Lasersnijden Uitgelegd: Technieken, Typen en Toepassingen

Er zijn diverse toepassingen voor lasersnijden, een thermische techniek, in industriële productie. Zelfs de meest ingewikkeld gevormde metaalplaten kunnen snel gegraveerd en gesneden worden door lasersnijmachines, met superieure resultaten.

Een lasersnijder is een apparaat dat 2-dimensionele componenten voor zowel industriële als hobbyist gebruik creëert door in diverse plaat- of bladmaterialen te snijden met een hoogenergetische gefocuste laserstraal. Staal, hout en sommige polymeren zijn veelvoorkomende materialen.

Naast het uitleggen van de verschillen tussen de verschillende lasersnijmethodes. In dit artikel verkennen we wat lasersnijden is, de toepassingen, typen, materialen en hoe het werkt. We bespreken ook voor- en nadelen.

Wat is Lasersnijden?

Lasersnijden is de methode om materialen te snijden met een hoogvermogen laser die gestuurd wordt door computernumerieke besturing (CNC) via optica.

Deze methode wordt veel gebruikt om materialen te snijden, inclusief metalen, kunststoffen, keramiek, hout, textiel en papier, in diverse sectoren zoals auto, luchtvaart, elektronica en medisch.

Met behulp van een coaxiale gasstraal wordt een gefocuste laserstraal gebruikt in lasersnijden om materiaal op een specifieke locatie te smelten en een snijt (kerf) te produceren. Gas heeft geen invloed op de laserstraal zelf, maar kan objecten efficiënt verbranden, smelten of verdampen.

Eventueel afval wordt weggeblazen, wat een hoogwaardige uiteindelijke rand garandeert. Etcheren en lassen kunnen ook met lasersnijden gedaan worden.

Neodymium (Nd) lasers, CO₂ lasers, en neodymium yttrium-aluminium-garnet (Nd:YAG) lasers zijn de drie primaire methoden voor lasersnijden. De prestaties van een laser kunnen beïnvloed worden door het type.

Nauwkeurigheid, precisie, minder verontreiniging en eenvoudiger werkstukvasthouden zijn voordelen van lasersnijden. Specifiek zijn vezellasers bekend om hun uitzonderlijke precisiesnijmogelijkheden.

De capaciteit van vezellasers om een constante straalkwaliteit over lange afstanden te leveren is een van de belangrijkste voordelen; dit stelt uniforme snijden over diverse materialen en diktes mogelijk. Deze uniformiteit vermindert de noodzaak voor naverwerking en verbetert rijkwaliteit.

"Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", of "Laser", is een afkorting die verwijst naar de natuurkunde van laserlichtproductie. Hoewel de basisprincipes van lasernatuurkunde hetzelfde blijven, wordt deze technologie vaak op drie manieren gebruikt: Nd:YAG lasers, CO₂, en vezel.

Veelvoorkomende Toepassingen van Lasersnijden

• Plaatmetaalsnijden is een veelvoorkomende techniek voor het snijden van platen en bladen van verschillende materialen.
• Graveren: Voegt elegante houtmarkeringen of serienummers toe aan bijna elk materiaal.
• Laserlassen: Met een laserstraal kunnen metalen of thermoplasten precies samengevoegd worden.
• Buissnijden: Deze methode snijdt ingewikkelde profielen op holle onderdelen met een rotatie-as.

Diagram

Een typische lasersnijmachine bestaat uit een laserresonator, straalafleiding (spiegels/vezel), snijhoofd met focuslenzen, gastoevoer, CNC-besturing en afzuiging.

Typen Lasersnijden

Drie verschillende soorten lasers worden vaak gebruikt in lasersnijtoepassingen. In tegenstelling tot vaste-staat vezel en Nd, gebruiken CO₂ lasers CO₂ samen met diverse inerte gassen als lasermedium. Een kristal fungeert als lasermedium in YAG lasers. Al deze verschillende lasers werken op wezenlijk dezelfde premisse.

Nd:YAG / Nd:YVO Lasers

Een Nd:YAG laser gebruikt een neodymium (Nd)-gedopte yttrium aluminium granaat kristal (Y₃Al₅O₁₂). Enkele yttrium ionen (+-1%) worden door doping vervangen door Nd³⁺ ionen.

Twee spiegels, een volledig reflectorend en een semi-reflecterend, zijn tussen dit kristal geplaatst. Een set laser diodes of een xenon/krypton flitsslamp fungeert als de pumpfotonbron.

