3000-W-Laserschneidparameter: Geschwindigkeit, Gas und Materialstärke richtig kalibrieren
Ich war in Dutzenden Werkstätten, in denen ein Bediener auf eine laminierte Tabelle starrte und sich fragte, warum sein 3000-W-Faserlaser…
Mit unserer großen Auswahl an hochwertigen Materialien und den zahlreichen verfügbaren Materialstärken kann die Auswahl der richtigen Stärke für Ihr Projekt überwältigend wirken. In diesem Artikel erläutern wir, welche Eigenschaften eines Materials Sie bei der Entscheidung für eine Materialstärke berücksichtigen sollten.
Es gibt viele Gründe, sich bei der Konstruktion Ihres Projekts für eine bestimmte Materialstärke zu entscheiden. Auch ohne die mechanischen Hintergründe zu kennen, wie diese Eigenschaften gemessen werden, können die mechanischen Eigenschaften eines Materials Ihnen helfen, die richtige Auswahl zu treffen.
Steifigkeit misst, wie stark sich ein Bauteil biegt oder auslenkt, wenn eine bestimmte Kraft aufgebracht wird. Unterhalb der Festigkeitsgrenzen eines Materials verhält sich fast alles wie eine Feder. Sie können sich die Steifigkeit Ihrer Bauteile als effektive Federkonstante vorstellen: In manchen Fällen ist es gewünscht, dass sich ein Teil unter Belastung biegt und Sie möchten diese Biegung kontrollieren, in anderen Fällen soll das Teil möglichst steif sein, um eine Durchbiegung unter Last zu minimieren. Der Elastizitätsmodul eines Materials ist ein Faktor für die Steifigkeit des Bauteils, aber auch die Materialstärke spielt eine Rolle. Sie können Ihre Teile aus dünneren Materialien konstruieren, aber durch Merkmale wie Biegungen dennoch eine hohe Steifigkeit erreichen.
Festigkeit beschreibt, wie viel Belastung ein Bauteil aushalten kann, bevor es entweder dauerhaft verformt (gebogen, eingedrückt etc.) oder zerstört wird (gebrochen, gerissen, gespalten etc.). Die Festigkeit ist eine Materialeigenschaft und kann je nach Belastungsart unterschiedlich sein. Wenn Sie die Festigkeit eines Materials nachschlagen, finden Sie meist verschiedene Werte, die den unterschiedlichen Belastungsarten entsprechen.
Zugfestigkeit ist relevant, wenn das Bauteil gestreckt oder gestaucht wird (einige Materialien weisen unterschiedliche Festigkeiten bei Zug und Druck auf). Bei plastischer Verformung – also wenn das Bauteil dauerhaft verformt, aber nicht gebrochen wird – spricht man von der Streckgrenze. Wird die Verformung so weit getrieben, dass das Teil bricht, spricht man von der Bruchfestigkeit.
Scherfestigkeit ist entscheidend, wenn das Bauteil einer Scherbelastung ausgesetzt ist. (Stellen Sie sich die zwei Klingen einer Schere vor, die Papier schneiden – das ist Scherung.) Scherung kann gleichzeitig auf mehreren Ebenen auftreten. Je mehr Scherebenen Sie zur Kraftübertragung nutzen, desto geringer ist die Belastung auf jeder einzelnen Ebene.
Die letzte hier besprochene Festigkeit ist die Ermüdungsfestigkeit – auch Dauerschwingfestigkeit genannt. Sie ist in der Regel geringer als die Streckgrenze des Materials. Sie gibt an, welcher Belastung das Material wiederholt ausgesetzt werden kann, ohne zu versagen. Belastungen über der Ermüdungsfestigkeit, aber unter der Streckgrenze, können zwar eine Zeitlang toleriert werden, aber die Anzahl der möglichen Lastwechsel ist begrenzt, bevor das Teil durch Ermüdung bricht. Je weiter die Belastung über der Ermüdungsfestigkeit liegt, desto weniger Lastwechsel übersteht das Bauteil. Bleibt die Belastung stets unterhalb der Ermüdungsfestigkeit, sollte das Teil eine unbegrenzte Anzahl an Lastzyklen überstehen.
