Laser-Technologie

Stanzen? Stellen Sie es sich vor wie das Verwenden eines leistungsstarken Stempels, um Formen aus Metall zu schneiden.

Laserschneiden? Es verwendet einen hochfokussierten Lichtstrahl, um Metall mit bemerkenswerter Präzision zu durchtrennen. Die Wahl der richtigen Schneidmethode ist entscheidend für Ihr Unternehmen.

Was ist Stanzen?

Beim Stanzen wird kontrollierte mechanische Kraft verwendet, um Material aus Blech zu entfernen. Eine Stanzpresse treibt einen gehärteten Stahlstempel mit hoher Geschwindigkeit durch das Werkstück. Dieser Prozess kann innerhalb von Sekunden saubere Löcher, Schlitze und komplexe Formen erzeugen.

Moderne Stanzpressen verwenden hydraulische oder mechanische Systeme. Der obere Stempel (Stanzstempel) bewegt sich durch das Material, während der untere Stempel (Matrize) das Werkstück stützt. Die Materialtrennung erfolgt, wenn der Stempel etwa 30 % bis 40 % der Blechdicke durchdringt.

Stanzpressen sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, von einfachen Einzelstationseinheiten bis hin zu komplexen Turmwerkzeug-Systemen. Turmstanzpressen können automatisch mehrere Werkzeuge drehen, wodurch Muster schnell erstellt werden können, ohne dass die Stempel manuell gewechselt werden müssen. CNC-Steuerungssysteme positionieren das Werkstück präzise und gewährleisten wiederholbare Genauigkeit.

Wie funktioniert das Stanzen?

Der Stanzprozess entfernt systematisch Material durch ein Schersystem. Ein Bediener positioniert das Metallblech auf dem Pressentisch und richtet es an einem Führungssystem aus. Der Stempel senkt sich mit einer kontrollierten Geschwindigkeit ab, typischerweise zwischen 100 und 500 Hub pro Minute.

Der Stanzprozess erfolgt in drei klar definierten Phasen:

Eindringphase: Der Stempel berührt das Material und beginnt einzudringen.

Schneidphase: Das Material bricht, wenn der Stempel eine kritische Tiefe erreicht.

Abstreifphase: Der Stempel zieht sich zurück, während eine Abstreifplatte verhindert, dass das Material kleben bleibt.

Die Werkzeugauswahl bestimmt die Lochqualität und die Produktionseffizienz. Gepflegte, scharfe Werkzeuge erzeugen saubere Löcher mit minimalen Graten. Der Matrizenabstand (der Spalt zwischen Stempel und Matrize) sollte zur Dicke und Art des Materials passen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Welche Vorteile bietet das Stanzen?

Das Stanzen bietet zahlreiche Vorteile und ist daher für bestimmte Bearbeitungsaufgaben die beste Wahl. Zu den wichtigsten Vorteilen zählen:

• Hohe Geschwindigkeit: Moderne Stanzpressen, wie Turmstanzpressen, können 500 bis 1000 Löcher pro Minute bearbeiten – deutlich schneller als das Laserschneiden – und ermöglichen so die schnelle Produktion großer Teilemengen.

• Kosteneffizienz bei hohen Stückzahlen: Das Stanzen wird bei großen Losgrößen sehr kosteneffizient. Nach den anfänglichen Werkzeugkosten ist die Kostenbelastung pro Teil sehr gering. Außerdem wird nur das notwendige Metall entfernt, wodurch Materialabfall minimiert wird.

• Vielseitigkeit bei der Umformung: Das Stanzen beschränkt sich nicht nur auf das Erstellen von Löchern. Es kann auch Dellen, Lamellen, erhabene Formen und andere umgeformte Merkmale in einem einzigen Arbeitsschritt erzeugen. Einige Werkzeuge können mehrere Aktionen gleichzeitig ausführen, wodurch die Bearbeitungszeit reduziert wird.

