptiecoëfficiënt van een materiaal hangt onderandere af van de optische eigenschappen van hetmateriaal (zie figuur 2.5).

figuur 2.5 Absorptiecoëfficiënt A [%] als functie van degolflengte van laserstraling van aluminium (Al),goud (Ag), koper (Cu), glas en ijzer (Fe)

Hoe hoger de absorptiecoëfficiënt voor een metaal/golf-lengte combinatie, des te beter het materiaal bewerktkan worden. Voor metalen neemt de absorptiecoëffi-ciënt af met toenemende golflengte van het laserlicht.Zo is voor ijzer de absorptiecoëfficiënt van CO2-laser-straling minder dan 20% en van Nd:YAG-laserstralingbijna 40%. Behalve absorptie aan het oppervlak treedter echter ook absorptie op aan de wanden van desnede. Dankzij herhaalde reflecties (en dus herhaaldeabsorptie) van de laserbundel in de snede kan de totaleabsorptie hierdoor oplopen tot wel 80% (zie figuur 2.6).Door de herhaalde reflecties kan de laserbundel diep hetmateriaal indringen.

Nadat de laserenergie is getransformeerd in warmte in dewanden van de snede, vloeit de warmte door geleidingnaar het omliggende materiaal. De temperatuur zal hier-door lokaal stijgen tot boven de smelttemperatuur en bijsublimatiesnijden (zie hoofdstuk 3) tot boven de ver-dampingstemperatuur.


figuur 2.6 Hoge absorptie door meerdere reflecties (en dusherhaalde absorptie) van het laserlicht op dewanden van de snede. (WBZ=warmte beïnvloe-de zone)

2.3 Machine-aspectenBehalve de eigenschappen van de laserbron en de laser-straling bepalen ook de andere componenten van delasersnij-installatie (zie voorbeeld in figuur 2.7) het re-sultaat van het lasersnijden.

figuur 2.7 Componenten van een lasersnij-installatie op ba-sis van een gantry (CNC) machine. Een lasersnij-installatie op basis van een 6-assige industriëlerobot bestaat uit vergelijkbare onderdelen

Bundeltransport d.m.v. spiegels en glasfibersNadat de laserbundel is uitgetreden uit de laserbronmoet deze worden getransporteerd naar de focusse-ringsoptiek die zich op de bewerkingsplaats bevindt.

Bij de CO2-laser wordt het laserlicht via (afbuig)spiegelsvan de laserbron naar de bewerkingsplaats getranspor-teerd (zie figuur 2.8).

Met een schuifspiegel of een gedeeltelijk doorlatendespiegel kan de laserbundel naar afzonderlijke bewer-kingsplaatsen worden geleid, zodat één laserbundel opverschillende werkstations kan worden ingezet. Spie-gels voor CO2-lasers zijn meestal van koper gemaakt envoorzien van waterkoeling. Per spiegel moet rekeningworden gehouden met een vermogensverlies van 0,5tot 4%. Als de bundel over grote afstanden (meerderemeters) wordt getransporteerd (bijvoorbeeld voor hetsnijden van grote platen), zal ten gevolge van de bun-deldivergentie de bundeldiameter sterk toenemen. Ditprobleem wordt opgelost door de toepassing van eenbundelverbreder (of telescoop), zie figuur 2.8.

figuur 2.8 Bundeltransport (en focussering) van laserstra-ling door middel van spiegels. Het bundelgelei-dingssysteem is meestal geheel afgesloten vande omgeving (buizen). Dit voorkomt dat de bun-del uit kan treden. Daarnaast voorkomt de af-scherming dat gassen en vuildeeltjes het bundel-pad kruisen

De straling van een Nd:YAG-laser kan, behalve met spie-gels, ook door glasfibers (kerndiameter van 0,3 tot 1 mm)worden getransporteerd (zie figuur 2.9). Het laserlichtblijft door interne reflecties ‘gevangen’ in de fiber. Hoekleiner de kerndiameter van de fiber, des te kleiner dediameter van het focus en des te hoger de snijsnelheid.Echter hoe kleiner de kerndiameter des te meer vermogenverloren gaat bij het inkoppelen van het laserlicht in defiber. De energieverdeling van de uit de fiber uittreden-de laserbundel heeft een top hat intensiteitsverdeling(zie figuur 2.3b).

figuur 2.9 De straling van Nd:YAG kan door een glasfiberworden getransporteerd van laserbron naarfocusseerkop

FocusseringOm de vereiste hoge vermogensdichtheid te verkrijgen,die nodig is om metaal te smelten, wordt de laserbun-del met behulp van lenzen of spiegels gefocusseerd (ziefiguren 2.1, 2.8 en 2.10). Lenzen voor CO2-lasers zijnbijna altijd van zink-selenide (ZnSe) gemaakt. Deze lenzenkennen een vermogensverlies van circa 1% per lens, dattoeneemt met de standtijd (circa 3000 uur) van de lens.ZnSe is niet bestand tegen zeer hoge laservermogens.Mits gekoeld, kunnen deze lenzen bij een laservermogentot maximaal 5 kW worden gebruikt. Daarom worden bijhoge vermogens spiegels ingezet (zie figuur 2.8). Per spie-gel moet men rekenen op 0,5 tot 4% vermogensverlies.

figuur 2.10 Focussering van de laserbundel m.b.v. eenlens. Voor de eenvoud is de ongefocusseerdelaserbundel weergegeven als een parallellebundel zonder divergentie


Voor Nd:YAG-lasers maakt men gebruik van eensamenstelling van meerdere kwartslenzen, waarvoormen moet rekenen op 1% vermogensverlies per lens.

FocusdiameterBij aberratievrije (foutvrije) lenzen wordt de diameter df [m]van het focus bepaald door de brandpuntsafstand f [m]van de focusseerlens (of spiegel), de golflengte λ [m]van het laserlicht, het kwaliteitsgetal M2 en de diameterD [m] van de laserbundel vóór focussering en bedraagt:

(2.3)dM f

Df =⋅4

[m]2

πλ

De typische diameter van de laserspot voor het laser-snijden bedraagt circa 0,1 tot 0,2 mm. Hoe kleiner defocusdiameter des te hoger de intensiteit (vermogens-dichtheid, zie formule 2.1), en des te hoger de snijsnel-heid en des te smaller de snedebreedte. Een kleine fo-cusdiameter kan worden verkregen met een kwalitatiefgoede laserbron (kleine M2, dus M2≈1) en/of een sterkelens (kleine brandpuntsafstand f). Echter een kleinebrandpuntsafstand betekent ook een kleine werkaf-stand tussen focusseerlens/spiegel en het product (ziefiguur 2.11). Met een veilige werkafstand van circa 5tot 20 cm moet worden gerekend. De optiek wordtbeschermt tegen spatten vanaf het product tijdens hetsnijden door de coaxiale gasstroom (zie figuur 1.1).

ScherptediepteDe scherptediepte s is gedefinieerd als twee maal die af-stand tot het focus waarover de bundeldiameter met eenfactor √2 groter is dan de diameter df van het focus (ziefiguur 2.11). Dus op de afstand s/2 van het focus is deenergiedichtheid nog maar de helft van die in het focus.Een grote scherptediepte is gewenst omdat dit resul-teert in een rechtere (haaksere) snede. Bovendien zalrondom het focus, de bundeldiameter relatief weinig toe-nemen en dus de intensiteit weinig afnemen. Dit bete-kent dat de positionering van het te snijden productt.o.v. het focus minder kritisch is (zie § 4.2). Een grotescherptediepte kan worden bereikt door te focusserenmet een optiek met lange brandpuntsafstand. Echter,met toenemende brandpuntsafstand neemt ook de dia-meter van het focus toe (zie figuur 2.11 en formule 2.3).

figuur 2.11 Invloed van de brandpuntsafstand op descherptediepte

Optiek- en/of werkstukmanipulatie

Lasersnijden kan plaatsvinden op relatief hoge snelhe-den (tot meer dan 15 m/min). Samen met de nauwkeu-righeid van de bewerking (in de orde van 50 µm tot200 µm) stelt dit hoge eisen aan de manipulatoren. Om

de laserspot over het materiaal te bewegen kan mengebruikmaken van een productmanipulator met stil-staande optiek, van een stilstaand product met flyingoptics of een hybride variant (zie figuur 2.12).

(a) (b)

(c)

figuur 2.12 Optiek versus werkstukmanipulatie(a) Flying optics, waarin de optiek (laserbundel)

wordt bewogen en het product stil staat.Deze opstelling wordt meestal toegepast voorhet snijden van grote of zware producten

(b) Stilstaande optiek en bewegend product.Deze opstelling wordt meestal toegepastvoor het snijden van lichte/kleine producten

(c) Hybride manipulator, waarin zowel deoptiek, als het product wordt bewogen

Afhankelijk van de dimensies van het product kiest menvoor een 1D systeem, bijvoorbeeld voor het snijden vanbuizen, voor een 2D of een 2½D systeem voor het snij-den van plaatmateriaal of een 3D systeem voor het be-werken van drie-dimensionale producten. Naarmate hetsysteem van meer assen is voorzien, zal het minder nauw-keurig en duurder zijn. Voor het snijden van 3D produc-ten kan men behalve de relatief nauwkeurige CNC- engantry-manipulatoren ook een robot inzetten. Samenmet een laserbron voorzien van een glasfiber, vormteen robot een zeer flexibel productiemiddel.

