Was ist Laserbearbeitung von Acrylplatten?

Wenn es um das Schneiden von Acrylglasplatten geht, gelten CO2-Laser im Allgemeinen als leistungsstarke und kostengünstige Lösung, sofern sie für die entsprechenden Anwendungen eingesetzt werden. Für Aufgaben mit kleinen, komplexen Teilen, die saubere, scharfe Innenecken erfordern, oder für Teile praktisch jeder Größe, die Schnitttoleranzen von weniger als 0,005 Zoll pro Fuß erfordern, ist der Laser oft das beste Werkzeug für diese Aufgabe. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass beim Laserschneiden eine sehr schmale Schnittfuge entsteht, die normalerweise zwischen 0,010 und 0,020 Zoll liegt. Darüber hinaus bietet es eine enorme Flexibilität in Bezug auf Form und Größe und, was vielleicht am wichtigsten ist, es hinterlässt eine polierte, staubfreie Kante. Aufgrund dieser Faktoren ist es die erste Wahl für viele hochwertige Anwendungen.

Equipment Overview

Grundsätzlich funktionieren CO2-Laser durch die Emission eines parallelen Lichtstrahls. Dieses Licht hat eine spezifische Wellenlänge von 10,6 Mikrometern. Es ist erwähnenswert, dass diese spezielle Wellenlänge von nicht-metallischen Materialien sehr gut absorbiert wird. Wenn dieser Licht- oder Energiestrahl durch eine Linse auf einen sehr kleinen Punkt fokussiert wird, verdampft er im Wesentlichen das Material, das sich in seinem Weg befindet.

Was die Maschinenkonfiguration betrifft, kann der fokussierte Laserstrahl über einem X-Y-Positioniertisch stationär gehalten werden. Alternativ kann es über einer stationären Oberfläche positioniert werden, was in der Branche als „Flugkopf“-Konfiguration bekannt ist. Um den Aufbau des fliegenden Kopfes einfach zu erklären: Der Laserstrahl selbst bewegt sich durch ein System aus Spiegeln und mechanischem Positionierungsgetriebe entlang einer oder zwei Achsen über das Werkstück. Die Steuerungen, PCs und Software, die zur Steuerung der Positionierung des Lasers und des Werkstücks verwendet werden, sind tatsächlich der Hardware und Software anderer CNC-Bearbeitungsgeräte sehr ähnlich. Folglich ist die Konstruktion und Bedienung eines Laserschneiders nicht schwieriger als die Arbeit mit jeder anderen Standard-CNC-Maschine.

Wenn Sie sich darauf vorbereiten, Acryl mit einem Laser zu schneiden, müssen Sie sich vor allem mit drei Variablen befassen. Jeder dieser Faktoren wirkt sich sowohl auf die Qualität des Schnitts als auch auf die daraus resultierenden Spannungen im Material aus. Diese Variablen sind:

Die Kraft des Lasers.
Die Vorschubgeschwindigkeit.
Die Pulsfrequenz.

Alle diese Einstellungen können angepasst werden, um verschiedene Arten von Materialien, unterschiedliche Dicken und das gewünschte Finish der Kante zu berücksichtigen. Zum Schneiden von Acrylplatten kann eine Lasereinheit mit nur 40 Watt für Dicken bis etwa ¼ Zoll verwendet werden. Wenn Sie jedoch mit einem solchen kleineren Laser eine gute Kantenqualität erzielen möchten, müssen Sie die Vorschubgeschwindigkeit grundsätzlich auf etwa 20 Zoll pro Minute verlangsamen.

Für dickere Bleche oder höhere Vorschubgeschwindigkeiten ist dagegen ein größeres Lasersystem erforderlich. Ein 180-Watt-Laser beispielsweise ermöglicht im Allgemeinen ein schnelles und wirtschaftliches Schneiden der meisten Acrylplattenstärken, während er nur mit etwa 75 % Leistung betrieben wird. Maschinen mit noch höherer Wattzahl, im Bereich von 500 bis 1000 Watt, ermöglichen deutlich höhere Vorschübe und ermöglichen auch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Schneidköpfe.

Procedures: Setting Up To Cut Acrylic Sheet

Es wird allgemein beobachtet, dass eine Erhöhung der Laserleistung bei einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit zu einem glänzenderen Finish führt. Der Nachteil ist jedoch, dass dadurch auch die Spannung innerhalb der Plattenkante zunimmt. Umgekehrt führt die Verwendung einer schnelleren Vorschubgeschwindigkeit in Kombination mit einer schnelleren Impulsfrequenz normalerweise zu einer Kante mit geringerer Spannung, obwohl die Oberfläche weniger glänzend ist.