De pompbron in Nd:YAG kristallen levert fotonen die het energieniveau van de neodymium ionen verhogen. Na reflectie tussen de spiegels, vallen de ionen terug en emitteren een reeks fotonen die samen een coherente laserstraal vormen.

Een lens op het snijhoofd wordt gebruikt om de bundel van coherente, hoge-intensiteit licht, met een frequentie van 1064 nm, te focussen nadat deze door spiegels geleid is.

Neodymium-gedopte vanadaat kristallen (YVO₄) worden in Nd:YVO lasers gebruikt, die vergelijkbaar functioneren met Nd:YAG lasers. Nd:YVO lasers kunnen echter meer pulsen per seconde produceren, hebben betere vermogensstabiliteit en produceren minder warmte.

Nd:YAG lasers zijn ideaal voor markeren en etcheren omdat ze een hogere vermogensdichtheid en betere straalkwaliteit bieden dan vezellasers. Nd:YAG lasers hebben echter een eindig-energie-efficiëntie en aanzienlijk hogere operationele kosten.

Vezellasers (Fiber Lasers)

Een gedopte vezeloptische kabel fungeert als lasermedium in vezellasers. Fotonen worden in het ene uiteinde van een kwarts- of boorsilicaat glasvezelfilament gepompt om een vezellaserstraal te creëren.

Deze fotonen volgen het vezeloptische filament tot ze aankomen bij het zeldzame-aardse-element-gedopte gebied. Neodymium, yttrium, erbium of thulium zijn voorbeelden van typische elementen.

Wanneer gestimuleerd door de fotonen, zal elk van deze zeldzame aardse elementen een laser met een afzonderlijke golfengte genereren. Fiber Bragg roosters worden vervolgens gebruikt om het licht te versterken.

Vergelijkbaar met de volledig en semi-reflecterende spiegels gebruikt in Nd:YAG en CO₂ lasers, reflecteren deze roosters het licht heen en weer, wat een kaskade van fotonen produceert.

Het licht kan door het rooster als een hoge-intensiteit coherente bundel licht gaan zodra de intensiteit een bepaalde drempel overschrijdt. Vergelijkbaar met andere lasers gebruikt een vezellaser gas om het snijden te faciliteren of om gesmolten materiaal uit het pad van de laserstraal te blazen.

De doorgaans kortere golflengtes van vezellasers resulteren in verhoogde absorptie, wat ze ideaal maakt voor reflecterende materialen en minder warmte producerend tijdens snijden.

Bijvoorbeeld: een vezelsnijhoofd kan eenvoudig aan een 6-as robotarm gekoppeld worden door de flexibiliteit van de vezeloptische kabel, wat de noodzaak voor talloze spiegels om de laser te sturen elimineert, wat nodig is voor een CO₂ of Nd:YAG laser.

De elektrische efficiëntie van vezellasers is beter dan die van CO₂ lasers. Daarom zijn reflecterende materialen en materialen die warmte goed absorberen, zoals koper of goud, ideaal voor snijden met vezellasers.

CO₂ Lasers

De componenten van een CO₂ (kooldioxide) laser zijn een buis gevuld met CO₂, helium en stikstofgas. Helium en stikstof worden toegevoegd om de laserefficiëntie te verhogen. De stikstof fungeert als een kortdurende energiereserve die overgedragen kan worden aan het CO₂ molecuul bij fotonemissie.

In tegenstelling, zodra het CO₂ molecuul een foton emiteert, gebruikt helium kinetische energieoverdracht om eventuele resterende energie af te voeren, zodat het energie kan absorberen van het stikstofmolecuul.

De buis heeft een volledig reflectorende spiegel aan de ene kant. Er is slechts gedeeltelijke reflectie van de spiegel aan de andere kant. Het gas in de buis wordt geïoniseerd door een krachtig elektrisch veld dat de elektronen van de CO₂ moleculen naar een hogere energietoestand opwaart, wat een foton en licht produceert.

De geëxciteerde toestand van een atoom geeft een foton vrij wanneer een foton er langs passeert. Vervolgens, zodra voldoende fotonen verzameld zijn om door de semi-reflecterende spiegel te vloeien, botsen deze fotonen tussen de twee spiegels.

De buis wordt gekoeld met een laagtemperatuurgas of vloeistof omdat het handhaven van een lage temperatuur in de buis essentieel is voor maximale efficiëntie. In bepaalde systemen wordt gas gerecycled om operationele kosten te verlagen.

