Können Stickstoffgeneratoren die Laserschneidgeschwindigkeit indirekt verbessern?
Die Rolle von Stickstoff bei der Qualität und Effizienz des Laserschneidens
Was ist das Prinzip des Laserschneidens?
Das Prinzip des Laserschneidens beruht auf der Verwendung eines hochintensiven, kohärenten Laserstrahls, um verschiedene Materialien zu durchtrennen. Hier ist eine detaillierte Erklärung:
Ein Lasergenerator erzeugt einen konzentrierten Lichtstrahl, der verstärkt wird, um eine äußerst hohe Energiedichte zu erreichen. Dieser Strahl wird anschließend über eine Reihe von Spiegeln oder Linsen geleitet, um ihn auf einen äußerst kleinen Punkt – oft nur wenige Mikrometer im Durchmesser – auf der Oberfläche des Zielmaterials zu fokussieren.
Wenn der fokussierte Laserstrahl auf das Material trifft, wird seine intensive Energie absorbiert und das Material an der Berührungsstelle rasch auf extrem hohe Temperaturen erhitzt (häufig über mehrere tausend Grad Celsius). Diese intensive Hitze führt dazu, dass das Material je nach Materialart (z. B. Metall, Kunststoff, Holz) und Lasereinstellungen (Leistung, Wellenlänge) Prozessen wie Schmelzen, Verdampfen oder sogar Verbrennen unterzogen wird.
Um einen sauberen Schnitt zu erzielen, wird häufig ein Gasstrahl (wie Sauerstoff, Stickstoff oder Druckluft) entlang des Laserstrahls gerichtet. Dieses Gas übernimnt mehrere Funktionen: Es bläst das geschmolzene oder verdampfte Material aus dem Schneidbereich, verhindert so, dass es wieder am Werkstück haftet; in einigen Fällen (wie beim Schneiden von Metallen mit Sauerstoff) kann es zudem mit dem Material reagieren, um den Verbrennungsprozess zu unterstützen und die Schneideffizienz zu erhöhen.
Der Laserstrahl und das Werkstück werden relativ zueinander entlang eines präzise durch computergestützte Steuerungssysteme (CNC) vorgegebenen Pfades bewegt (entweder durch Bewegen des Strahls, des Werkstücks oder beider). Dies ermöglicht äußerst genaue, komplexe Schnitte mit minimalem Materialabfall, da der schmale Laserstrahl sehr kleine Schnittbreiten erzeugt (die Breite des Schnitts).
Zusammenfassend verbindet der Laser-Schneidprozess die konzentrierte Wärmeenergie eines Lasers mit präziser Bewegungssteuerung, um Materialien durch lokal begrenzte Erhitzung und Entfernung des Zielmaterials voneinander zu trennen.
Wie Stickstoffgas die Oxidation während des Laser-Schneidens verhindert
Die inerte Eigenschaft von Stickstoff hilft dabei, Sauerstoff aus dem Schneidbereich zu verdrängen und verhindert so Oxidationen, die zu Verfärbungen führen und die Materialien strukturell tatsächlich schwächen. Edelstahl ist hierbei besonders empfindlich, da sie dazu neigen, während Laser-Schneidvorgängen grobe, gezackte Kanten zu bilden, sobald Sauerstoff im Spiel ist.
Reinheit des Zusatzgases und deren Einfluss auf Präzision und Geschwindigkeit des Schnitts
Die Reinheit des Stickstoffs spielt eine entscheidende Rolle bei der Leistungsfähigkeit von Lasern. Auf Grundlage des Laser-Schneidprinzips benötigen unterschiedliche Materialien während des Schneidvorgangs unterschiedlich reine Zusatzgase. Für Edelstahl ist eine Stickstoffreinheit von 99,99 % erforderlich, um eine glänzende Schnittfläche sicherzustellen. Bei Baustahl und Aluminiumlegierungen hingegen ist aus Gründen der Materialeigenschaften ein geringerer Reinheitsgrad von Stickstoff ausreichend. Durch die Anpassung der Stickstoffreinheit im Zusatzgas lässt sich die Schnittfläche und die ideale Geschwindigkeit beim Schneiden solcher Metalle optimieren. Bei Edelstahl macht es den entscheidenden Unterschied, wenn der Stickstoff eine Reinheit von etwa 99,9 % oder besser aufweist. Dies hilft, den stabilen Strahlengang für genaue Schnittbreiten sicherzustellen und den Nachbearbeitungsaufwand erheblich zu reduzieren. Geringer reiner Stickstoff als Zusatzgas hingegen ermöglicht beim Schneiden von Baustahl, verzinkten Platten oder Aluminiumlegierungen ein schnelleres Schneiden und erzeugt saubere, gratfreie Schnitte.