Duktilität oder Verformbarkeit beschreibt, wie stark sich ein Material plastisch verformen lässt, bevor es bricht. Lässt es sich wie eine Büroklammer biegen oder bricht es wie Keramik? Viele Stahllegierungen sind relativ duktil, aber durch Härten kann die Duktilität verringert und die Sprödigkeit erhöht werden. Auch die Temperatur beeinflusst die Duktilität: Häufig macht hohe Temperatur ein Material duktiler, weshalb viele Metalle unter Hitzeeinwirkung geformt werden.
Alle Materialien weisen mikroskopische Unregelmäßigkeiten, kleine Risse und Hohlräume sowohl im Inneren als auch an der Oberfläche auf. Die Bruchzähigkeit misst die Fähigkeit eines Materials, Belastungen und Kräfte aufzunehmen, ohne dass diese kleinen Fehler sich ausweiten und schließlich zum Bruch führen. Sowohl Duktilität als auch Bruchzähigkeit sind wichtige Eigenschaften bei der Herstellung von Klingen – sei es ein Küchenmesser, eine Axt oder ein Rasenmähermesser.
Teile, die miteinander in Kontakt kommen, verursachen Abrieb. Das Ausmaß hängt vom Material, den Kontaktkräften sowie Geschwindigkeit und Häufigkeit des Kontakts ab. Härtere Materialien neigen dazu, weichere stärker zu verschleißen. Die Abriebfestigkeit eines Materials kann bei der Materialauswahl entscheidend sein. Wählen Sie ein zu dünnes Material, besteht die Gefahr, dass es sich durch Abnutzung schnell abträgt.
Korrosion wird bei vielen Bauteilen oft erst im Nachhinein bedacht. Die Wahl des passenden Materials für die jeweilige Umgebung kann Korrosionsprobleme häufig vermeiden. Edelstahl und Aluminium sind für den Außeneinsatz von Natur aus gut geeignet, während übliche Stähle beschichtet werden sollten. Eine Schutzschicht wie Lack oder Pulverbeschichtung kann die Lebensdauer Ihrer Teile zusätzlich verlängern. Manchmal lässt sich Korrosion jedoch nicht vermeiden. In solchen Fällen kann eine größere Materialstärke die Einsatzdauer des Teils verlängern, bevor ein Austausch notwendig wird.
Einige Aspekte Ihres Designs lassen sich nicht direkt auf eine einzige Materialeigenschaft zurückführen, beeinflussen aber maßgeblich die Wahl der Materialstärke.
Es ist gängige Praxis, Bauteile mit einem Sicherheitsfaktor zu konstruieren, also so auszulegen, dass sie höhere Lasten aufnehmen können, als später tatsächlich auftreten. Eine Halterung, die ein Gewicht von 500 Pfund tragen kann, aber maximal mit 250 Pfund belastet wird, hat einen Sicherheitsfaktor von 2.
Nicht alle Materialien verhalten sich in jeder Richtung gleich. Die meisten Metalle – wie Aluminium, Stahl, Edelstahl, Kupfer, Messing, Titan usw. – zeigen in alle Richtungen ein ähnliches Verhalten. Das gilt jedoch nicht unbedingt für Materialien wie Sperrholz, bestimmte Kunststoffe oder Carbon. Diese können aufgrund ihrer Herstellungsweise in eine Richtung andere mechanische Eigenschaften aufweisen als in eine andere.
Knicken ist ein Problem bei langen, dünnen Bauteilen, die auf Druck belastet werden. Das Material kann an sich stark genug sein, aber aufgrund kleiner Unregelmäßigkeiten beginnen lange, dünne Teile seitlich zu knicken und können die Last nicht mehr tragen. Diesen Effekt sieht man, wenn man ein flaches Metalllineal aufrecht hinstellt und von oben drückt – es knickt ab. Ähnlich wie bei Balkenberechnungen gibt es auch einfache Formeln zur Berechnung des Knickens von Stäben. Einige der Methoden zur Erhöhung der Steifigkeit lassen sich auch zur Verbesserung der Knickfestigkeit anwenden: Erhöhen der Materialstärke, Verkürzen der Bauteillänge sowie das Hinzufügen von Biegungen oder anderen Formen wie Sicken können den Knickpunkt erhöhen.