• Konsistenz und Wiederholgenauigkeit: Jedes Teil ist identisch. Da mechanische Kraft verwendet wird und keine Wärme erzeugt wird, kommt es zu keinen thermischen Veränderungen der inneren Struktur des Metalls. Die Geometrie der Teile kann leicht innerhalb von ±0,05 mm gehalten werden.

Welche Nachteile hat das Stanzen?

Trotz seiner vielen Vorteile gibt es beim Stanzen einige Einschränkungen zu berücksichtigen:

• Hohe Anfangskosten für Werkzeuge: Stanzwerkzeuge können teuer sein. Spezielle Stempel für bestimmte Muster können je nach Größe und Komplexität zwischen 500 und 5000 US-Dollar kosten. Bei kleinen Losgrößen kann es schwierig sein, diese hohen Kosten wieder hereinzuholen.

• Materialbedingte Einschränkungen: Stanzen eignet sich nicht für alle Materialien. Typischerweise werden Bleche mit einer Dicke zwischen 0,010 und 0,500 Zoll verarbeitet, abhängig von der Härte des Metalls. Sehr harte Metalle erfordern möglicherweise spezielle Ausrüstung oder alternative Schneidverfahren.

• Schwankungen bei der Kantenqualität: Die Kanten von gestanztem Metall sind nicht immer glatt. Das Endergebnis hängt von der Metallart und dem Zustand des Werkzeugs ab. Einige Metalle weisen raue oder rissige Kanten auf, was möglicherweise nachfolgende Bearbeitungsschritte wie Entgraten erforderlich macht.

• Geometrische Einschränkungen: Das Stanzen hat Größenbeschränkungen. Sehr kleine Löcher im Verhältnis zur Materialdicke sind nicht machbar. Die Erstellung komplexer Formen oder feiner Kurven erfordert möglicherweise teure fortgeschrittene Stanzwerkzeuge oder mehrere Bearbeitungsschritte.

Was ist Laser-Schneiden?

Beim Laserschneiden wird ein hochkonzentrierter Lichtstrahl verwendet, um Material entlang einer vorgegebenen Schnittbahn zu schmelzen, zu verbrennen oder zu verdampfen. Der Laserstrahl ist äußerst fokussiert und ermöglicht präzise Schnitte, verursacht jedoch eine kleine wärmebeeinflusste Zone (HAZ) im unmittelbaren Bereich.

CO2-Laser werden häufig zum Schneiden von Blechen eingesetzt und emittieren Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometern. Faserlaser gewinnen jedoch aufgrund ihrer überlegenen Schneidleistung und höheren Energieeffizienz zunehmend an Beliebtheit.

Der Schneidprozess umfasst mehrere gleichzeitige Aktionen. Der Laser erhitzt das Metall, bis es schmilzt oder verdampft. Ein Hilfsgas wie Sauerstoff, Stickstoff oder Luft bläst dann das geschmolzene Material aus dem Schnittspalt heraus. CNC-Maschinen bewegen den Laserkopf entlang einer präzisen Bahn, die durch das digitale Design vorgegeben ist.

Das Laserschneiden kann Bleche von nur 0,005 Zoll bis hin zu 6 Zoll Dicke verarbeiten, abhängig von der Laserleistung und dem Materialtyp.

Grundlagen des Laserschneidverfahrens

Das Laserschneiden beginnt mit der Erstellung einer computergestützten Konstruktionszeichnung (CAD-Datei). Nesting-Software ordnet die Teile auf dem Blech so an, dass Abfall minimiert wird. Die CNC-Programmierung wandelt anschließend die Geometrie in maschinenlesbare Anweisungen um.

Das Strahlführungssystem leitet die Laserenergie von der Quelle zum Schneidkopf weiter. Faseroptik-Kabel oder Spiegel lenken den Strahl unter Beibehaltung der Fokussierung. Eine Fokussierlinse bündelt die Energie auf einen Fleck mit einem Durchmesser von typischerweise 0,006 bis 0,012 Zoll.