Contoursnijden & off line programmerenVoor een constante snedekwaliteit dient de laserspotmet constante snelheid over het product bewogen teworden. Afwijkingen in de versnelling en vertraging vande verschillende assen van de manipulator leiden totafwijkingen t.o.v. de snijcontour, maar ook tot snel-heidsvariaties. Dit laatste leidt tot overmatige warmte-inbreng (zie figuur 2.13a). Dit probleem treedt met na-me op bij scherpe contouren. De positienauwkeurigheidvan de manipulator (en dus ook die van de snede) kanworden vergroot door, ter plaatse van scherpe contou-ren, de snijsnelheid te verlagen. Door gelijktijdig het la-servermogen te verlagen (of beter nog, over te gaan opgepulst snijden), kan men een constante snedekwaliteitverkrijgen (zie figuur 2.13b).

(a) (b) cw, zonder afremmen Gepulst, met afremmen

figuur 2.13 Effect van snelheidsvariaties (t.g.v. de mani-pulator) op de snedekwaliteit (a). Betere snij-resultaten (b) kunnen worden bereikt door hetcw-laservermogen te reduceren of te pulseren,bij gelijktijdige vermindering van de snijsnelheid


Een andere oplossing voor dit soort positioneringspro-blemen is het programmeren van een ijlgang in de vormvan een lus (zie figuur 2.14).

figuur 2.14 Introductie van een lus (ijlgang) in de snijcon-tour ter vergroting van de snijnauwkeurigheiden vermindering van overmatige warmte-inbreng. Deze lus wordt soms een ‘ezelsoor’genoemd (zie § 7.1)

Voor producten waarin vele kleine contouren vlak bijelkaar gesneden moeten worden, kan ook overmatigewarmte-inbreng optreden. Om dit te minimaliseren,dient de volgorde van de afzonderlijke snijcontouren zote worden geprogrammeerd, dat er voldoende tijd voorafkoeling is tussen de opeenvolgde snijprocessen.

Er zijn verschillende off line programmeersoftwarepak-ketten op de markt die bovenstaande oplossingen voorde snijcontour (incl. de instellingen van de laserbron)automatisch uitvoeren op basis van een CAD bestandvan het product (zie figuur 2.15). Deze softwarepak-ketten zijn ook in staat om de snijcontour te voorzienvan inloopcontouren en startgaten (zie § 4.4), en deijlgangen (en dus de productietijd) te optimaliseren.

figuur 2.15 Een off line programmeer software-pakketvoor het lasersnijden met een robot

3 SnijprincipesMen maakt onderscheid tussen drie snijprincipes: het sublimatiesnijden, het smelten en uitdrijven met een niet-reactief gas

(ook wel laser-smeltsnijden genoemd), en het smelten en uitdrijven met een reactief gas (ook

wel laser-brandsnijden genoemd).

Vanwege de hoge snijsnelheid en de oxidevrije snede-kant, wordt het meest gebruikgemaakt van de methodevan het smelten en uitdrijven van het materiaal.

SublimatiesnijdenTijdens het sublimatiesnijden gaat het materiaal in desnede onder invloed van de laserenergie direct van devaste fase over in de dampfase, waarna het door de gas-straal uit de snede wordt gedreven. Meestal wordt stik-stof gebruikt om oxidatie van de snede te voorkomen(zie § 4.3). Voor het sublimatiesnijden van metalen wordtmeestal een gepulste Nd:YAG-laser toegepast (piekver-mogens meer dan 2 kW, pulstijden minder dan 1 ms).Een voordeel van sublimatiesnijden is de zeer goede kwa-liteit van de snijkant, dat wil zeggen: nauwelijks stria-tions (figuur 1.2) en dus een lage ruwheid. Daarnaast isde warmte beïnvloede zone zeer klein (<0,5 mm). Nade-len zijn de hoge benodigde energiedichtheid en een lagesnijsnelheid in vergelijking met het smeltsnijden. Daar-om wordt sublimatiesnijden voornamelijk toegepast alsde eisen aan de snijkant erg hoog zijn, of voor het snij-den van niet-metalen, zoals hout, papier, keramiek, enkunststoffen. Daartoe worden voornamelijk CO2-lasersingezet.

Smelten en uitdrijven met een niet-reactief gasHet smelten en uitdrijven met een niet-reactief gas, wordtook wel laser-smeltsnijden genoemd. Meestal wordt stik-stof gebruikt om het gesmolten metaal uit de snede te bla-zen. Door het gebruik van niet-reactief gas blijft de snedeoxidevrij en bij hoge gassnelheden, braamvrij. Voor staalligt de benodigde energiedichtheid bij dit proces tussen108 W/m2 en 109 W/m2. De snijsnelheid is afhankelijkvan het materiaal, de materiaaldikte en het beschikbarelaservermogen (zie § 4.1). In vergelijking met sublima-tiesnijden is smeltsnijden sneller, maar zijn de ruwheidvan de snedekant en de warmte beïnvloede zone groter.

Smelten en uitdrijven met een reactief gasHet smelten en uitdrijven met een reactief gas, wordtook wel laser-brandsnijden genoemd, en lijkt sterk opautogeen brandsnijden. Het materiaal wordt door delaser tot boven de verbrandingstemperatuur verhit,waarna er een exotherme reactie met zuurstof optreedt(verbranding). De hierbij vrijkomende energie kan eenveelvoud zijn van de door de laserbundel ingebrachteenergie. Dit resulteert in snijsnelheden die een factor2 à 3 hoger liggen dan bij het snijden met een niet-reactief gas. De metaaldampen en sommige van deoxidatieproducten, worden meegevoerd met de gas-stroom. Een deel van de oxidatieproducten zet zichechter vast op de snijkant.

4 ParameterinvloedenIn deze paragraaf worden de belangrijkste parametersdie het lasresultaat bepalen besproken.

4.1 Laservermogen en snijsnelheidHet laservermogen (bij gegeven focusdiameter) en desnijsnelheid zijn de belangrijkste parameters die de resul-taten van een lasersnede bepalen. Hierbij maakt men on-derscheid naar cw-snijden (d.w.z. het laservermogen isconstant tijdens het snijden) en het gepulseerd snijden.

In vergelijking met gepulseerd lasersnijden brengt hoog-vermogen cw-snijden veel warmte in de snijkanten, metals gevolg een relatief brede warmte beïnvloede zone.Deze warmte beïnvloede zone (WBZ) is echter veel klei-ner (<0,5 mm) dan de WBZ bij andere thermischescheidingsmethoden. Figuren 4.1 en 4.2 tonen repre-sentatieve snijsnelheden bij verschillende laservermo-gens, in het geval van snijden van RVS met stikstof(niet-reactief) en het laser-brandsnijden van staal (reac-


tief). Figuur 4.3 toont representatieve snijsnelheden vooraluminium. In het algemeen kan de volgende relatie tus-sen snijsnelheid v, laservermogen P en materiaaldikte s,worden gehanteerd:

, (4.1)vC P

s=

⋅

waarbij C een materiaalafhankelijke constante is. Dus naar-mate de materiaaldikte s kleiner is en meer vermogen Pbeschikbaar is, zal de snijsnelheid hoger kunnen zijn.

figuur 4.1 Representatieve snijsnelheden, in het gevalvan het cw-lasersnijden van RVS met stikstof(niet-reactief)

figuur 4.2 Representatieve snijsnelheden, in het gevalvan lasersnijden van staal met zuurstof (reactief)

figuur 4.3 Representatieve snijsnelheden, in het gevalvan lasersnijden van aluminium

Bij gepulste lasers maakt men onderscheid tussengewone pulsen en super-pulsen (zie figuur 4.4).

Het gemiddelde laservermogen PGem [W] is een percen-tage van het pulsvermogen.

(4.2)PGemaan

aan uit

Pulsvermogen=+

⋅t

t tBij super-pulsen wordt de laserbron zo aangestuurd dater vermogenspieken ontstaan, die hoger zijn dan hetmaximale cw-vermogen dat de bron kan uitzenden.

figuur 4.4 Verschillende pulsmodes

Tijdens de aan-tijd van de (super)puls wordt het mate-riaal gesmolten, verdampt en uitgedreven. Tijdens deuit-tijd krijgt het (bulk)materiaal de gelegenheid om afte koelen, terwijl de laserbundel beweegt. Hierdoor isde warmte beïnvloede zone en de thermische belastingvan het product, kleiner dan bij cw-snijden. De snijsnel-heden zijn echter lager dan bij cw-snijden (zie figuren4.1 en 4.2). Super-pulsen bieden voordelen bij het bo-ren van een startgat (zie § 4.4) en het snijden van sterkreflecterende metalen door de hoge intensiteit die bijdeze pulsen ontstaan.