Bei der Pulsfrequenz (die in Pulsen pro Sekunde oder pps gemessen wird) handelt es sich einfach um die Rate, mit der der Laser „feuert“. Es ist wichtig zu verstehen, dass der Laserstrahl tatsächlich aus einer Reihe kleiner Ausbrüche oder Impulse und nicht aus einem kontinuierlichen Strahl besteht. Sie können die Pulsfrequenz im Wesentlichen auf zwei Arten steuern: proportional zur Zeit oder proportional zur zurückgelegten Strecke.

Während die Methode, die Pulsfrequenz proportional zur Zeit zu machen, verbreiteter und zu Beginn einfacher zu programmieren ist, führt diese Methode oft zu verbrannten Innenecken. Der Grund dafür ist, dass der X-Y-Controller naturgemäß länger braucht, um durch eine Ecke zu navigieren, als um eine gerade Linie zu fahren. Infolgedessen neigen die Ecken-besonders die Innenecken-dazu, zu viel Energie zu absorbieren, was dazu führt, dass sie schmelzen und über-beansprucht werden. Dies ist ein wichtiger Punkt, der beim Schneiden kerbempfindlicher Materialien wie Acryl und Polycarbonat berücksichtigt werden muss. Innenecken sind typischerweise Schwachstellen, die hohen Belastungen ausgesetzt sind. Daher sollte alles getan werden, um Spannungen oder Kerben in diesen Zonen zu minimieren.

Durch die Proportionalität der Pulsfrequenz zur zurückgelegten Distanz wird ein großer Teil dieses Problems beseitigt. Da die Steuerung die Vorschubgeschwindigkeit an den Ecken automatisch verlangsamt, verlangsamt sich auch die Pulsfrequenz. Dadurch wird sichergestellt, dass die an jedem Punkt entlang des Schnitts abgegebene Energiemenge konstant bleibt.

Es spielt keine Rolle, wie ausgefeilt Ihre Steuerung ist oder wie schnell Ihre Vorschubgeschwindigkeit ist; Kantenspannung ist etwas, das bei bestimmten Anwendungen immer berücksichtigt werden muss. Immer wenn eine Acryl- oder Polycarbonatplatte erhitzt wird, besteht die Gefahr einer Hitzebelastung. Dieses Problem ist am schwerwiegendsten, wenn nur ein Teil des Blechs erhitzt wird, was genau beim Laserschneiden der Fall ist.

Die Grenzfläche zwischen dem nicht-erhitzten Blechkörper und der schnell erhitzten, schnell abgekühlten Kante ist sehr anfällig für Haarrisse. Diese stark beanspruchten Bereiche können je nach Dicke etwa 0,010 bis 0,050 Zoll in das Blech hineinragen. Diese Bereiche sind sehr anfällig für Haarrisse, wenn sie mit unverträglichen Lösungsmitteln in Berührung kommen oder einer hohen mechanischen Beanspruchung, wie z. B. Biegen, ausgesetzt sind.

Sie können dieses Kantenspannungsproblem minimieren, indem Sie die Vorschubgeschwindigkeit, die Impulsfrequenz und die Leistung anpassen. Durch die Verwendung einer geringeren Leistung und einer langsameren Pulsfrequenz in Kombination mit einer relativ schnellen Vorschubgeschwindigkeit wird die Gesamtmenge an Energie oder Wärme reduziert, die vom Blech absorbiert wird. Dies wiederum verringert sowohl die Größe der Spannung als auch die Distanz, über die sich die Spannung in das Blech ausbreitet. Allerdings muss man damit rechnen, dass diese Bedingungen zu einem weniger glänzenden Kantenfinish führen. In bestimmten Fällen kann es tatsächlich praktisch sein, die beanspruchten Bereiche vollständig abzukratzen oder zu bearbeiten.

Die meisten Hochleistungslasersysteme sind mit einem Vakuum-Haltetisch und einem Gasunterstützungsstrom ausgestattet. Mehrere Faktoren können hier die endgültige Qualität des Schnitts beeinflussen: die Art des verwendeten Gases, die Durchflussrate dieses Gases und die Effizienz des Vakuumtisches beim Absaugen von Dämpfen. Ein guter Gasfluss über den Schnitt in Kombination mit einem wirksamen Vakuum trägt dazu bei, Dämpfe zu entfernen, die andernfalls das Werkstück beschädigen, kleine Aufflammungen und Verkohlungen verursachen oder unerwünschte Rückstände hinterlassen könnten.