Das Bewegungssystem positioniert den Schneidkopf mit äußerster Präzision. Linearmotoren oder Servoantriebe erreichen eine Positionierungsgenauigkeit innerhalb von ±0,001 Zoll. Synchronisierte Mehrachsenbewegungen ermöglichen das Hochgeschwindigkeitsschneiden komplexer Konturen.

Die Prozessüberwachung gewährleistet eine gleichbleibende Schnittqualität. Sensoren erkennen Durchbruchpunkte, überwachen den Zusatzgasdruck und verfolgen die Strahlausrichtung. Eine automatische Höhenregelung hält die optimale Fokusposition relativ zur Materialoberfläche aufrecht.

Was sind die Vorteile des Laserschneidens?

Laserschneiden zeichnet sich durch hohe Präzision und saubere Ergebnisse aus und bietet mehrere Vorteile für die moderne Fertigung:

• Hohe Präzision und Genauigkeit: Das Laserschneiden erreicht enge Toleranzen, typischerweise etwa ±0,002 Zoll, mit minimalem Konus. Es kann hochpräzise, komplexe Formen erzeugen, ohne dass teure mechanische Werkzeuge benötigt werden.

• Designflexibilität und schnelle Bearbeitung: Designänderungen werden einfach durch Aktualisierung des Maschinenprogramms vorgenommen, oft innerhalb weniger Minuten. Dadurch eignet sich das Laserschneiden ideal für Prototypen und Klein- bis Mittelserienfertigung.

• Materialvielfalt: Lasermaschinen können eine breite Palette an Materialien schneiden, darunter Metalle, Kunststoffe, Keramiken und Verbundwerkstoffe. Sie liefern hochwertige Ergebnisse sowohl bei dünnen als auch bei dicken Stahlblechen.

• Hervorragende Kantenqualität: Die Kanten sind in der Regel sehr glatt, wodurch oft keine nachträgliche Nachbearbeitung erforderlich ist. Bei korrekter Einstellung sind die Schnitte gerade und sauber mit einer geringen wärmeeinflussten Zone.

• Kein Werkzeugverschleiß: Da der Laserstrahl das Material nicht physisch berührt, tritt kein Werkzeugverschleiß auf. Dies eliminiert die Kosten und Stillstandszeiten, die mit dem Austausch von Stanz- und Matrizen-Sets verbunden sind.

Welche Hauptnachteile hat das Laserschneiden?

Obwohl es für seine Präzision bekannt ist, weist das Laserschneiden einige Nachteile auf, die sich auf die Produktionszeit, die Kosten und die Materialauswahl auswirken können:

• Langsamer bei einfachen Formen: Das Laserschneiden ist im Allgemeinen langsamer als das Stanzen, um einfache Formen und Standardlöcher herzustellen. Bei komplexen Designs, die mehrere Durchgänge erfordern, nimmt die Gesamtgeschwindigkeit ab, was bei Großserienproduktion mit engen Fristen problematisch sein kann.

• Hohe Betriebskosten: Laserschneider verbrauchen viel Energie und erfordern regelmäßige Wartung. Komponenten wie Laserrohre, Linsen und Spiegel verschleißen und müssen ersetzt werden. Die Kosten für Zusatzgase wie Stickstoff oder Sauerstoff erhöhen ebenfalls die Betriebsausgaben.

• Material- und Dickenbeschränkungen: Die Schneidfähigkeit ist durch Materialart und -dicke begrenzt, was von der Laserleistung abhängt. Reflektierende Materialien wie Kupfer und Aluminium können schwierig zu schneiden sein. Sehr dicke Abschnitte benötigen möglicherweise mehrere Durchgänge oder spezielle Ausrüstung.

• Wärmeeinflusszone (HAZ): Die Wärmezufuhr beim Schneiden kann die metallurgischen Eigenschaften in der Nähe der Schnittkante verändern und somit möglicherweise die Leistung des Bauteils beeinträchtigen. Bei einigen Anwendungen ist eine Nachbearbeitung erforderlich, um die HAZ zu beseitigen.

Was ist der Unterschied zwischen Stanzen und Laserschneiden?