4.2 FocuspositieVoor het maken van een goede snede is een preciezepositionering van de laserbundel van belang. Dit betreftde diameter en de ligging van het focus t.o.v. het pro-ductoppervlak (zie figuur 4.5).

figuur 4.5 De focuspositie zf is gedefinieerd als de afstandvan de bovenzijde van het product tot aan hetfocus. Indien het focus onder het productopper-vlak gepositioneerd wordt, is zf positief (zf>0).Als het focus boven het productoppervlak wordtgepositioneerd is zf negatief (zf <0)

Een onjuiste focuspositie kan leiden tot het ontstaan vanronde snijkanten, te grote snedebreedte, niet evenwij-dig zijn van snijkanten (zie figuur 4.6), braamvormingen een te lage snijsnelheid (zie hoofdstuk 10). De focus-positie is vooral kritisch bij het gebruik van lenzen meteen korte brandpuntsafstand. Dit omdat deze lenzengekenmerkt worden door een kleine scherptediepte (ziefiguren 2.11 en 4.6).

De optimale focuspositie is die positie die de kleinstesnedebreedte realiseert. Deze optimale positie hangt afvan het materiaaltype en -dikte. Zo varieert de optimalefocuspositie voor het snijden van staal met zuurstof tus-sen zf=0 en zf=−0,3⋅s, waarbij s de materiaaldikte is.De optimale positie voor het snijden van metalen metstikstof is aan de onderzijde van het materiaal (dus


Notatie zuiverheden gassenBehalve percentages is het gebruikelijk de zuiverheid vaneen gas met een cijfer aan te geven. Een dergelijk cijfer isopgebouwd uit een getal vóór en een getal ná de punt,bijvoorbeeld 3.5. Het cijfer voor de punt (in dit voorbeeld3) geeft het aantal negens aan van de percentuele zuiver-heid (dus 3 negens). Het getal achter de punt (5 in ditvoorbeeld) geeft het laatste cijfer aan in de percentuelezuiverheid. Dus 3.5 betekent een zuiverheid van 99,95%.De zuiverheid 99,998% van de in tabel 4.1 aangegevenstikstof is dus in deze notatie 4.8.

zf ≈ materiaaldikte). De machineleverancier stelt meestaltabellen met de optimale focuspositie voor verschillendemateriaal(diktes) beschikbaar. Een methode om zelf deoptimale focuspositie voor een materiaal te bepalen isdoor experimenten uit te voeren waarbij de focuspositiewordt gevarieerd, maar waarbij de nozzle-plaat afstand(zie § 4.3) constant wordt gehouden. De optimalefocuspositie is die positie die de kleinste snedebreedterealiseert.

figuur 4.6 Invloed van de focuspositie op de tapsheid vande snede. De snede heeft de vorm van deconvergerende c.q. divergerende laserbundel.Links: focuspositie op de onderzijde van deplaat, midden: focuspositie in het midden vande plaat, rechts: focuspositie op het product-oppervlak. Naarmate de brandpuntsafstandvan de gebruikte lens kleiner is zal dit effectgroter zijn

4.3 SnijgassenLasersnijden vindt vrijwel altijd plaats met behulp vaneen snijgas, dat coaxiaal met de laserbundel in de snedewordt geblazen. De functie van het snijgas is: het uit de snede drijven van het door de laserbundel

gesmolten en/of verdampte metaal; het opwekken van extra warmte bij het laser-brand-

snijden (zie hoofdstuk 3) d.m.v. het reageren vanzuurstof met het metaal (verbranden);

bescherming van de (focusseer)optiek tegen spattenvanuit de snede;

het koelen van het materiaal naast de snede. Dit ismet name van belang bij het snijden van smalle enscherpe contouren, waarbij overmatige warmte-inbreng een probleem kan vormen.

Figuur 4.7 toont de verschillende componenten van eensnijkop.

figuur 4.7 De verschillende componenten van een snijkop

GastypeDe keuze voor een bepaald type snijgas hangt samenmet het te snijden materiaal. Bij staal geeft zuurstof debeste resultaten. Bij roestvast staal wordt in het alge-meen stikstof als snijgas gebruikt. Nadeel is, dat desnijsnelheid in vergelijking met zuurstof aanzienlijk lagerligt. Deze snelheidsreductie kan echter worden beperktdoor gebruik te maken van een hogere gasdruk (onge-veer 1,5 MPa). Tabel 4.1 geeft een overzicht van demeest toegepaste snijgassen bij verschillende metalen.

tabel 4.1 Snijgassen toegepast voor lasersnijden

materiaal

snijgas

Zuurstof (O2)zuiverheid99,95%

Stikstof (N2)zuiverheid99,998%

Staal

ongelegeerd ! !laaggelegeerd ! !hooggelegeerd !RVS !verzinkt ! !geverfd !

Ni- en Co-basislegeringen !Aluminium en Al-legeringen !Titaan en titaanlegeringen argon/heliumKoper en koperlegeringen !

In de praktijk wordt voor het snijden doorgaans stikstofuit een tank genomen, waarin het vloeibaar opgeslagenis. De zuiverheid is dan 5.0 (voor een uitleg over dezuiverheid, zie grijs kader).

In tegenstelling tot het snijden van staal, hebben dereactieproducten (oxides) bij het snijden van RVS enaluminium, de neiging zich aan de onderkant van desnede te hechten (braam). Deze laten zich moeilijk ver-wijderen. Echter, bij een goede uitvoering van het snij-proces is braamvrij snijden mogelijk. Oxidatie van desnijkant treedt in alle gevallen op (die zich bij staal ge-makkelijk middels borstelen laat verwijderen). In verge-lijking met smeltsnijden zijn de warmte beïnvloede zoneen de ruwheid (striations) groter. Omdat titaan(legerin-gen) reageren met zuurstof en stikstof tot (zeer) hardeoxides en nitriden, worden deze metalen gesneden metargon of helium (of een mix van beide gassen). Argonen helium zijn duurder dan stikstof.

Gasdruk en -verbruikDe optimale gasdruk is afhankelijk van het materiaal, dedikte van het materiaal, het gastype en de diameter (envorm) van de nozzle-opening. De gasdrukken bij hetlaser-brandsnijden met zuurstof varieert van 0,02 tot0,6 MPa (0,2 tot 6 bar). Bij grotere materiaaldiktes (enlagere snijsnelheden) wordt de gasdruk verlaagd. Dehogere gasdruk bij dunne producten is nodig om vol-doende zuurstof toe te voeren i.v.m. de hogere snij-snelheid bij dunne materialen.

Bij het snijden met een niet-reactief gas (argon, stikstof,helium) zijn hogere drukken nodig om het gesmoltenmetaal uit de snede te drijven.Voor het snijden van metalen tot circa 6 mm wordengasdrukken van 0,8 tot 1 MPa (8 tot 10 bar) gebruikt.Voor dikkere materialen zijn gasdrukken van circa 1,5tot 2,7 MPa (15 tot 27 bar) nodig. Men dient er op toete zien dat de optiek deze hoge drukken kan weerstaan.

Het gasverbruik hangt af van de gasdruk en de diame-ter van de nozzle-opening en kan aanzienlijk zijn (ziefiguur 4.8)


(a) Zuurstof

(b) Stikstof

figuur 4.8 Maximaal gasverbruik bij cw-snijden alsfunctie van de gasdruk voor verschillendediameters van de nozzle-opening

GasnozzleDe geometrie van de nozzle-uitstroomopening, de afstandtussen het uiteinde van de nozzle en het oppervlak vanhet product (de zogenaamde nozzle-plaat afstand, ziefiguur 4.7) alsmede de gasdruk hebben grote invloed opde snijsnelheid en de snedekwaliteit.

De voornaamste oorzaak hiervan is, dat de snedebreedteveel kleiner is dan de diameter van de nozzle-opening,waardoor slechts een deel van de gasstroom in de snedestroomt. Rechte en conische nozzleboringen worden,vanwege de maakbaarheid, het meest toegepast. Bijgasdrukken hoger dan 0,6 MPa (6 bar) worden specialenozzles gebruikt, zoals deLaval nozzles en nozzles metster- of lobvormige openingen.De diameter van de nozzle-opening (in de orde groottevan 1 tot 2,2 mm) is circa twee maal zo groot als debreedte van de snede. Hierdoor is er nauwelijks druk-verlies tussen de nozzle-opening en het productopper-vlak. Echter, in de snede zal na een afstand van enkelemalen de diameter van de nozzle-opening, de gasstroomsterk in volume toenemen, waardoor de snedebreedtesterk toeneemt. Dit beperkt de dikte van het materiaaldat gesneden kan worden.