CO₂ lasers zijn goede alround lasers met een golflengte van 10600 nm die plaat- en bladmetalen evenals diverse andere materialen kunnen snijden. Hoge warmteabsorptie en hoog reflecterende materialen zijn echter moeilijk voor CO₂ lasers te verwerken.

Proces van Lasersnijden

Meestal wordt een goede lens gebruikt om de laserstraal op het werkgebied te focussen. De gefocuste spotgrootte is direct gerelateerd aan de straalkwaliteit. Typisch is de smalste sectie van de gefocuste bundel minder dan 0,0125 inch (0,32 mm).

Kerf breedtes van slechts 0,004 inch (0,10 mm) zijn haalbaar, afhankelijk van de materiaaldikte. Elke snede begint met een doorboring zodat het mes ergens anders dan de rand kan beginnen.

Een hoogvermogen gepulste laserstraal wordt vaak gebruikt voor doorboren, wat 5 tot 15 seconden duurt voor materialen zoals 0,5 inch dikke (13 mm) roestvrij staal.

De parallelle coherente lichtbundels van de laserbron hebben doorgaans een diameter van 0,06 tot 0,08 inch (1,5 tot 2,0 mm). Om een extreem krachtige laserstraal te genereren, wordt deze bundel doorgaans gefocust en versterkt door een lens of spiegel naar een heel klein gebied van ongeveer 0,001 inch (0,025 mm).

De polarisatierichting van de bundel moet aangepast worden als het de rand van een gecontourneerd werkstuk omcirkelt om de schoonste afwerking mogelijk te maken tijdens contoursnijden. De brandpuntsafstand voor plaatmetaalsnijden is typisch 1,5 tot 3 inch (38 tot 76 mm).

In vergelijking met mechanisch snijden heeft lasersnijden de voordelen van eenvoudiger werkstukvasthouding en minder werkstukverontreiniging aangezien er geen snijrand is die het materiaal kan verontreinigen.

Omdat de laserstraal niet verslijt tijdens het proces, kan de precisie verbeterd worden. Daarnaast, omdat lasersystemen slechts een kleine hittebeïnvloede zone hebben, is er minder risico op vervorming van het gesneden materiaal.

Daarnaast zijn bepaalde materialen onmogelijk of extreem moeilijk te snijden met conventionele methoden. Hoewel de meeste industriële lasers niet door dikker metaal kunnen snijden dan plasma, heeft lasersnijden voor metalen het voordeel van meer precisie en minder energieverbruik bij het snijden van plaatmetaal.

Hoewel hun kapitaalkosten aanzienlijk hoger zijn dan die van plasmasnijmachines die door dikke materialen zoals staalplaten kunnen snijden, komen nieuwere lasermachines die bij hoger vermogen werken (6000 watt, vergeleken met de 1500 watt waardes van vroege lasersnijmachines) dichtbij plasma machines in hun vermogen om door dikke materialen te snijden.

Veelvoorkomende Lasersnijmaterialen

Een verscheidenheid aan materialen kan gesneden worden met lasersnijders. Hieronder een lijst van de meest vaak gesneden materialen:

Vilt (Felt)

Vilt is een goedkope, niet-geweven stof die moeilijk met de hand te snijden is maar gemakkelijk met een lasersnijder. Plekmats, decoratieve plekken en kleding kunnen allemaal van vilt gemaakt worden. Gebruik van 95-100% wolvilt wordt aangeraden aangezien synthetische vilt, vaak van acryl, heel slecht snijdt.

Leer

Portemonnees, riemen en schoenen zijn allemaal van leer, een duurzaam, natuurlijk materiaal. Leer heeft een hoge waardering en is gemakkelijk lasersnijden en graveren, met name bij het maken van gepersonaliseerde lasersnijobjecten.

Kunstleer is een term voor nep leer. Sommige van deze kunnen PVC bevatten, dat bij lasersnijden etsende rook vrijmaakt.

Kurk (Cork)

De bast van de kurkeik levert kurk op, een zacht houtachtig materiaal dat vaak gebruikt wordt voor prikborden, anti-slip onderzetters en zoolsolen. Het is heel gemakkelijk te lasersnijden en graveren.

Hardboard

Hardboard is een toughere, meer duurzame optie dan MDF (Medium Density Fiberboard), hoewel dichter. Een lijm wordt gebruikt om de houtvezels te verbinden.

Deze lijm verdampt tijdens het snijden. Dit geeft schadelijke dampen vrij die een afzuigsysteem noodzakelijk maken. Omdat hardboard homogeen is, zijn snijden en graveren betrouwbaar.