Warum Hochdruck-Stickstoff für Edelstahl und Aluminium unverzichtbar ist
Für Schnitte in Edelstahl und Aluminium werden in der Regel 16 bis 20 bar Stickstoffdruck benötigt, um das gesamte geschmolzene Material aus dem Schneidbereich zu entfernen. Wenn der Druck unter diesen Bereich fällt, bleibt häufig Rückstand zurück, was zu Problemen wie übermäßigem Wärmestau und Verformungen der Teile beim Abkühlen führen kann. Die Industrie hat festgestellt, dass bei 5 mm dicken Aluminiumplatten eine Erhöhung des Stickstoffdrucks die Kanten geradeheraus um etwa 40 % verbessert, wie Tests in Produktionsanlagen gezeigt haben. Dies ist gerade für Teile wichtig, die in Flugzeugen und Autos verwendet werden, wo bereits geringste Abweichungen von Bedeutung sind – die Spezifikationen verlangen oft Messgenauigkeit innerhalb von nur 0,1 mm oder besser.
Sicherstellen einer unterbrechungsfreien Stickstoffversorgung mit bedarfsgerechten Generatoren
Wie Stickstoffgeneratoren vor Ort hochreinen Gas erzeugen
Moderne Stickstoffgeneratoren verwenden Druckwechseladsorptionsverfahren (PSA) oder Membrantrenntechnologien, um Stickstoff aus komprimierter Luft zu gewinnen, mit Reinheitsgraden von bis zu 99,99 % – über den Anforderungen für die meisten Laserschneidanwendungen. Diese Systeme passen ihre Leistung automatisch entsprechend dem Echtzeitbedarf an und gewährleisten so eine optimale Gasqualität ohne manuellen Eingriff. Raysoar hat verschiedene Serien von PSA-Stickstoffgeneratoren entwickelt, um den unterschiedlichen Schneidanforderungen verschiedener Kunden gerecht zu werden.
Vermeidung von Stillstandszeiten durch Flaschenwechsel und Lieferverzögerungen
Veraltete Methoden zur Gewinnung von Stickstoff bereiten den meisten Pflanzen nur Kopfschmerzen. Anlagen, die bei Zylindersystemen bleiben, verlieren etwa 12 bis 18 Stunden pro Monat mit dem lästigen Wechseln der Tanks und der Koordination von Lieferungen. Die vor Ort Erzeugung von Stickstoff eliminiert all diese Unterbrechungen, da es praktisch immer eine unbegrenzte Versorgung gibt, wann immer benötigt. Der Unterschied spielt besonders bei glänzenden Metallen wie Aluminium eine große Rolle. Jeder, der schon einmal Laserschneiden ausprobiert hat, weiß, dass unregelmäßiger Gasfluss während des gesamten Prozesses alles durcheinanderbringt. Deshalb haben mittlerweile viele Betriebe, die Präzisionsbauteile herstellen, kürzlich auf vor Ort installierte Stickstoffgeneratoren umgestellt.
Kunde Fallstudie: €200 Ersparnis pro Tag
Ein in Nord-Europa ansässiger Möbelhersteller kaufte das BCP-Serie-Stickstoff-Erzeugungssystem von Raysoar.
Laserschneidmaschine: 4 kW Flachblechschneiden 1 Stück / 3 kW Rohrschneiden 1 Stück
Schneidmaterial: Edelstahl / Kohlenstoffstahl / Aluminiumlegierung
Materialdicke: 1,5 mm / 3 mm
Kosten für Gas in Flaschen inklusive Transport: euro350/Packung(8Stück)x2Packungen/Woche×45Wochen=31500Euro/Jahr
Durch die Investition in den ortsbasierten Stickstoffgenerator BCP40 von Raysoar erhält der Kunde die Investitionsrendite innerhalb von 12 Monaten.
Im Vergleich zu Flaschengas verbraucht der ortsbasierte Stickstoffgenerator nur Strom, der etwa Euro0,06/kWh kostet, also Euro15/Tag oder Euro3348/Jahr. Zudem reichen die Arbeitskosten für das Austauschen der Gasflaschen durch Arbeiter aus, um die Wartungskosten der Stickstoffgeneratoren zu kompensieren, und sie könnten diese sogar übertreffen.