Een kleine nozzle-opening heeft een laag gasverbruik alsvoordeel, maar heeft als nadeel dat de uitlijning met delaserbundel kritisch is. Bovendien is een kleine nozzlegevoeliger voor variaties in de gasdruk.

Uitlijning gasnozzleOnderzoek heeft aangetoond dat, wanneer de hartlijnvan de nozzle circa 0,5 mm achterloopt op de laserbun-del, er met een lagere gasdruk (en dus lager gasver-bruik), gesneden kan worden [2]. Vanwege de lageregasdruk resulteert dit in een betere snedekwaliteit. Omdit voordeel uit te buiten is een servo-gestuurde nozzlevereist, indien niet-rechte sneden moeten worden ge-maakt. Als er geen servo-gestuurde nozzle ter beschik-king staat, dient de nozzle-opening en de laserbundel

coaxiaal uitgelijnd zijn (afwijking mag maximaal circa0,2 mm zijn). Vrijwel elke snijkop is voorzien van eeninstelmechanisme voor het centreren van de nozzle (ziefiguur 4.7). Fouten in de nozzle-uitlijning kunnen resul-teren in een tapse snede en/of braam aan slechts éénzijde van de snede. Een praktische methode om de uit-lijning te controleren is, door een stukje tape op denozzle-opening te plakken en de laser één puls te latenafgeven. Een eventuele excentriciteit van de nozzlet.o.v. de laserbundel is dan zichtbaar aan de locatie vanhet gaatje in de tape.

Nozzle-plaat afstandDe nozzle-plaat afstand (figuur 4.7) heeft grote invloedop de snijsnelheid en de snedekwaliteit. De optimalenozzle-plaat afstand varieert tussen circa 0,5 en 2,5 mm(circa 0,2 tot 0,8 maal de diameter van de nozzle-ope-ning). Afstanden groter dan de nozzle-opening resulterenin turbulente stromingen (wervelingen) van het snijgas;een ongewenst effect. Dit in combinatie met een smallesnedebreedte resulteert in grote drukfluctuaties, watweer resulteert in variërende snedekwaliteit. Omdat denozzle-plaatafstand een kritische parameter is, dientdeze constant te worden gehouden tijdens het snijden.Daartoe kan men een hoogtesensor en een regelsysteeminzetten (zie § 6.2).

4.4 StartgatOm een snede te starten kan zowel op de snijcontourals ernaast gestart worden. Daartoe boort men met delaser een startgat waarbij de laserbundel en het productten opzichte van elkaar niet bewegen.Daarbij maakt men onderscheid naar twee boormethoden: boren van het start gat met cw-laservermogen; gepulseerd boren van het startgat.

Bij het boren met cw-laservermogen wordt het startgatgecreëerd met een relatief hoog continue laservermo-gen, een gasdruk van circa 0,4 MPa (4 bar) en meestaleen toenemende nozzle-plaat afstand tijdens het boren.Deze methode voor het creëren van een startgat is tweetot drie maal zo snel als gepulseerd boren, maar kenteen aantal nadelen. Het vormt een relatief zware ther-mische belasting voor het product. De diameter van hetstartgat is veel groter dan de snedebreedte, waardoorhet niet mogelijk is om op de snijcontour te starten. Enhet boren gaat gepaard met veel spatten, resulterend invervuiling van de nozzle-opening.

Tijdens het gepulseerd boren (figuur 4.4) wordt het start-gat met een niet-reactief gas onder lage druk (minder dan0,1 MPa, 1 bar) geboord. Na het pulsen laat men meestalhet cw-laservermogen lineair toenemen (tijdens het ver-snellen van het product) tot een continue waarde waar-mee gesneden wordt. Deze gecontroleerde wijze van bo-ren resulteert in een startgat waarvan de diameter nietgroter is dan de gewenste snedebreedte. Dit maakt hetmogelijk om op de snijcontour te starten. Zuurstof ver-snelt het gepulseerd gatsteken nauwelijks.

Omdat voor het gatsteken een andere gasdruk nodig isdan voor het snijden, is een servo-gestuurdegasklep/reduceerventiel nodig.

4.5 MateriaaleigenschappenVele materialen zijn te snijden met behulp van een laserzoals staal, aluminium, kunststof, papier en hout. Tochis er een groot verschil tussen de mate van snijdbaarheidtussen materialen. Staal bijvoorbeeld is veel gemakke-lijker te snijden dan aluminium.Materiaaleigenschappen die grote invloed hebben op delasersnijbaarheid zijn: de toestand van het productoppervlak en de absorp-

tiecoëfficiënt A [%] (figuur 2.5). Hoe hoger hoebeter;


De warmtegeleidingseigenschappen van het mate-riaal, gekarakteriseerd door de warmtegeleidings-coëfficiënt K [W/(m⋅K)] en de warmtediffusie-coëfficiënt κ [m2/s]. Hoe lager hoe beter;

Smelttemperatuur Tm [°C] en smeltwarmte Hm [J/kg].Hoe lager hoe beter;

Verdampingstemperatuur Tv [°C] en verdampings-warmte Hv [J/kg]. Hoe lager hoe beter;

Viscositeit η [N⋅s/m2] van het vloeibare materiaal.Een hoge viscositeit betekent een stroperige vloei-stof en zal makkelijk leiden tot braamvorming.

De machineleverancier stelt meestal tabellen met deoptimale machine-instellingen (§ 4.1 t/m 4.4) voorverschillende materialen beschikbaar.

5 Karakterisering van de snedekwaliteitDe snedekwaliteit kan door verschillende groothedenworden gekarakteriseerd. De Duitse VDI Richtlinie 2906Blatt 8 [3] en DIN 2310 norm [4] leggen o.a. de haaks-heid, de ruwheid en de braam vast (zie figuur 5.1).

figuur 5.1 Definitie van de snedekwaliteit volgens de VDIRichtlinie 2906 Blatt 8 [3]

Hierin is:rE afronding bundelintreezijde [m]rA afronding bundeluittreezijde [m]α coniciteit van de snede [rad]u haaksheidstolerantie [m]Rs ruwheid van de snede (gebruikelijk is Rz)VG, bG, hG braamvolume [m3], -breedte [m] en -hoogte [m]bGF grootste braambreedte [m]bWBZ warmte beïnvloede zone [m]s plaatdikte [m]M meetbereik voor de bepaling van u en bWBZ, waarin

∆s=0,1s voor s<2 mm en∆s=0,2s voor s ≥ 2 mm

Deel 1 en 5 van de DIN 2310 norm kent drie kwaliteits-klassen van de snede (Feld 1 hoogste kwaliteit, Feld 3laagste kwaliteit), die wordt ingedeeld op basis vanhaaksheid en ruwheid (zie figuur 5.2 en tabel 5.1).

figuur 5.2 Kwalificatie van lasergesneden producten opbasis van de snedekwaliteit, i.h.b. haaksheiden ruwheid (Rz) volgens deel 1 en 5 van denorm DIN 2310

tabel 5.1 Classificatie van lasersnede volgens DIN 2310

kwaliteit Feld 1 Feld 2 Feld 3

voor-waarden

u<0,05+0,0025sen Rz<10+2s

u<0,1+0,015sen Rz<30+3s

u<0,25+0,025sen Rz<60+4s

u =haaksheiden coniciteitstolerantie [mm];Rz=ruwheid [µm];s =materiaaldikte [mm]

6 Overige componenten van een laser-snij-installatie

6.1 OpspanningOmdat het focus en de scherptediepte van de laserbun-del klein zijn, dient het product nauwkeurig te wordeningespannen. Productinklemming is vooral kritisch als ergeen hoogtesensor wordt gebruikt (zie § 6.2). Boven-dien kan, ondanks de geringe warmte-inbreng tijdenshet lasersnijden, het product thermisch vervormen.Deze vervormingen dient men te voorkomen d.m.v. eenuitgebalanceerde snijvolgorde (zie § 2.3) en/of een ade-quate productopspanning. Daarbij dient men de volgen-de aspecten in acht te nemen: voorkom puntinklemming en/of hoge klemkrachten,

waardoor het product ter plaatse van de klemvervormt;

aanwezige interne spanningen in het materiaal kunnenhet product vervormen, zodra het wordt gesneden;

een hoge gasdruk kan het product vervormen; wanneer het product wordt bewogen (zie figuur

2.11b en c), kan het onder invloed van massatraag-heden vervormen;

zorg dat de optiekkop (en de laserbundel) vrij baanheeft langs de opspanmiddelen (botsingsgevaar);

een puntsgewijze ondersteuning van het productminimaliseert de reflectie van de laserbundel op dezeondersteuning en heeft zo een positieve invloed opde snedekwaliteit. Bovendien heeft de gasstraal indat geval vrij baan (zie figuur 2.15);

zorg voor een goede bereikbaarheid van de product-opspanning i.v.m. het verwijderen van slak en spatten;

maak voor de productopspanning bij voorkeur gebruikvan warmtebestendige materialen en/of een spat-werende deklaag (coating).