Hout

CO₂ lasers met relatief bescheiden vermogen (150-800 W) kunnen hout gemakkelijk snijden. Echter, aangezien lasersnijden van hout rook produceert, is een afzuigsysteem essentieel.

Vanwege hun graanstructuur kunnen natuurlijke houtsoorten oneffen afwerkingen hebben bij snijden of graveren. Zowel hard- als zacht hout kan gelasersneden worden.

Messing (Brass)

Koper, zink en enkele andere secundaire legeringselementen vormen messing. Messing heeft minimale wrijving, elektrische geleiding en corrosieweerstand. Elektrische toepassingen en lage-wrijving busjes zijn veelvoorkomende toepassingen.

Aluminium

Een verscheidenheid aan aluminiumlegeringen met diverse legeringselementen en toepassingen wordt gezamenlijk aangeduid als aluminium. Vanwege de gunstige kracht-gewichtsverhouding wordt aluminium vaak in luchtvaarttoepassingen gebruikt.

Wanneer gesmolten, is aluminium reflecterend, wat snijden bemoeilijkt. Hoewel aluminium met een CO₂ laser gesneden kan worden, is een vezellaser het meest effectieve gereedschap voor het snijden van aluminium.

Roestvrij Staal (Stainless Steel)

Chroom en/of nikkel zijn de primaire legeringselementen in roestvrij staal, gecategoriseerd als staallegering. Een grote verscheidenheid stoffen kan roestvrije stalen niet schaden. Elke lasersnijmethode kan roestvrij staal gemakkelijk snijden. Maar voor het snijden van roestvrij staal werken vezellasers beter.

Zacht Staal of Koolstofstaal (Mild Steel / Carbon Steel)

Een brede variëteit aan stalen met uiteenlopende concentraties koolstof als primaire legeringselement worden aangeduid als "koolstofstaal". Een ander type koolstofstaal met een koolstofgehalte onder 0,3% is zacht staal. Staal wordt sterker naarmate het meer koolstof bevat. Platen van 20 tot 25 mm dik kunnen door hoogvermogen lasers gesneden worden.

PMMA of Acryl

Hoewel acryl een schone snijrand creëert, vereisen de vluchtige dampen die het emiteert een afzuigsysteem. De gasdruk moet aangepast worden om zowel de dampen weg te blazen als de rand af te koelen om te verstijven.

Wanneer de snijrand nog gesmolten is, zal te veel luchtdruk ertoe leiden dat hij buigt. Acryl wordt soms aangeduid met de chemische naam polymethylaacrylaat of de handelsnaam Perspex®.

Hoe Werkt Lasersnijden?

Een hoogvermogen laser wordt in lasersnijden gebruikt, en de straal of het materiaal wordt geleid door optica en computernumerieke besturing (CNC). De techniek volgt meestal een CNC of G-code van het ontwerp dat op het materiaal gesneden moet worden met een beweegbesturingssysteem.

De gefocuste laserstraal produceert een superieure oppervlakte-afgewerkte rand door te verbranden, smelten, verdampen of weggeblazen te worden door een gasstraal. Elektrische ontladingen of lampen in een gesloten container stimuleren de lasermaterialen om de laserstraal te produceren.

Een deeltijdspiegel wordt gebruikt om het lasermateriaal binnen te reflecteren, het te versterken tot de energie voldoende is om te ontsnappen als een stroom van coherente monochromatische lichten. Spiegels of vezeloptica focussen dit licht op het werkgebied door de bundel via een lens te leiden die het versterkt.

De diameter van een laserstraal op zijn smalste punt is normaal minder dan 0,0125 inch (0,32 mm), maar afhankelijk van de materiaaldikte zijn kerf breedtes zo dun als 0,004 inch (0,10 mm) haalbaar.

Een doorboorprocedure wordt gebruikt wanneer het lasersnijproces ergens anders dan de rand van het materiaal moet beginnen. In deze methode creëert een hoge intensiteit gepulste laser een gat in het materiaal; bijvoorbeeld duurt het 5 tot 15 seconden om door een roestvrij staal vel van 0,5 inch (13 mm) dik te branden.

