In der Sintermetallindustrie ist die Schnittqualität entscheidend für die Leistung des Endprodukts. Unter den verschiedenen Schneidverfahren zeichnet sich das Laserschneiden durch hohe Präzision, Kontaktlosigkeit und Flexibilität aus.
Beim Schneiden von porösen Metallmaterialien wie Titan- oder Nickelfilz neigen herkömmliche Dauerstrichlaser jedoch zu einer übermäßigen Wärmezufuhr, die zum Aufschmelzen der Kanten, zur Neugussschichtbildung und sogar zur Verstopfung der Poren führt. Dies beeinträchtigt die Durchlässigkeit, die katalytische Aktivität oder die Filtrationseffizienz des Materials erheblich.
Dieser Artikel befasst sich mit fortschrittlichen Laserprozessen und -technologien, die diese Herausforderung grundlegend angehen.
1. Grundursache: Warum kommt es zum Kantenschmelzen?
Um eine Lösung zu finden, ist es wichtig, die Ursache zu verstehen. Die Essenz des Kantenschmelzens ist „Überhitzung“.
Wärmespeichereffekt: Metallfilz besteht aus miteinander verbundenen Fasern. Obwohl seine Wärmeleitfähigkeit besser ist als die von Polymerfilz, führt seine dreidimensionale poröse Struktur zu diskontinuierlichen Wärmeleitungspfaden und einer geringeren Wärmekapazität im Vergleich zu massiven Metallblechen. Der kontinuierliche Energieeintrag eines CW-Lasers führt dazu, dass sich in der Schneidzone schnell Wärme ansammelt -den Schmelzpunkt des Materials überschreitet-, bevor sie in das Hauptmaterial diffundieren kann.
Materialeigenschaften: Titan und Nickel sind beide reaktive Metalle, wobei Titan eine hohe Affinität zu Sauerstoff und Stickstoff aufweist. Bei hohen Temperaturen werden die Schnittkanten oxidiert und nitriert, wodurch harte und spröde Verbundschichten entstehen. Damit einher geht eine erneute Erstarrung des geschmolzenen Materials, wodurch die ursprüngliche Faserstruktur und Porosität zerstört wird.
2. Die Lösung: Technologiesprung von „kontinuierlich“ zu „gepulst“
Das Kernprinzip besteht darin, den gesamten Wärmeeintrag zu reduzieren und eine ausreichende „Abkühlzeit“ für das Material bereitzustellen. Dies wird vor allem durch zwei Schlüsseltechnologien erreicht:
►1. Der Einsatz gepulster Faserlaser – die Kernlösung
Im Gegensatz zu Dauerstrichlasern senden gepulste Laser „Laserimpulse“ mit sehr hohen Frequenzen und extrem kurzer Dauer (Nanosekunden, Pikosekunden oder sogar Femtosekunden) aus. Jeder Impuls erzeugt einen winzigen Punkt der Ablation oder Verdampfung, während das Material in der Zeitspanne zwischen den Impulsen ausreichend abkühlt.
►2. Optimierung des Hilfsgases – ein unverzichtbares synergistisches Element
Beim Laserschneiden spielt das Hilfsgas eine doppelte Rolle: Es schleudert geschmolzenes Material aus und nimmt an chemischen Reaktionen teil. Die Wahl des Gases ist besonders wichtig für Oxidation-anfällige Materialien wie Titan- und Nickelfilz.
Bevorzugte Wahl: Hoch-Inertgase (z. B. Argon, Ar)
Funktion: Erzeugt eine Schutzatmosphäre, die die Schnittkante effektiv von Sauerstoff und Stickstoff isoliert, um chemische Reaktionen bei hohen Temperaturen zu verhindern. Gleichzeitig entfernt der Hochgeschwindigkeitsgasstrom verdampftes oder nur minimal geschmolzenes Material umgehend aus der Schnittfuge und verhindert so dessen erneute Ablagerung und Verfestigung an den Faserkanten.
Mit Vorsicht verwenden: Sauerstoff/Druckluft
Während das Sauerstoffschneiden von Kohlenstoffstahl die Geschwindigkeit durch eine exotherme Reaktion erhöht, führt es bei Titan und Nickel zu einer starken Oxidation der Schnittkante, wodurch eine dicke, spröde Oxidschicht entsteht, die mit erheblichem Schmelzen einhergeht, und sollte strikt vermieden werden.
3. Steuerung wichtiger Prozessparameter: Erreichen präziser „Mikrochirurgie“
Auch bei gepulstem Laser und Schutzgas sind Parametereinstellungen der letzte Schritt über den Erfolg.
►Spitzenleistung und Impulsfrequenz: Eine höhere Spitzenleistung gewährleistet eine effektive Materialverdampfung, während eine geeignete Impulsfrequenz (nicht unbedingt höher ist besser) zur Schnittgeschwindigkeit passen muss, um eine ausreichende Abkühlzeit für jeden Impuls sicherzustellen.
►Schnittgeschwindigkeit: Eine zu langsame Geschwindigkeit führt zu einer übermäßigen Wärmezufuhr; Zu schnell kann zu unvollständigen Schnitten oder rauen Kanten führen. Ziel ist es, die höchstmögliche Geschwindigkeit zu nutzen und gleichzeitig eine vollständige Durchdringung sicherzustellen.
►Fokusposition: Richten Sie den Fokus präzise auf oder leicht innerhalb der Materialoberfläche aus, um den kleinsten Punktdurchmesser und die höchste Energiedichte für feineres Schneiden zu erzielen.
►Düsen- und Gasdurchflussrate: Wählen Sie einen geeigneten Düsendurchmesser und stellen Sie einen ausreichenden, stabilen Fluss von hoch{0}reinem Inertgas sicher, um einen wirksamen Schutzvorhang und eine effiziente Ausstoßfähigkeit zu bilden.