6.2 SensorenEen hoogteregeling zorgt voor een constante nozzle-plaat afstand, alsmede voor een constante focuspositie(zie figuur 6.1). Een dergelijk systeem is vooral vereistbij het gebruik van lenzen met een korte brandpunts-afstand en/of het snijden van 3D producten.

figuur 6.1 Een hoogteregeling zorgt voor een constantenozzle-plaat afstand, ondanks variaties in deproductgeometrie


De hoogteregeling kan mechanisch of elektronisch zijnuitgevoerd. De mechanische uitvoering bestaat uit eenwiel (of een bal) welke aan de snijkop is bevestigd, overhet productoppervlak rolt en zo een constante nozzle-plaat afstand, alsook een constante focuspositie garan-deert. Deze mechanische hoogteregeling is geschiktvoor plaatmateriaal, maar minder geschikt voor 3D pro-ducten. De rol kan krassen/groeven op het productachterlaten.

In het geval van een elektronische hoogteregeling wordtde elektrische capaciteit tussen de metalen nozzle en hetmetalen product gemeten. Deze capaciteit is een maatvoor de afstand tussen de nozzle en het productopper-vlak. Een regelsysteem in de manipulator past de positievan de snijkop aan indien een afwijkende capaciteit (endus een variërende nozzle-plaat afstand) wordt gemeten.Deze elektronische hoogteregeling is flexibeler dan demechanische variant, maar is duurder en kan alleenworden toegepast bij elektrisch geleidende materialen.

7 Praktijkvoorbeelden7.1 Snijden van een zijgeleiding met CO2-laserIn deze paragraaf wordt het lasersnijden met een CO2-laser van een zijgeleiding uit plaatmateriaal uiteengezet(zie figuur 7.1). De lasergesneden uitslag dient, na hetkanten en het inpersen van enkele persmoeren, als on-derdeel van een dozenopzetmachine voor de verpak-kingsindustrie.

figuur 7.1 Uitslag van een zijgeleiding van een dozen-opzetmachine voor de verpakkingsindustrie.Materiaal RVS 1.4301. Dikte 2 mm. Afmeting446,3 x 146,6 mm2

De werkwijze voor het lasersnijden van de plaatuitslagbestaat achtereenvolgens uit: De contour van de uitslag wordt als een DXF-bestand

(bestandformaat voor gevectoriseerde tekeningen)door de afdeling werkvoorbereiding ingelezen in hetoff line programmeersysteem (zie § 2.3). Hierbij wordt(automatisch) rekening gehouden met de eigenschap-pen van de gebruikte laserbron (in dit geval eenTrumpf L3030 CO2-laser met flying optics). De werk-voorbereider bepaalt de basis-machine-instellingen,in dit geval: snijsnelheid 22 mm/s, laservermogen2,6 kW, focuspositie zf=−0,7 mm, brandpuntsafstandlens f=127 mm (5 inch). Als snijgas wordt stikstofgebruik (zuiverheid 4.8, druk 1,5 MPa =15 bar).Afhankelijk van de contourdetails en de verlangdemaattoleranties van het product worden de basis-machine-instellingen aangepast. Zo worden kleine ga-ten (minder dan 50% van de plaatdikte) bij voorkeurpulserend ingestoken. Daarnaast worden scherpe con-touren met zogenaamde ‘ezelsoren’ (zie figuur 2.13)gesneden om verbranding van de punt te vermijden.

Het resultaat van de werkvoorbereiding is een NC-code voor de lasermachine, ook wel het snijprogram-ma genoemd. Daarnaast wordt automatische een do-cument gegenereerd, waarmee de machine-operatorinstructies krijgt hoe te handelen voor deze snijklus.Hierbij valt te denken aan instellingen, materiaalge-gevens en natuurlijk de plaats waar hij de digitale in-formatie kan vinden op het bedrijfscomputernetwerk.

In dit voorbeeld is de totale contourlengte (inclusief ijl-gangen) 2797 mm en er moet 15 keren worden ingesto-

ken; per product neemt dit alles slechts 1,37 minuut inbeslag. De zijgeleidingen zijn in een serie van 8 stuksgesneden, waarbij de kostenopbouw (prijspeil 2002) erals volgt uit ziet: Materiaal: € 2,75 per stuk; Programmeren: € 1,32 per stuk (ca. 12 minuten

totaal); Lasersnijden: € 5,50 per stuk (incl. instelkosten); Totaal € 9,57 per stuk.

Het zal duidelijk zijn dat grote series tot kostprijsreduc-ties zullen leiden. Voordelen van lasersnijden van ditproduct, t.o.v. pons-nibbelen zijn: Snelheid: Grote delen van de snijcontour zijn recht,

waardoor m.b.v. de laser sneller te produceren isdan met een pons-nibbelmachine;

Nauwkeurigheid: De laser kan, in tegenstelling totpons-nibbelen, waar aftekening van nibbelovergan-gen ontstaan, rechte contouren produceren;

Maakbaarheid: Er zijn twee gaten vrij dicht aan derand van de buitencontour geconstrueerd. Dit is voorde laser geen probleem. Bij pons-nibbelen bestaat hetgevaar van vervorming van de plaat, waardoor devlakheid en maten van de uitslag buiten de tolerantievan 0,1 mm gaan vallen.

7.2 Snijden van pootjukkenIn deze paragraaf wordt het lasersnijden met een CO2-laser van tafelpoten (pootjukken genaamd) uit driehoe-kige buis behandeld (zie figuur 7.2).

figuur 7.2 Pootjukken opgebouwd uit ongelijkzijdige drie-hoekige buis (lange zijde ≈ 68 mm, 2 korte zij-den ≈ 54mm). Bij de vierpoot tafels vormt éénpootjuk de twee poten aan de zijde van eentafel. De jukken worden verbonden door tweeliggers. Op de liggers wordt het blad gemon-teerd. Bij de driepoot tafels worden drie poot-jukken verbonden met een koppelstuk. Het bladwordt rechtstreeks op de jukken gemonteerd.De tafels zijn in drie uitvoerigen verkrijgbaar:vaste hoogte, hoogte instelbare en hoogte ver-stelbare uitvoering. De hoogte verstelling wordtgerealiseerd door een aluminium inschuifpootin de pootjukken

In eerste instantie werd overwogen het juk uit drie resp.twee delen (vier-, driepoot tafel) te maken Uiteindelijk isgekozen voor het maken van de jukken uit één deel.Daartoe wordt in de buis, met de laser, een 90° uitkap-ping gesneden, waarna de buis ter plaatse van de uit-kapping over de lange zijde haaks omgebogen kan wor-den (zie figuur 7.3).

De voordelen van deze constructie zijn: Goede visuele kwaliteit van de buitenhoek van de

poot en bovendeel van het juk, alsook van de, doorlassen verbonden, korte zijden. Er is geen nabewer-king nodig;

Logistieke voordelen, omdat men met minder onder-delen te maken heeft.

Behalve de 90° uitkapping(en) bevatten de jukken, af-hankelijk van de uitvoering, diverse uitsnijdingen, voor


o.a. het hoogteverstelmechanisme, montage van tand-wielkastjes t.b.v. de hoogteverstelling, ophanggatenvoor het poederlakken (zie figuur 7.4).

figuur 7.3 Een met de laser gesneden 90° uitkapping inde driehoekige buis

figuur 7.4 Gezien de lengte van de jukken, 1 tot 2,5meter en de aanwezigheid van uitsparingenover de gehele lengte, is het lasersnijden eenvoor de hand liggende techniek voor hetvervaardigen van de pootjukken

Aspecten waaraan speciale aandacht moest wordenbesteed waren: De baan- en positioneernauwkeurigheid van de laser-

kop t.o.v. de buis, met name bij het snijden van de90° uitkapping. Dit i.v.m. de geometrische toleran-ties van de buis en de nauwkeurigheid waarmee debuis kan worden ingespannen in de machine. Bij deinspanning van de buis wordt daarom de lange zijde,door parallel werkende aandrukkers op de korte zij-den, tegen een vaste referentie gedrukt. De rotatievan de buis wordt aangedreven op een zogenaamdebril, zo dicht mogelijk bij de laserkop. Dit minimali-seert de invloed van torsie in de buis. Er zijn installa-ties waarbij via de pusher de rotatie wordt aangedre-ven. Dit betekent dat bij een torsie van 1° per meteren een buis van 6 meter, het te bewerken vlak 6°verdraaid onder de laserkop kan staan.

De machine-instellingen in het bereik van de hoekentussen de korte en lange zijde, bij het snijden van de

90° uitkapping en het afsnijden van de buis. In ditbereik moet men er rekening mee houden dat delaserbundel, behalve door de te snijden wand, ookdoor de achterliggende wand heen kan snijden ofdeze weer kan samensmelten (dus lassen). Dit pro-bleem wordt o.a. veroorzaakt doordat de snijsnel-heid bij het ronden van een hoek lager is dan de insnijsnelheid in de zijden. Dit probleem werd opgelostdoor het laservermogen te verlagen bij het rondenvan de radius tussen de lange en korte zijden.

