Theorie und Wahrheit

von Günter Kögel Schneiden von Blechen mit Festköperlaser ist momentan das Gesprächsthema schlechthin. Wenn man aber die tatsächlichen Teilekosten betrachtet, zeigt sich schnell, dass verschiedene Faktoren völlig überbewertet werden. Wir sprachen mit Dr. Felix Riesenhuber, Entwicklung 2D-Lasermaschinen von Trumpf, über die gefühlten und die tatsächlichen Kosteneffekte.

In letzter Zeit wird viel über die Vor- und Nachteile von CO2- und Festkörperlasern zum Schneiden von Blechen diskutiert. Was sind denn die generellen Unterschiede?

Die Laser unterscheiden sich grundsätzlich in ihrer Bauart. CO2-Laser, auf die immer noch den Großteil der Anwendungen entfällt, sind Gaslaser – das aktive Medium ist ein Gasgemisch, das über Hochfrequenz oder Gleichspannung angeregt wird. Bei Festkörperlasern ist das aktive Medium ein mit optisch aktiven Ionen dotierter Kristall, der mit Licht gepumpt wird. Der Kristall kann die Form eines Stabes haben – also die historische Bauform, die schon der erste Laser hatte – oder – wie heute üblich – einer Scheibe oder einer Faser. Das aktive Medium bestimmt die Wellenlänge des Laserstrahls – rund 10 µm beim CO2-Laser und etwa 1 µm beim Festkörperlaser – und damit die verwendbare Strahlführung.

Dadurch ist der CO2-Laser auf Spiegeloptiken angewiesen, der Festkörperlaser dagegen lässt sich auch über eine Lichtleit­faser übertragen, was Vorteile hat. Denn der Strahl wird eingekoppelt, lässt sich auf beliebigen Wegen übertragen und tritt am Ende der Faserstrahlführung wieder aus.Unterschiede zwischen den beiden Technologien gibt es auch bei der Strahlqualität. Je nach Aufbau des Resonators erreichen beide Systeme zwar in etwa die gleiche Strahlqualität, unterscheiden sich aber aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen wesentlich in den Bearbeitungseigenschaften. CO2-Laser haben ihre Stärken bei dickeren Blechen, Festkörperlaser sind dagegen im Dünnblech sehr stark.

Wo sich Gas- und Festkörperlaser erheblich unterscheiden, ist der Wirkungsgrad – also wie effizient die elektrische Energie in Laserenergie umgewandelt wird. CO2-Laser erreichen hier typischerweise Werte von rund zehn Prozent. Bei Festkörperlasern lässt sich das aktive Medium wesentlich besser anregen, was in einem Gesamtwirkungsgrad von bis zu 25 Prozent resultiert.

Es soll ja sogar Festkörperlaser mit 40 Prozent Wirkungsgrad geben…

Bei Wirkungsgraden von 40 Prozent, die man immer wieder hört, ist die Kühlung nicht mit eingerechnet – ein Laser funktioniert aber nun mal nicht ohne Kühlung. Solche Angaben sind also ziemlich unvollständig.Und es ist ja auch nicht so, dass der CO2-Laser in seiner Entwicklung stehen bleibt. Wir haben bei Trumpf gerade in letzter Zeit den Energieverbrauch der CO2-Laser deutlich nach unten drücken können. So wird die Turbine zum Umwälzen des Lasergases im Standby auf die halbe Drehzahl heruntergefahren, was 10 bis 11 kW spart. Verbesserungen im Kühler sparen weitere 3 bis 4 kW.

Zudem sind für die Gesamtproduktivität neben den reinen Vorschubdaten auch viele andere Parameter relevant. Hier kann der CO2-Laser durch die vielen Verbesserungen der letzten Jahre immer sehr gut Punkte sammeln: Erprobte Düsenwechsler und die ‚Ein-Schneidkopf-Strategie’ sorgen für kurze Nebenzeiten, ausgeklügelte Einstech-Sensoriken und optimierte Prozessführungen erhöhen die Produktivität in den Hauptzeiten und Dinge wie eine erweiterte Materialtoleranz oder eine kollisionstolerante Schneidkopf-Schnittstelle gewährleisten eine hohe Prozesssicherheit.

Können Sie denn die Stärken der einzelnen Laser mit konkreten Vergleichen belegen?