Laser Cuttable Masking

Die Leistung der Maskierung ist ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl von Acrylglasplatten für Ihre spezifische Anwendung. Wenn die Maskierung nicht richtig haftet, können Teile während des Fertigungsprozesses beschädigt oder zerkratzt werden und die Effizienz des Prozesses selbst kann negativ beeinflusst werden. Wenn die Abdeckung hingegen zu schwer zu entfernen ist, entstehen zusätzliche Arbeitskräfte und höhere Kosten. Die Wahl der richtigen Maskierung für den Herstellungsprozess ist der Schlüssel zur Minimierung dieser Probleme.

Traditionell war die Papiermaskierung die Standardwahl beim Laserschneiden. Der Vorteil besteht darin, dass es an den Schnittkanten nicht mit dem Acryl verschmilzt. Seine starke, gleichmäßige Haftung verhindert, dass sich die Maskierung während der Handhabung und beim Schneiden ablöst, wodurch die Acryloberfläche vor den heißen, korrosiven Gasen geschützt wird, die vom Laser erzeugt werden. Mittlerweile ist jedoch auch eine laserschneidbare Polyethylen-Maskierung auf Acrylglas erhältlich.

Für Szenarien, die maximale Effizienz und Leistung erfordern, kann eine speziell formulierte, leicht{0}klebende Polyethylenabdeckung verwendet werden. Diese Art der Maskierung lässt sich sehr leicht von einem fertigen Teil entfernen und bietet dennoch genügend Haftung, um einer normalen Handhabung standzuhalten. Obwohl dies selten ein größeres Problem darstellt, kann sich diese Art der Maskierung aufgrund der leichteren Klebstoffformel in Bereichen lösen, in denen der Laser zu lange im Leerlauf ist. Dies geschieht typischerweise zu Beginn eines Schnitts oder bei Schnitten mit sehr engen Radien. Sie können dieses Anheben leicht verhindern, indem Sie zu Beginn des Schnitts eine „Einleitung“ verwenden und beim Navigieren in engen Kurven die Pulsfrequenz bzw. die Leistung reduzieren.

Wenn Sie eine makellose, polierte Kante benötigen, gibt es eine speziell formulierte, nicht-klebende Polyethylen-Abdeckung. Da alle auf Klebstoff basierenden Maskierungen zumindest einige Rückstände an der Schnittkante hinterlassen, können sie den polierten Look leicht beeinträchtigen. Daher wird für Anwendungen, die höchste Ansprüche an die Optik stellen, eine nichtklebende, „laserschneidbare“ Maskierung empfohlen. Obwohl diese Maskierung möglicherweise etwas schwieriger zu entfernen ist als die Klebefolie, sorgt sie für eine etwas hochwertigere Kante und ist widerstandsfähiger gegen Kantenablösung. Sollte es dennoch zu einem Anheben kommen, können Sie ähnliche Schritte wie oben beschrieben unternehmen.

Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt beim Maskieren sind Falten. Um die ursprüngliche Optik der Platte zu erhalten, muss die Maskierung-insbesondere auf der Oberseite-faltenfrei sein. Wenn die Maskierung an der Schnittstelle keinen direkten Kontakt mit dem Blech hat, können heiße Gase zwischen der Maskierung und dem Blech eingeschlossen werden, die die Oberfläche verätzen. Auf der Unterseite des Blechs stellt das Ätzen in der Regel weniger ein Problem dar, da die meisten X-Y-Tische ein Vakuum-Haltesystem verwenden, das die heißen Gase effektiv absaugt, bevor sie Schaden anrichten können.

Wie jedes hochentwickelte Maschinenteil müssen auch Laserschneider regelmäßig gewartet werden, um eine optimale Leistung zu gewährleisten. Es empfiehlt sich, die Leistungseinstellungen aufzuzeichnen, die zum Schneiden einer bestimmten Materialstärke mit einer bestimmten Geschwindigkeit erforderlich sind. Mit der Zeit werden Sie wahrscheinlich feststellen, dass die Leistungseinstellung erhöht oder die Schnittgeschwindigkeit verringert werden muss. Dies liegt meist daran, dass die Laseroptik verschmutzt oder unscharf wird. In diesem Fall nimmt die Qualität des Schnitts ab. Eine regelmäßige Wartung durch einen qualifizierten Techniker ist für die Aufrechterhaltung der Schneideffizienz und -qualität unerlässlich.