Door bovenstaande punten bleek het moeilijk om met eenoff line programmeerpakket het snijprogramma voor delaser te optimaliseren. De optimalisatie is bereikt doormiddel van trial and error.

De Balliu laserinstallatie bestaat uit: Een toevoerbunker, waarin plaats is voor ongeveer

100 stalen of aluminium driehoekbuizen van maxi-maal 6,4 meter lengte. De machine separeert debuizen, draait deze in dezelfde oriëntatie, de langezijde onder, en biedt de buizen aan een meetpositieaan;

De meetpositie. Deze meet de exacte lengte van dete snijden buis;

Een ‘pusher’ en een bril die zorgen voor de positio-nering van de buis tijdens het snijden. De pusherklemt de buis aan het uiteinde en verplaatst de buisin de lengterichting (X-as). De bril geleidt de buis inde x-richting en roteert de buis (Q-as);

Een Rofin Sinar 2000 W CO2 Slab Laser; Een laserkop met 3 bewegingsassen: Y, X en Z. De

Y en X-as (max. slag 300 mm) op de laserkop wor-den gebruikt voor het snijden van de relatief kleineuitsparingen in de buis. De X-as van de pusher(6400 mm) wordt alleen gebruikt voor het doorzet-ten van de buis tussen de verschillende uitsparingen.Door de extra X-as van de laserkop (een ‘standaard’buizensnijder beschikt alleen over de ‘pusher’ X-as),kon een winst van 10% in de cyclustijd worden be-haald. Bovendien kan er op deze wijze nauwkeurigerworden gesneden. De Z-as wordt aangestuurd dooreen hoogteregeling die ervoor zorgt dat de laserkopop een vaste afstand van het materiaal blijft;

Een Pick and Place (P&P) unit om de producten af tevoeren. De machine legt aluminium inschuifpoten(voor hoogteverstelling) af in 1 van 4 productbakken.Het product word pas ‘losgelaten’ als het product deoverige producten (of de bodem) raakt. Deze (nietstandaard) functie is toegevoegd i.v.m. geluids-overlast (wanneer men een buis vanaf 10 cm hoogtezou laten vallen levert dit geluidspieken op die ruimboven de 100 decibel kunnen uitkomen). De machinekan de gesneden stalen buizen ook doorvoeren naareen lasrobot voor verdere verwerking. Tussen desnijlaser en de lasrobot zit een kleine buffer vanmaximaal 20 producten;

Een computer (PC) die aan de hand van de gemetenbuislengte en de order bepaald welke producten uitde betreffende buis gemaakt kunnen worden. DezePC geeft, per product dat gemaakt moet worden,een programmanummer door aan de machinebestu-ring van de laser, waarin zich het snijprogramma(NC-code) bevindt. De operator werkt op de PC metproductnummers (12 cijferig).

De gebruikte machine-instellingen zijn weergegeven intabel 7.1.

De hele installatie (snijlaser & lasrobot) wordt bedienddoor één operator. De taken van de operator zijn o.a.: Het selecteren van de te maken order; Het laden van de toevoerbunker van de laser met

stalen of aluminium buizen; Het be- en ontladen van de lasmal bij de lasrobot; Het verrichten van kwaliteitscontroles.


tabel 7.1 Machine-instellingen voor het snijden vanpootjukken

Staal Aluminium

materiaaldikte 1,5 mm 1,5 mm

gem. vermogen* 600 W 1900 W

snijgas N2 (16 bar) N2 (18 bar)

boorgas N2 (2 bar) O2 (2 bar)

nozzle-plaat afstand 1 mm 1 mm

diam. nozzle opening 1,5 mm 1,5 mm

brandpuntsafstand lens 127 mm (5") 127 mm (5")

focuspositie zf 2,2 mm 2,5 mm

* Het vermogen is afhankelijk van de snijsnelheid. De snijsnelheidvarieert sterk o.a. omdat men bij het snijden van de hoeken temaken heeft met relatieve snijsnelheden. De laserkop en hetproduct bewegen beiden.

8 VeiligheidZoals bij alle bewerkingsmachines moet ook bij laser-installaties aandacht worden geschonken aan de veilig-heid. Wanneer een complete laserinstallatie wordt aan-geschaft zal in de meeste veiligheidsvoorzieningen reedsvoorzien zijn. De gebruiker dient echter aandacht te be-steden aan de volgende twee risico’s: blootstelling aan laserstraling; blootstelling aan procesemissies (dampen, deeltjes).

LaserstralingLaserbronnen en lasersystemen worden in vier risico-klassen (1 t/m 4) ingedeeld. De indeling van een laser ineen klasse is gebaseerd op de stralingschade die delaserbron bij het meest ongunstige gebruik kan veroor-zaken (hoe hoger de klasse des te groter de schade).De betreffende laserklasse wordt door de fabrikant ophet systeem aangegeven, of moet anders door de ver-antwoordelijke leiding worden vastgesteld.Hoogvermogen lasers voor het snijden van metalen,vallen altijd in de hoogste gevarenklasse (klasse 4).Gevaar bestaat niet alleen bij het direct kijken in delaserbundel, maar ook nadat de bundel gereflecteerd isop bijvoorbeeld het smeltbad, of een (verkeerd) gepo-sitioneerd product of op een opspangereedschap.Voldoende veiligheid wordt in alle gevallen geboden dooreen ‘lichtdichte’ afscherming, waarbinnen zich geengebruiker bevindt tijdens de bewerking. Het een enander is vastgelegd in de normen: NEN-EN 10825 [5],NEN-EN 12626 [6], en NEN-EN 12254 [7].

Procesemissies (dampen en deeltjes)Bij het snijden met lasers kunnen materiaaldampen enstofdeeltjes vrijkomen die schadelijk zijn, en bij onvol-doende afscherming en afzuiging snel tot boven detoelaatbaarheidsgrens (MAC-waarde) uitkomen. Ook(schadelijke) proces- en beschermgassen dienen te wor-den afgezogen, wanneer deze in grote hoeveelhedenvrijkomen.

9 Economische aspectenEen nadeel van het snijden met een laser, t.o.v. conven-tionele (thermische) scheidingstechnieken, is de relatiefhoge investering voor een lasersnij-installatie. T.o.v. deconventionele technieken is de snijsnelheid echter velemalen groter, zodat de investering snel kan worden te-rugverdiend. Zo blijkt een terugverdientijd van een inves-tering van meer dan € 500.000 in een laserinstallatie inminder dan 1 jaar geen uitzondering.

De kosten van een laserinstallatie is opgebouwd uit vasteen operationele (of variabele) kosten. De vaste kosten,op hun beurt, bestaan uit investeringen in de benodigdeapparatuur (laserbron, manipulator, enz.) en de zoge-naamde neveninvesteringen. Deze neveninvesteringenhebben betrekking op de organisatie en de productie vaneen bedrijf. De voorlichtingspublicatie VM 121 “Hoog-vermogen lasers voor het bewerken van metalen” [1]gaat dieper in op deze (neven)investeringen. Hier wordtvolstaan met tabel 9.1, waarin investeringskosten vaneen complete installatie voor diverse typen en vermogensworden aangegeven.

tabel 9.1 Prijsindicaties (2006) in Euro’s van de verschillendetypen lasers voor verschillende vermogens

type laser vermogen[W]

investeringskosten (incl.koeler) [×1.000 €]

CO2-laserdiffusiegekoeld/slab

1000 90 - 1302000 130 - 1704000 225 - 2708000 350 - 410

cw Nd:YAG-laserlampengepompt

2000 220 - 2404000 400 - 450

cw Nd:YAG-laserdiodegepompt

2000 300 - 3504000 500 - 530

diodelaserdirect

1000 75 - 1002000 100 - 1504000 200 - 225

diodelaserfiberkoppeling

1000 125 - 1502000 175 - 2004000 250 - 275

disc-laser 4000 380 - 4006000 510 - 530

fiber-laser 2000 210 - 2303000 290 - 310

De operationele (of variabele) kosten bestaan uit: loonkosten operator, incl. overheadkosten; stroomverbruik; gasverbruik; slijtdelen laserbron; slijtdelen installatie; gereedschapskosten.

De grootste kostenpost bij de operationele kosten zijnde loonkosten (incl. overhead) van de operator. Daartegenover staat dat bij laserbewerkingen vaak bespaardkan worden op de nabewerkingen van het product. Ertreden immers minder vervormingen op van de produc-ten. Hierdoor kunnen er manuren gespaard worden. Depost slijtdelen laserbron is sterk afhankelijk van het typelaserbron. De CO2-laser kent, behalve de lenzen, het uit-koppelvenster (standtijd circa 3000 uur) en elementenvan het koelsysteem, niet veel slijtdelen. Bij de diode-gepompte Nd:YAG-laser moeten de diodes om de circa10.000 uur worden vervangen. Bij de lampengepompteNd:YAG-laser moeten de lampen om de circa 1000 uurworden vervangen. Afhankelijk van het vermogen is hetstroomverbruik van de Nd:YAG- en CO2-lasers fors, van-wege het lage energetische rendement (3 tot 10%). Hetgasverbruik is een kostenpost van vergelijkbare grootteals het stroomverbruik.