Im Schmelzschnitt von 2 mm dickem Edelstahl ist der Festköperlaser dem CO2-Laser haushoch überlegen und kann bei vergleichbarer Schnittqualität um 120 Prozent schneller schneiden, bei 10 mm dickem Edelstahl ist er dagegen in der Qualität deutlich schlechter und zudem um 10 Prozent langsamer – dies macht sich auch in der Praxis bemerkbar, da man bei den langen Tafellaufzeiten dicker Bleche richtig Zeit verliert. Der Brennschnitt hingegen ist ein gasgeführter Prozess und daher weitgehend wellenlängenunabhängig. Vergleicht man die Ergebnisse von CO2- und Festkörperlaser, sind hier bei gleicher Laserleistung hinsichtlich der Schnittqualität und -geschwindigkeit keine wesentlichen Unterschiede festzustellen.

Die Geschwindigkeit ist das Eine – die Kosten sind das Andere...

Was die Kosten betrifft, kann man jede Werkzeugmaschine als eine Art Transformationsmechanismus betrachten: Material, Strom, Schneidgas und Druckluft gehen hinein und nach einer gewissen Zeit kommen bearbeitete Teile in einer bestimmten Qualität heraus. Die Kosten hängen nun stark von der Effizienz ab, und die bestimmt sich daran, wie viel hineingesteckt werden muss und wie viel herauskommt – eine Mischung aus Effektivität und Energieumwandlung. Bei einer solchen Betrachtung zeigt sich, dass rund 50 Prozent der Teilekosten Materialkosten sind. Auf diese hat das Lasersystem keinen Einfluss und wir haben sie deshalb nicht in unsere Berechnungen einfließen lassen. Von den restlichen Teilekosten entfallen rund 52 Prozent auf die Maschine, 36 Prozent auf den Bediener und jeweils 6 Prozent auf Strom und Gas.

Wenn man sich nun auf die Suche nach den relevanten Parametern macht, mit denen ein Festköperlaser die Kosten senken kann, muss man sich die wesentlichen Unterschiede genauer betrachten: die Übertragung über Lichtleiterkabel, die Bearbeitungsstärken beim Schneiden dünner Bleche und den Wirkungsgrad. Durch das Lichtleiterkabel lassen sich durch geringere Wartung, weniger Flächenbedarf der Maschine und geringere Gaskosten durch den Entfall der Stickstoff-Strahlführungsbelüftung rund 2 Prozent der Teilekosten sparen, davon entfallen allein 1 Prozent auf den Stickstoff für die Stahlführung, der aber nur bei leistungsstarken Lasern ab 4 kW nötig ist.

Eine an sich durchaus beachtliche Flächenreduzierung von 25 auf 20 m² schlägt sich gerade einmal mit einer Senkung von 0,09 Prozent auf die Teilekosten nieder. Und das Weglassen sämtlicher Wartungsarbeiten an den optischen Komponenten eines CO2-Lasers senkt die Teilekosten nur um bescheidene 0,3 Prozent. Diese Themen sind also in der Wahrnehmung der Anwender sehr präsent, aber nicht wirklich relevant.

Aber beim Wirkungsgrad schlägt doch die Stunde der Festköperlaser, denn da trennen die beiden Systeme Welten…

Wenn man sich die tatsächlichen Teilekosten betrachtet, ist der Unterschied weit geringer, als allgemein angenommen. Bei einem CO2-Laser entfallen rund 6 Prozent der Teilekosten auf den Energieverbrauch, davon 90 Prozent auf den Laser und die Kühlung. Der Rest sind Antriebe, die auch ein Festkörperlaser braucht. Selbst wenn wir bei der Strahlquelle durch den besseren Wirkungsgrad und den reduzierten Kühlbedarf von einer sehr ordentlichen Einsparung von 60 Prozent des Stromverbrauchs ausgehen, macht dies bei den Teilekosten nur 3 bis 3,5 Prozent aus.

Also keine echten Kostenvorteile für den Festkörperlaser?

Das stimmt so natürlich nicht. Interessant wird es immer dann, wenn der Festkörperlaser im Dünnblechbereich seine Stärken ausspielen kann. Beim Schmelzschnitt bis 4mm lassen sich seine Vorteile direkt in geringere Tafelzeiten umsetzen. Das ist eine entscheidende Stellschraube zur Teilekostenreduzierung, denn eine beispielsweise um 50 Prozent reduzierte Tafelzeit verringert die Bearbeitungskosten des Teils um über 30 Prozent. Vorraussetzung dafür ist aber, dass die Dynamik der Maschine mit der Leistungsfähigkeit des Lasers mithalten kann und der Laser zudem für Teile eingesetzt wird, wo sich die Stärken auch umsetzen lassen.

Ist es dem Laser nicht egal, wie die Teile aussehen?