Voordelen van Lasersnijden

Een populaire industriële methode is lasersnijden. Enkele van de belangrijkste voordelen die bijdragen aan het wijdverspreide gebruik van lasersnijders in de productie:

1. Veelzijdige Materialen: Bijna elk materiaal kan verwerkt worden door lasersnijders. Het gesneden materiaal, het laservermogen en de lasertechnologie hebben allemaal grote impact op de maximum dikte die een lasersnijder kan snijden.
2. Beperkte Naverwerking: Lasergesneden onderdelen hebben geen uitgebreide naverwerking nodig. Snijranden kunnen echter ontgrateerd moeten worden in sommige gevallen, zoals bij het snijden van metaal, omdat er slak aan de rand kan zitten.
3. Smalere Sneden: Afhankelijk van materiaal en dikte, kunnen lasers zich richten op extreem smalle bundels, wat extreem kleine snijbreedtes toelaat (zo klein als 0,1 mm).
4. Hoge Precisie: In tegenstelling tot andere technologieën, zoals CNC frezen, leggen lasersnijders geen spanning op hun koppen. Lasersnijders zijn daarom ongelooflijk nauwkeurig en precies.
5. Hoge Snelheid: 2D profielen kunnen snel uitgekaard worden door lasersnijders. Hoge snelheden kunnen bereikt worden bij het snijden van flexibele materialen zoals kunststof.
6. Geautomatiseerd: Er gaat veel automatisering in lasersnijders. Bepaalde machines kunnen zelfs onderdelen ontladen en grondstoffen op het snijbed plaatsen met minimale menselijke tussenkomst.
7. Gereedschapskosten: Lasersnijders gebruiken geen diverse gereedschappen, in tegenstelling tot CNC bewerking. Aangezien het lasersnijderhoofd niet in contact komt met het grondmateriaal, is er geen gereedschapsverslijting door wrijving.
8. Geen Werkstukvasthouding: Klemmen en andere werkstukvasthoudingsgereedschappen zijn niet nodig voor lasersnijders om te snijden. Leg het materiaal gewoon op het snijbed; het zal niet verplaatsen tijdens snijden.

Nadelen van Lasersnijden

Ondanks al zijn voordelen, heeft lasersnijden nog steeds diverse nadelen:

1. Hoog Elektriciteitsverbruik: Lasersnijden, met name CO₂ lasertechnologie, verbruikt veel elektriciteit.
2. Beperkte Dikte: De dikte die lasersnijders kunnen snijden is beperkt door de mechanica van het richten van een laserstraal in een hoog-intensiteit punt. Typisch beperkt tot plaat- en bladmaterialen met maximum 25 mm dikte. Dikkere materialen kunnen gesneden worden, maar gewone fabricagebedrijven doen dit zelden.
3. Gevaarlijke Dampen: Bij het snijden van bepaalde materialen, zoals kunststof of hout, kunnen gevaarlijke verbrandingsdampen vrijkomen die afgevoerd moeten worden.
4. Dure Onderhoud: De laserbuis is een slijtonderdeel dat periodiek vervangen moet worden, vaak tegen hoge kosten, in sommige lasertechnologieën (zoals CO₂).
5. Hoge Initiële Kosten: Lasersnijders vereisen een grote initiële investering. Goedkopere technologie, zoals plasma of vlammen snijders, kan in sommige omstandigheden meer geschikt zijn.

Veelgestelde Vragen

Wat wordt bedoeld met lasersnijden?

De methode bekend als lasersnijden creëert een snijrand door materialen te verdampen met een laser. Hoewel oorspronkelijk gebruikt voor industriële productie, gebruiken scholen, kleine bedrijven, architecten en hobbyisten het steeds vaker.

Hoeveel kost lasersnijden?

De productietijd voor graveren en lasersnijden kost £1 per minuut. Een 30-minuten service kost £30, inclusief materialen en opzetkosten voor het artwork. De productietijd zou £60 zijn als het een uur duurt. Afhankelijk van complexiteit en intensiteit van het werk, kan korting beschikbaar zijn voor grotere opdrachten.

Wat is de methode van lasersnijden?

In het lasersnijproces wordt een laserstraal gefocust op een klein punt met voldoende vermogensdichtheid om een lasersnede te creëren, meestal met een lens (en soms een concave spiegel). De afstand tussen de lens en het gefocuste punt, of brandpuntsafstand, definieert de lens.

Waarvoor is lasersnijden goed?

Als de warmte over het bed overgedragen wordt om secties van het materiaalblad te snijden, smelt en verdampt het vaak het materiaal. Onderdelen worden verwijderd en kunnen verder verwerkt worden. Onder de vele toepassingen voor lasersnijders vallen graveren, buissnijden, laserlassen en snijden van plaatmetaal en platen.

Waarom is laser zo duur?

Deze factoren omvatten de kosten van machine-onderhoud en reparaties, de kosten van technicuscertificering en training, en de overheadkosten verbonden aan het runnen van een medische spa of kliniek.