Das Gewicht ergibt sich aus der Dichte des Materials und der Menge des verwendeten Materials. Bauteile für Flugzeuge, Rennwagen, Drohnen oder tragbare Ausrüstung wie Campingzubehör werden meist so konstruiert, dass sie möglichst leicht sind. Weniger Materialstärke bedeutet logischerweise auch weniger Gewicht – und umgekehrt. Ist die Gewichtsreduzierung ein zentrales Ziel, wird die Materialstärke meist so weit verringert, bis Festigkeit oder Steifigkeit zum begrenzenden Faktor werden. Bei manchen Designs kommt es darauf an, wie das Gewicht im Bauteil verteilt ist. Vielleicht muss Ihr Design ausbalanciert sein oder Sie möchten zusätzliches Gewicht unten für mehr Stabilität. Durch gezielten Einsatz von dickeren und dünneren Materialien können Sie diese Aspekte fein abstimmen.
Wir erwähnen das Gewindeschneiden speziell, da es bei der Auswahl der Materialstärke oft übersehen wird. Egal, ob Sie selbst Gewinde schneiden oder dies in Auftrag geben, sollten Sie auf die Materialstärke achten.
Laserschneiden ermöglicht es, selbst feinste Details wesentlich einfacher und sauberer in Ihre Bauteile einzubringen als von Hand. Dennoch gibt es auch beim Laserschneiden Grenzen für die minimale Detailgröße. In der Regel gilt: Je dünner das Material, desto einfacher lassen sich kleine Details sauber schneiden. Mit zunehmender Materialstärke sollten auch die Ausschnitte im Teil größer werden. Als Faustregel gilt, dass Innenausschnitte nicht kleiner als etwa 50 % der Materialstärke sein sollten.
Wenn Sie Ihre Teile zudem biegen lassen, beeinflusst die Materialstärke auch den Biegeradius. Dickere Materialien haben in der Regel größere Biegeradien. Müssen Sie ein Loch in die Nähe einer Biegung setzen, sollten Sie den Biegeradius berücksichtigen.
Nicht jede Materialstärke ist in allen Größen erhältlich. Im Allgemeinen sind dickere Materialien weniger geeignet, um kleine Teile herzustellen, da sie schwieriger aus dem Rohmaterial zu entnehmen sind. Die maximale Teilegröße hängt meist nicht von der Materialstärke, sondern eher von Handhabung und Versand ab. Beachten Sie aber, dass übergroße Teile aus dünnem Material flexibler und anfälliger für Verformungen sind.
Mit der richtigen Ausrüstung und Erfahrung lässt sich jede Materialstärke verschweißen. Als Einsteiger werden Sie wahrscheinlich feststellen, dass sich dickere Materialien leichter schweißen lassen, da dünne Materialien schneller durchbrennen. Das Verschweißen unterschiedlicher Materialstärken kann für Anfänger ebenfalls eine Herausforderung sein. Dickere Materialien benötigen mehr Hitze, während dünnere schneller schmelzen können. Das Schweißen von stärkeren Materialien ab etwa 6 mm kann zudem eine leistungsstärkere Maschine erfordern. Wenn Sie gerade erst mit dem Schweißen beginnen oder auf eine kleinere Maschine angewiesen sind, sollten Sie die Materialstärke in Ihrem Design berücksichtigen.
Der letzte Punkt ist zwar subjektiv, aber die richtige Materialstärke kann entscheidend für das gewünschte Erscheinungsbild sein. Bei rein funktionalen Bauteilen wie Haltern und Verstärkungen stehen meist Kriterien wie Festigkeit, Steifigkeit und Gewicht im Vordergrund, das Aussehen spielt eine untergeordnete Rolle. Doch bei anderen Teilen steht die Optik im Mittelpunkt. Entwerfen Sie Schilder oder dekorative Elemente, sollten Sie die Materialstärke so wählen, dass sie den gewünschten Look erzielen.
Bei der Auswahl der passenden Materialstärke gibt es zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen. Konstruktive Bauteile wie Halter und Verstärkungen werden meist von Festigkeit und Steifigkeit bestimmt. Manchmal ist die Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig ausreichender Festigkeit und Steifigkeit entscheidend. Müssen Gewindebohrungen in das Bauteil, kann die gewünschte Gewindegröße eine Mindestmaterialstärke vorgeben.
Einige Materialien sind in einer größeren Auswahl an Stärken verfügbar, während andere nur in einer begrenzten Stärke angeboten werden. Die Verfügbarkeit einer bestimmten Dicke kann Ihre Materialwahl beeinflussen.
Letztendlich kann manchmal ein einzelner Faktor entscheidend sein, oft ist es jedoch eine Kombination vieler Aspekte, die Wahl ist dann ein Kompromiss zwischen Leistung, Handhabung und Optik.