Gezien de hoge investeringskosten is het dus zaak hetaantal uren dat de laser daadwerkelijk wordt gebruikt(bezettingsgraad) zo hoog mogelijk te houden. Om on-voorziene stilstand door onverwachte storingen te voor-komen, zal daarom onderhoud (vervangen slijtdelen) moe-ten worden ingepland. Daarnaast moet de snijsnelheidzo hoog mogelijk worden gekozen voor een snelle terug-verdientijd. Om de bezettingsgraad van de laser zo hoogmogelijk te krijgen kan worden gedacht aan het combi-neren van meerdere bewerkingen met één laserbron. Zokan één laserbron gekoppeld worden aan twee robots,


die om de beurt gebruikmaken van de bron (zie figuur2.8). Men kan ook één laser inzetten voor meerderebewerkingen, bijvoorbeeld én snijden én lassen.

10 ProbleemoplosserDit hoofdstuk geeft een overzicht van de oorzaken vanen de oplossingen voor veel voorkomende problemen bijhet lasersnijden. De snijproblemen zijn ingedeeld intwee groepen: problemen die optreden indien er een snede is en, problemen die optreden indien de laserbundel niet

(of onvoldoende) door het materiaal heen snijdt.

Tabel 10.1 geeft een overzicht van de snedekwaliteitbij verschillende snijparameters.

tabel 10.1 Snedekwaliteit bij verschillende procespara-meters

procesparametersnedekwaliteit

als procesparameterte hoog

als procesparameterte laag

laservermogen toename snede-breedte, braam,tapsheid engolvende striations

afname snede-breedte of geensnede

snijsnelheid afname snede-breedte of geensnede. Toenameruwheid (striations)

toename snede-breedte, braam-vorming en tapsheid

focuspositie toename snede-breedte en braam-vorming. Diepestriations, of geensnede

toename snede-breedte en braam-vorming, of geensnede

druk snijgas diepe striations.Brede en/of ver-brande snede aande onderzijde

braamvorming, onvol-doende uitdrijving vangesmolten metaal.Soms geen snede

nozzle-plaatafstand

braamvorming diepe striations

diameter nozzle-opening

braamvorming.Hoog gasverbruik

kritische uitlijning vannozzle t.o.v. laser-bundel. Onvoldoen-de uitdrijving vangesmolten metaal.Soms geen snede

10.1 Problemen als er een snede is

Te grote snedebreedteIndien de snede te breed is zal meestal ook de braam-vorming groter zijn. Controleer in dat geval de volgendepunten: Is de focuspositie (figuur 4.4) optimaal? Als het focus

te diep onder (te hoog boven) het productoppervlakgepositioneerd is, zal de snedebreedte aan de boven-zijde (onderzijde) te groot zijn.

Is het (gemiddelde) laservermogen te hoog? Is de snijsnelheid te laag?

De snede maakt een hoek met het oppervlakIs de laserbundel coaxiaal uitgelijnd met de focusserings-optiek (zie blz 9 “uitlijning gasnozzle”)? Zorg, indien derichtlaser (pilot laser) wordt gebruikt om dit te controleren,dat de richtlaser en de laserbundel coaxiaal zijn uitgelijnd.

Te veel braamControleer bij te veel braam eerst de punten hierboven,bij “Te grote snedebreedte”. Excessieve braam treedtook op als het gesmolten metaal onvoldoende wordtuitgedreven. Controleer daarom de volgende punten: Is de druk van het snijgas te hoog of te laag? Con-

troleer daarom de flesdruk en de instelling van hetreduceerventiel (drukregelaar). Ga ook na of er een

lek is ontstaan in de gasslangen/-buizen t.g.v. spat-ten, vonken, gereflecteerd laservermogen of lossefittingen.

Is de nozzle-plaat afstand te groot? In dat gevalwordt niet voldoende gas door de snede geblazen.

Is de diameter van de nozzle-opening te groot, ofdoor slijtage te groot geworden? In dat geval wordthet gas niet precies door de snede geblazen.

Onregelmatige braam (aan één zijde van de snede)Indien er enkel (of meer braam) aan één zijde van deoptreedt, zal dit meestal ook variëren met de snijrich-ting. Controleer in dat geval de volgende punten: Is de laserbundel juist (coaxiaal) uitgelijnd met de

nozzle-opening? Is de nozzle-opening gedeeltelijk verstopt/geblokkeerd

t.g.v. van spatten of andere vervuiling? Is de nozzle-opening beschadigd door een botsing

(met het product of opspanmiddelen) of is de nozzle-opening aangetast door een onjuist uitgelijnde laser-bundel?

Is de intensiteitsverdeling van de laserbundel (figuur2.3) asymmetrisch? Controleer dit d.m.v. een modeburn (figuur 2.4).

Te ruwe snijkant (diepe striations)

Als het gesmolten metaal middels een te turbulente gas-stroom (veel wervelingen) uit de snede wordt verdreven,zal de vorming van striations (figuur 1.2) groot zijn.Controleer daarom de volgende punten: Is de gasdruk te hoog? Is de nozzle-plaat afstand te klein?

Verbranding van de snedeVerbranding van de snede treedt op als (te) veel zuur-stof reageert met het gesmolten metaal. Controleerdaarom de volgende punten: Is de gasdruk te hoog? In geval van het gebruik van

een niet-reactief gas kan in dat geval zuurstof uit deomgeving door de hoge gasstroom in de snede wor-den meegezogen t.g.v. turbulentie (gaswervelingen).

Is de snijsnelheid te laag? In dat geval staat hetgesmolten metaal te lang bloot aan zuurstof.

10.2 Problemen bij geen (of onvoldoende)snede

10.2.1 Problemen bij geen snedeIndien er in het geheel geen snede tot stand komt, dientmen eerst een aantal algemene punten te controleren.Daarna dient men een aantal aspecten van het bundel-transport (§ 2.3) te controleren.

Algemene controlepunten Is het (gemiddelde) laservermogen te laag om een

snede te kunnen genereren bij de gegeven lassnel-heid? Het laservermogen kan zijn afgenomen t.g.v.vervuiling van het gas in de resonator (CO2-laser),slijtage van de lampen en dioden (Nd:YAG-laser), on-juiste uitlijning of vervuiling/slijtage van de optischeelementen (m.n. de uitkoppelspiegel) in de resonator(hoofdstuk 2). Controleer daarom het uitgestuurdelaservermogen m.b.v. een vermogensmeter.

Is de snijsnelheid te hoog om een snede te kunnengenereren bij het gegeven laservermogen?

Is de focuspositie (figuur 4.4) optimaal? Als het fo-cus te diep onder (te hoog boven) het productopper-vlak gepositioneerd is, zal de diameter de laserspotop het productoppervlak te groot (en de intensiteitte laag) zijn om het materiaal te smelten. Als defocusseringsoptiek vervangen is, kan het nodig zijnom de optimale focuspositie opnieuw te bepalen.

Wordt de juiste optiek met de juiste brandpuntsaf-


stand gebruikt? Optiek met een te lange brandpunts-afstand resulteert in een te groot focus (figuur 2.10)en heeft een andere optimale focuspositie dan eenlens met een korte brandpuntsafstand.

Controlepunten m.b.t. het bundeltransportFouten in het transport van de laserbundel via spiegelsof glasfibers naar de focusseringsoptiek kunnen leidentot vermogensverlies, waardoor het niet mogelijk is eensnede te genereren. Controleer daarom de volgendepunten: Zijn alle spiegels in het bundelpad schoon? Contro-

leer ook (het debiet van) de gasbescherming (incl.filters) van deze spiegels (indien aanwezig).

Heeft de laserbundel ‘vrij baan’ van laserbron totaan de focusseeroptiek? D.w.z. raakt de laserbundelnergens bundelafscherming? Dit kan worden herkentaan een onvolledige mode burn (figuur 2.4) of eenmode burn met interferentiepatronen.

Is de richtlaser (pilot laser) uitgelijnd met de laser-bundel? Zijn beide bundels gecentreerd t.o.v. van despiegels van het bundeltransportsysteem en defocusseeroptiek? Controle kan plaatsvinden d.m.v.mode burn van de ongefocusseerde bundel, met eenin het bundelpad geplaatst richtkruis (bijvoorbeeldvan koperdraad) waarop de richtlaser is uitgelijnd.

Wordt het laservermogen goed ingekoppeld in deglasfiber (zie figuur 2.8)? Vergelijk daartoe het inge-stelde laservermogen met het (gemeten) vermogendat de fiber verlaat. Dit laatste mag niet lager zijndan circa 90% van het ingestelde laservermogen.