Dem Laser schon, der Schneidanlage aber nicht. Denn bei relativ langen, rechteckigen Teilen erreicht auch ein weniger dynamisches System die gewünschten Schnittgeschwindigkeiten und profitiert von den Möglichkeiten des Festkörperlasers. Wenn die Teile aber komplex sind und filigrane Konturen aufweisen, also durch viele kurze Strecken auch entsprechend viele Beschleunigungsvorgänge anfallen, wird die Maximalgeschwindigkeit nur bei hoher Dynamik des Systems erreicht. In diesen Fällen hat die Dynamik – also die erreichbare Beschleunigung – einen sehr starken Einfluss auf die realisierbaren Schneidzeiten. Dabei gilt: Je höher die maximale Schneidgeschwindigkeit ist, desto wichtiger ist auch die erreichbare Beschleunigung.

Allerdings sollte man nicht mit Kanonen auf Spatzen schießen, denn es gibt ein optimales Verhältnis zwischen Dynamik und Komplexität. Bei Bauteilen mit vielen langen Geraden schlägt sich zum Beispiel eine höhere Maximalgeschwindigkeit direkt in den Schneidzeiten nieder, der Effekt einer höheren Beschleunigung ist vernachlässigbar. Wenn die gleiche Strecke aber in viele kleine Stücke zerlegt wird, bringt eine Steigerung der Maximalgeschwindigkeit nur wenig, aber eine höhere Beschleunigung führt zu deutlich höherer Produktivität.

So wie ich Trumpf kenne, haben Sie dazu bestimmt auch konkrete Zahlen…

Die haben wir natürlich, wobei wir allerdings die Schneidprozesse wie Einstechen oder Anfahren nicht berücksichtigt haben und nur die Bewegungsführung betrachten: Wenn man eine Strecke von 1.600 mm in 160 Abschnitte á 10 mm zerlegt, lässt sich bei einer Maximalgeschwindigkeit von 10 m/min durch eine Erhöhung der Beschleunigung von 0,5 g auf 2 g die Streckenzeit um16 Prozent reduzieren. Interessant ist, dass bei extremen 8 g die Zeitersparnis mit 20 Prozent nicht wesentlich größer ausfällt.

Deutlich eindrucksvoller sind die Werte bei einer Maximalgeschwindigkeit von 30 m/min. 2 g statt 0,5 g reduzieren die Streckenzeit um satte 54 Prozent. Aber auch hier hält sich die weitere Verbesserung bei einer Beschleunigung von 8 g mit einem Minus von 67 Prozent in Grenzen. In dem Bereich der komplexen Konturen heben wir mit den 2,5 g der TruLaser 7040 fiber die wesentlichen Produktivitätspotentiale des Festkörperlasers. Zugleich muss beachtet werden, dass für die Umsetzung dieser Dynamik eine hohe Antriebsleistung sowie aufwendige Vorkehrungen im Maschinenaufbau notwendig wurden - beispielsweise ein sehr steifer Maschinenrahmen und eine Kohlefaserbrücke. Diese Maßnahmen erhöhen den Maschinenpreis und damit die fixen Maschinenkosten am Teil, die sich wiederum über den höheren Teileausstoß bei komplexen Geometrien amortisieren. Bewegt sich der Kunden jedoch in einem breiteren Anwendungsbereich, machen sich solche aufwendigen Maßnahmen zur Dynamiksteigerung für den Kunden in den meisten Fällen nicht bezahlt.

Wichtig ist auch: Der beste Festkörperlaser bringt nichts, wenn er nicht prozesssicher funktioniert und – um es einfach zu sagen – seine PS nicht auf die Straße bringt. Auch bei der Formel 1 gewinnt nicht das Auto mit der höchsten Endgeschwindigkeit, sondern dasjenige, dass seine hohe Geschwindigkeit auch auf der ganzen Strecke umsetzen und ohne Pannen und Defekte bis zum Ziel durchhalten kann. Oder in der Lasersprache gesprochen: Am Ende des Tages zählt, wie viele Teile in der gewünschten Qualität auf dem Tisch liegen und was deren Herstellung gekostet hat. Und da spielt nicht nur die Strahlquelle eine Rolle, sondern auch das Prozess-Know-how des Herstellers.

Das hat Trumpf zweifellos, aber – um im Bild zu bleiben: Trumpf hat zum Schneiden mit Festkörperlaser mit der TruLaser 7040 fiber derzeit ‚nur‘ einen Formel 1 Wagen im Haus, aber kein Mittelklasse-Auto, das sich jeder leisten kann…

Da haben Sie – noch – Recht. Aber lassen Sie sich überraschen, was zur Intech kommt…W

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