Wie Prozesskontinuität die effektive Laserschneidgeschwindigkeit erhöht
Stabiler Gasdruck und Durchfluss für gleichmäßige Schneidleistung
Stickstoffgeneratoren halten den Gasdruck während Laserschneidarbeiten innerhalb von etwa 2 % stabil, wodurch diese lästigen Druckschwankungen eliminiert werden, die zu schlechten Schnitten oder unordentlichem Schlackenansatz führen. Dank dieser konstanten Druckverhältnisse können Bediener mit maximaler Schneidgeschwindigkeit arbeiten, ohne ständig manuelle Anpassungen vornehmen zu müssen. Dies ist besonders wichtig bei Materialien wie Edelstahl und Aluminium, bei denen bereits geringe Änderungen des Gasflusses einen erheblichen Einfluss haben können. Laut aktuellen Daten aus dem letzten Jahr im Fabrication Efficiency Report kann die Schnittbreite (Kerf) um bis zu 15 % ansteigen, wenn der Gasfluss nicht stabil bleibt. Eine präzise Steuerung der Stickstoffzufuhr ist daher nicht nur vorteilhaft, sondern entscheidend für hochwertige Arbeitsergebnisse.
Verringerte Unterbrechungen erhöhen die Gesamtauslastung der Anlagen
Lasersysteme, die eine vor Ort erzeugte Stickstoffversorgung nutzen, erreichen eine Verfügbarkeit von 92 % im Vergleich zu 76 % bei Systemen mit Gasflaschen. Diese Differenz von 16 % entsteht durch den Wegfall von Gaswechselzeiten und Wartezeiten auf Lieferungen – Faktoren, die andernfalls in Hochleistungsbetrieben 6–8 Arbeitsunterbrechungen täglich verursachen würden.
Höhere Schnittqualität minimiert Nacharbeit und Sekundärprozesse
Eine kontinuierliche Stickstoffreinheit von über 99,95 % reduziert oxidationsbedingte Fehler um 40 %, wie eine 12-monatige Studie an 47 Metallbaubetrieben zeigt. Dies bedeutet direkt eine Reduktion von Schleif- und Politurlabor um 29 % – Prozesse, die andernfalls die scheinbaren Geschwindigkeitsvorteile durch instabile Gasversorgung aufheben würden.
Stickstoffgeneratoren im Vergleich zur traditionellen Gasversorgung: Kosten, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit
Vergleich der vor Ort erzeugten Stickstofferzeugung mit flüssigem Stickstoff und Gasflaschen
Der Wechsel zu Stickstoffgeneratoren kann die laufenden Kosten für Laserschneidereien erheblich reduzieren, da kein Gas mehr gekauft oder gelagert werden muss. Herkömmliche Anlagen mit Flüssigstickstofftanks und Gasflaschen erfordern ständige Nachfüllungen, die in der Regel zwischen 1,50 und 4,00 Dollar pro 100 Kubikfuß verbrauchtem Gas kosten. Werden jedoch eigene, ortsfeste Erzeugungssysteme installiert, sinken die Produktionskosten nach der Amortisationszeit von 9 bis 24 Monaten meist unter 30 Cent pro 100 Kubikfuß. Neben den Kosteneinsparungen vermeiden diese Systeme auch das Problem, zur falschen Zeit keine Gasflaschen mehr vorrätig zu haben. Viele Hersteller, die weiterhin auf externe Lieferanten angewiesen sind, verlieren laut Branchenberichten jährlich etwa 12 bis 18 Stunden nur durch Wartezeiten bei Lieferungen. Für Betriebe, die wettbewerbsfähig bleiben möchten, macht das Vermeiden solcher ungeplanten Stillstände den entscheidenden Unterschied, um Termine einzuhalten und Kunden zufriedenzustellen.
Umwelt- und Betriebliche Vorteile einer Eigenversorgung mit Stickstoff
Die Erzeugung von Stickstoff vor Ort kann die CO2-Bilanz um etwa 30 Prozent reduzieren, da der Transport von Gasflaschen oder die Lieferung von Flüssigstickstoff innerhalb der Stadt entfällt. Auch die Arbeitssicherheit verbessert sich, wie mehrere aktuelle Studien zeigen: Betriebe verzeichneten etwa 65 Prozent weniger Unfälle im Zusammenhang mit der Gas-handhabung, nachdem sie auf Generatoren umgestellt hatten. Die Reinheit liegt dabei nahezu immer über 99,95 %, wodurch während der Verarbeitung weniger Oxidation von Materialien stattfindet. Dies ist besonders in Branchen wie der Luftfahrtindustrie von großer Bedeutung, wo bereits geringste Verunreinigungen Bauteile unbrauchbar machen können, und ebenso wichtig für die Herstellung medizinischer Geräte, bei denen absolute Präzision bei der Fertigung erforderlich ist.