Der Hauptunterschied liegt in der Art und Weise, wie das Material entfernt wird, sowie in den Eigenschaften des resultierenden Schnitts.

Beim Stanzen wird starkes mechanisches Kraft verwendet, um das Material abzuscheren. Dadurch entsteht eine charakteristische Kante mit sowohl abgescherten (glatten) als auch gebrochenen (rauen) Bereichen. Das ausgeschnittene Materialstück (Slug) wird vollständig aus dem Hauptblech herausgedrückt.

Das Laserschneiden hingegen verwendet thermische Energie zur Materialentfernung. Der Laser schmilzt oder verdampft das Metall entlang der Schnittlinie und erzeugt so einen glatten, schmalen Spalt, bekannt als Schnittfuge (Kerf), sowie eine wärmebeeinflusste Kante. Im Gegensatz zum Stanzen wird beim Laserschneiden das Material kontinuierlich entfernt, wodurch hochkomplexe Formen möglich sind, die mit dem Stanzverfahren nicht realisierbar sind.

Vergleichstabelle von Stanz- und Laserschneiden:

Aus produktionstechnischer Sicht zeichnet sich das Stanzen durch die schnelle Erstellung diskreter Merkmale wie Löcher und einfache Formen aus, während das Laserschneiden eine überlegene geometrische Flexibilität für komplexe Konturen und feine Details bietet.

Wie wählt man: Stanzen oder Laserschneiden?

Die Wahl zwischen Stanzen und Laserschneiden hängt von den Projektanforderungen ab. Faktoren wie Stückzahl, geometrische Komplexität, Materialart und Gesamtkosten spielen alle eine bedeutende Rolle.

1. Basierend auf der Produktionsmenge

Für Großserien (über 1000 Teile) ist das Stanzen aufgrund seiner Geschwindigkeit und niedrigeren Kosten pro Teil oft die bessere Wahl. Für Designprüfungen oder kleine Serien ist das Laserschneiden flexibler und kostengünstiger, da es hohe Werkzeugkosten vermeidet.

2. Basierend auf Bauteilgröße und -design

Die Geometrie des Bauteils ist entscheidend. Das Stanzen eignet sich ideal für einfache Löcher und Grundformen. Wenn Ihr Design komplexe Konturen, feine Details oder sehr hohe Präzision erfordert, ist das Laserschneiden die überlegene Option.

3. Basierend auf dem Materialtyp

Beide Verfahren funktionieren gut mit dünnem Blech (unter 0,125 Zoll). Bei dickeren Materialien schneidet das Laserschneiden in der Regel besser ab. Seien Sie vorsichtig bei stark reflektierenden Metallen wie Kupfer oder blankem Aluminium, da diese Herausforderungen für Laserschneider darstellen können.

4. Basierend auf Kosten und Effizienz

Um den besten Wert zu ermitteln, berücksichtigen Sie die Gesamtkosten – nicht nur die Maschinenzeit. Das Stanzen kann kostspielige Sonderwerkzeuge und Rüstzeiten erfordern. Das Laserschneiden kann pro Teil langsamer sein, benötigt jedoch oft weniger Nachbearbeitungsschritte. Die bessere Wahl hängt von Ihren spezifischen Produktionsanforderungen ab.

Das Stanzen eignet sich ideal zur Herstellung großer Mengen von Teilen mit einfachen Formen. Es ist schnell und bietet geringe Stückkosten, insbesondere bei einfachen Geometrien wie Kreisen oder Quadraten. Das Laserschneiden ist besser geeignet für große, komplexe Formen, auch bei geringeren Mengen. Es bietet höhere Präzision und Flexibilität, allerdings zu etwas höheren Kosten pro Teil.

Die optimale Wahl hängt letztendlich von der benötigten Anzahl an Teilen, der Konstruktionskomplexität und dem Budget ab. Viele erfahrene Hersteller nutzen beide Verfahren und wählen das jeweils beste Verfahren für den spezifischen Auftrag aus. Die Kombination von Stanzen und Laserschneiden kann oft die besten Gesamtergebnisse liefern.