10.2.2 Problemen bij onvoldoende snede

Algemene controlepunten Is de nozzle-plaat afstand constant over de gehele

lengte van de snijcontour? Controleer dit m.b.v. af-standplaatjes tussen nozzle en product op verschil-lende plaatsen langs de contour. Controleer bij ge-bruik van een nozzle-plaat afstandsensor (§ 6.2) deinstellingen van het regelsysteem.

Controleer of de convergerende laserbundel die deoptiek verlaat (figuur 2.9) wordt belemmerd doorobstakels (bijvoorbeeld opspanklemmen) of delenvan het product zelf (een flens of een wand)? Ditkan worden nagegaan door een stuk tape op het‘verdachte’ obstakel te plakken en te inspecteren opbrand(plekken) na het maken van een snede.

Controlepunten m.b.t. het bundeltransport enfocussering Indien de snedekwaliteit geleidelijk is afgenomen

(gedurende een aantal dagen of weken), kan erthermische focussering zijn opgetreden van de lens.Dit kan voorkomen wanneer de standtijd van de lens(bijna) is overschreden en uit zich in een schijnbareverkorting van de brandpuntsafstand. Maak ter cont-role een mode burn. Een vergelijkbaar effect treedtop als de ongefocusseerde bundeldiameter D toe-neemt t.g.v. een (bijna) versleten uitkoppelspiegel(zie figuur 2.9 en formule 2.3). Demonteer ter con-trole de focusseeroptiek, maak een mode burn envergelijk deze met de verwachte (afmetingen van de)mode burn. Controleer ook de toestand van deresonator (zuiverheid van het gas in de CO2-laser,kwaliteit van het koelwater, enz.).

Is de koeling van het bundeltransportsysteem en defocusseeroptiek afdoende? De behuizing van de op-tiek en het koelwater mogen niet meer dan hand-warm zijn.

Is de optiek vrij van vuil en onbeschadigd (geenkrassen en/of putjes) en vrij van vuil (spatten, roet)?Vervuiling van optiek lijdt tot absorptie van laser-energie en opwarming van de lens. Dit resulteert in

een schijnbare verkorting van de brandpuntsafstand(zie hierboven). Verbeter de gasbescherming van deoptiek als het probleem zich blijft herhalen. Dit ismet name belangrijk bij het gebruik van lenzen meteen korte brandpuntsafstand.

11 Literatuur en normenDe (procedure van de) beoordeling van de kwaliteit vande snede is vastgelegd in de Duitse norm DIN 2310 [4]en in Duitse VDI Richtlinie 2906 Blatt 8 [3]. De NEN-ENnorm 12584 [8] en NEN-EN-ISO norm 9013 [9] defini-eren o.a. de kwaliteitstoleranties van thermisch snijden(waaronder lasersnijden). Afnametests voor twee-dimen-sionale CO2-lasersnij- en -lasinstallaties zijn vastgelegdin de NEN-EN-ISO 15616 norm [10]. In de publicatieVM 114 “Scheidingstechnieken voor metalen” [11]wordt nader ingegaan op de eigenschappen en de voor-en nadelen van de verschillende scheidingstechnieken.De voorlichtingspublicatie VM 121 “Hoogvermogenlasers voor het bewerken van metalen” [1] gaat dieperin op de mogelijkheden en beperkingen van lasers.

12 Referenties en bronvermeldingReferenties[1] Römer, G.R.B.E.; Hoogvermogen lasers voor het

bewerken van metalen, VM121, Vereniging FME-CWM, Zoetermeer, 2002, aangepast in 2009.

[2] R.F. de Graaf; Laser cutting of hybrid laminates.Proefschrift Universiteit Twente, 2002, ISBN 90-365-1703-6.

[3] VDI 2906: Richtlinie Blatt 8: Schnittflächenqualitätbeim Schneiden, Beschneiden und Lochen vonWerkstücken aus Metall; Laserstrahlschneiden.

[4] DIN 2310:Teil 1: Thermisches Schneiden; AllgemeineBegriffe und Benennungen.Teil 5: Thermisches Schneiden; Laserstrahlschnei-den von metallischen Werkstoffen; Verfahrens-grundlagen, Güte, Maßtoleranzen.

[5] NEN-EN 10825: Veiligheid van laserproducten - Ap-paratuurclassificatie, eisen en gebruikershandleiding.

[6] NEN-EN 12626: Veiligheid van machines - Machinesdie gebruikmaken van lasers - Veiligheidseisen.

[7] NEN-EN 12254: Afschermingen voor werkplekkenmet lasers - Veiligheidseisen en beproeving.

[8] NEN-EN 12584: Onvolkomenheden bij brandsnij-vlakken, lasersnijvlakken en plasmasnijvlakken.

[9] NEN-EN-ISO 9013: Thermisch snijden; Classificatievan thermische doorsnijdingen; Geometrischeproductspecificatie en kwaliteitstoleranties.

[10] NEN-EN-ISO 15616 (ontw.): Acceptance tests forCO2-laser beam machines for welding and cutting.

[11] VM 114: Scheidingstechnieken voor metalen.Vereniging FME-CWM, Zoetermeer, 1998.

[12] Tech-Info-blad TI.99.12; IOP Metalen nr. 2.5:Laser- en waterstraalsnijden van gelamineerde enbeklede plaat. Vereniging FME-CWM, Zoetermeer,2000.

Bronvermelding• Trumpf Laser Nederland: figuren 1.2, 2.15, 4.1,

4.2, 4.3 en 4.5;• Rofin-Baasel Benelux: figuur 2.4;• Demar Laser: figuur 7.1;• Ahrend: figuren 7.2, 7.3 en 7.4;• Hoek Loos: gasgegevens.

Alle overige gegevens en figuren in deze praktijkaanbe-veling zijn aangeleverd (of aangepast) door de LeerstoelToegepaste Lasertechnologie van de Universiteit Twentete Enschede.


Auteur(s)De eerste uitgave van deze praktijkaanbeveling is tot standgekomen middels een samenwerkingsverband van deBond voor Materialenkennis, de Metaalunie, de verenigingFME-CWM en PMP, in het kader van een pionierprojectgetiteld “De toegevoegde waarde van hoogvermogen lasersvoor het bewerken van metalen en kunststoffen voor deNederlandse industrie”.De auteur, G.R.B.E. Römer (Universiteit Twente) werdondersteund door een werkgroep bestaande uit: P. de Boer(TNO Industrie), P. Boers (FME), J. Dijk (Trumpf LaserNederland), J. van Eijden (namens Syntens), W.G. Essers,P. ter Horst (Demar Laser), D.R.J. Lafèbre (Hoek Loos),J. Meijer (Universiteit Twente), J. OldeBenneker (NIMR),R. Pieters (NIMR) en P. Scheyvaerts (Rofin-Baasel Benelux).

In 2008/2009 is deze publicatie door P.F. Senster (TNOIndustrie en Techniek) herzien en licht aangepast aan dehuidige stand van de techniek.

Eindredactie: P. Boers (Vereniging FME-CWM)

Technische informatieVoor technisch inhoudelijke informatie over de in dezevoorlichtingspublicatie behandelde onderwerpen kunt uzich richten tot deLeerstoel Toegepaste Lasertechnologie van deUniversiteit Twente:Bezoekadres: Drienerlolaan 5, 7522 NB EnschedeCorrespondentie-adres: Faculteit Construerende Technische

Wetenschappen,Postbus 217, 7500 AE Enschede

Telefoon: (053) 489 2502Fax: (053) 489 3631Internet: http://www.wa.ctw.utwente.nl

Informatie over, en bestelling van VM-publicatiesVereniging FME-CWM/Industrieel Technologie Centrum (ITC)Bezoekadres: Boerhaavelaan 40,

2713 HX ZoetermeerCorrespondentie-adres: Postbus 190, 2700 AD ZoetermeerTelefoon: (079) 353 11 00/353 13 41Fax: (079) 353 13 65E-mail: [email protected]: http://www.fme.nl

© Vereniging FME-CWM/augustus 2009 - 2e druk

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaargemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke anderwijze ook zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Hoewel grote zorg is besteed aan de waarborging van een correcte en,waar nodig, volledige uiteenzetting van relevante informatie, wijzen debij de totstandkoming van de onderhavige publicatie betrokkenen alleaansprakelijkheid voor schade als gevolg van onjuistheden en/ofonvolkomenheden in deze publicatie van de hand.

Vereniging FME-CWMafdeling Technologie en InnovatiePostbus 190, 2700 AD Zoetermeertelefoon 079 - 353 11 00telefax 079 - 353 13 65e-mail: [email protected]: www.fme.nl

Documents

Praktijkaanbeveling Snijden van metalen met hoogvermogen … · 2019. 9. 2. · lasers voor het bewerken van metalen” [1] worden verschillende (theoretische) onderwerpen die een