Skalierbarkeit für wachsende Anforderungen im Laser- und Metallbau
Modulare Stickstoffgeneratoren kommen ziemlich gut mit wechselnden Produktionsanforderungen zurecht, sodass Anlagen ihre Leistung je nach Bedarf um etwa 40 bis sogar 200 Prozent steigern können, ohne vorhandene Geräte ersetzen zu müssen. Eine solche Flexibilität ist gerade bei großvolumigen Betrieben, die rund um die Uhr laufen, wie beispielsweise Metallverarbeitungsbetriebe mit kontinuierlichem Versorgungsbedarf, besonders vorteilhaft. Herkömmliche Gassysteme können ab einem Durchsatz von etwa 50 Kubikmetern pro Stunde nicht mehr mithalten. Die nachrüstbare Bauweise bedeutet, dass diese Anlagen bei Bedarf mit zusätzlichen Laserschneidern verbunden werden können, wodurch die Infrastrukturkosten im Vergleich zu den Kosten für die Installation oder einen Upgrade von Flüssigstickstofftanks deutlich reduziert werden.
Langfristige Produktionssteigerungen und Trends bei der Branchenadoption
Dauerhafte Effizienz über Schichten hinweg und bei Hochdurchsatz-Anwendungen
Laser-Schneidereien bleiben länger produktiv, wenn sie Stickstoffgeneratoren anstelle traditioneller Gasflaschen verwenden. Der kontinuierliche Gasfluss bedeutet, dass Maschinen seltener anhalten müssen, besonders wichtig für Betriebe, die rund um die Uhr laufen. Betriebe, die gewechselt haben, berichten von etwa zwölf Prozent weniger Druckschwankungen während ihrer Schichten, was entscheidend ist, um die Schnittqualität konstant zu halten – egal ob am ersten Tag oder in der dritten Nacht. Entscheidend ist, wie viel Zeit durch Wartezeiten beim Gaswechsel verloren geht. Mit Generatoren entfällt die Notwendigkeit, alle paar Stunden die Produktion zu stoppen, um lästige Gasflaschen zu wechseln, was normalerweise zwischen zwanzig und vierzig Minuten in Anspruch nimmt. Für Hersteller, die große Mengen an Edelstahl- und Aluminiumteilen verarbeiten, übersetzt sich diese Art von Zuverlässigkeit direkt in Kosteneinsparungen am unteren Ende der Gewinn- und Verlustrechnung.
Steigender Einsatz von Stickstoffgeneratoren in der Präzisionsfertigung
Der neueste Industrial Laser Applications Report für 2024 zeigt etwas Interessantes: Der Einsatz von Stickstoffgeneratoren ist im Jahresvergleich in den Branchen Luftfahrt und Medizingeräteherstellung um 22 % gestiegen. Warum ist das so? Ganz einfach, weil heutzutage laserbasiert gefertigte Bauteile äußerst präzise sein müssen. Die meisten Hersteller von Präzisionsbauteilen (wir sprechen hier von 94 %) akzeptieren heutzutage einfach nichts mehr mit einer Reinheit unter 99,95 %. Auch die Automobilindustrie hat von alldem erhebliche Vorteile gesehen. Schauen wir uns beispielsweise einen großen Tier-1-Zulieferer an, der dazu übergegangen ist, seinen Stickstoff vor Ort selbst zu erzeugen. Die Ergebnisse waren tatsächlich beeindruckend – sie erreichten beim Schneiden der empfindlichen Batteriekomponenten für Elektrofahrzeuge (EV) eine Erstbelegungsquote von bis zu 98 %. Wenn man darüber nachdenkt, ergibt das auch Sinn, oder?
Häufig gestellte Fragen
Warum wird Stickstoff beim Laserschneiden verwendet?
Stickstoff wird beim Laserschneiden eingesetzt, um Oxidation zu verhindern, welche die Materialien schwächen und die Oberflächenqualität beeinträchtigen kann. Die Verwendung von Stickstoff hilft, die Materialstärke zu bewahren und feinere Schnitte zu erzielen.
Welche Bedeutung hat die Stickstoffreinheit beim Laserschneiden?
Die Reinheit des Stickstoffs ist entscheidend, da sie die Präzision und Geschwindigkeit des Laserschneidens beeinflusst. Eine hohe Reinheit (ca. 99,9 %) gewährleistet höhere Schneidgeschwindigkeiten und Genauigkeit, indem sie die Schlackenbildung und Energieverluste reduziert.
Welchen Einfluss hat Hochdruck-Stickstoff auf das Laserschneiden?
Hochdruck-Stickstoff (16 bis 20 bar) ist entscheidend, um geschmolzenes Material effektiv zu entfernen, saubere Schnitte ohne Rückstände zu gewährleisten und Wärmestau oder Verformungen zu vermeiden.
Welche Vorteile bietet die vor Ort erzeugte Stickstoffversorgung?
Die lokale Stickstofferzeugung bietet eine kontinuierliche Versorgung, reduziert Betriebsunterbrechungen durch Flaschenwechsel, senkt Kosten und verbessert die Arbeitssicherheit, indem Unfälle durch Gas-handling vermieden werden.