Obwohl es sich bei Lasern zweifellos um leistungsstarke und hochentwickelte Werkzeuge handelt, sind sie nicht unbedingt gefährlicher als andere Werkstattgeräte, sofern sie ordnungsgemäß installiert und betrieben werden. Als Augenschutz reicht in der Regel eine handelsübliche Schutzbrille aus. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass nicht alle Standard-Schutzbrillen für die Lichtwellenlänge von 10,6 Mikrometern (was einer optischen Dichte von 5 bei 10.600 Nanometern entspricht), die für diese Laser üblich ist, undurchsichtig sind.

Gemäß ANSI-Standard Z136.1 müssen Schutzbrillen deutlich mit der Wellenlänge und dem Schutzfaktor der optischen Dichte gekennzeichnet sein.

Darüber hinaus ist eine Absauganlage zwingend erforderlich, um die beim Schneiden entstehenden potenziell gesundheitsschädlichen Dämpfe abzuleiten. Abhängig vom jeweiligen Material, das verarbeitet wird, kann es sogar erforderlich sein, diese Dämpfe zu filtern, bevor sie an die Außenumgebung abgegeben werden. Wie bei jedem anderen Gerät ist es vor der Verwendung eines Laserschneidsystems zwingend erforderlich, über ausreichende Kenntnisse der Betriebs- und Sicherheitsverfahren zu verfügen.

Emissions

Verschiedene Forscher haben eine Reihe wissenschaftlicher Untersuchungen durchgeführt, um die genaue Menge und Art der Emissionen zu bestimmen, die beim Laserschneiden von Acryl entstehen. Trotz aller Bemühungen ist es immer noch unmöglich, die genauen Nebenprodukte und ihre Konzentrationen in den Emissionsgasen mit absoluter Sicherheit vorherzusagen.

Diese Emissionen hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, darunter Laserparameter, Verarbeitungsparameter, verwendete Schutzgase, die Abgasmethode und die genaue chemische Zusammensetzung des Acrylpolymers. Darüber hinaus berücksichtigen die meisten dieser Studien weder die Auswirkungen des Schutzpapiers oder der Polyethylenabdeckung noch die möglichen Auswirkungen etwaiger Beschichtungen.

Wenn Acryl mit einem Laser geschnitten wird, wird der größte Teil des zersetzten Materials wieder in seine Monomerbestandteile umgewandelt. In den meisten Acrylplatten bestehen diese Monomere zu über 90 % aus Methylmethacrylat, der Rest ist Methacrylat. Bei vielen Anbietern ist es auch üblich, Ethylacrylat in ihren Acrylformulierungen zu verwenden.

(Es ist zu beachten, dass Ethylacrylat vom National Toxicity Program in die Liste der Stoffe aufgenommen wird, von denen angenommen wird, dass sie krebserregend sind. Ebenso listet die Internationale Agentur für Krebsforschung Ethylacrylat als wahrscheinliches Karzinogen auf.)

Bei unabhängigen wissenschaftlichen Untersuchungen von Heferkamp, Goede, Engel und Wittbecker stellten sie fest, dass Acryl unter den von ihnen getesteten Kunststoffen tatsächlich die geringste Aerosolbildung verursachte (<10 mg/m3). Their work also indicated that over 90% of the emissions generated from laser cutting acrylic were gaseous methylmethacrylate monomer.

Andere Forscher, insbesondere Troughton, Sims, Ellwood und Taylor, fanden heraus, dass zusätzlich zum Methylmethacrylat-Monomer geringe Mengen Toluol, Methyl-2-methyl-3-pentenoat, Xylol, Trimethylbenzol und Alkane vorhanden waren. Interessanterweise fanden sie keine PAKs (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe), was im Gegensatz zu früheren Erkenntnissen von Ball, Kulik und Tan stand.

Es wird empfohlen, geeignete Lüftungsgeräte zu installieren, um sicherzustellen, dass die Exposition der Mitarbeiter unter den vorgeschriebenen Grenzwerten bleibt. Darüber hinaus sollten Umweltvorschriften berücksichtigt werden, wenn Sie Gase im Freien ablassen. Hersteller von Laserschneidgeräten können in der Regel Hinweise zur ordnungsgemäßen Erfassung und Handhabung von Laseremissionen geben.