Brandspuren beim Laserschneiden verhindern: Workflow zur Fehlersuche
Die Laserleistung zu verringern, scheint bei Brandspuren die naheliegende Reaktion zu sein. Manchmal funktioniert das: Die Oberfläche wird sauberer, die…
Verzug beim Laserschneiden kann zu unerwünschten Verformungen Ihrer Bauteile führen, was sowohl die Funktionalität als auch die Ästhetik beeinträchtigt. In diesem Artikel werden die Ursachen für Verzug wie mechanische und thermische Spannungen sowie die Freisetzung von inneren Spannungen während des Schneidprozesses beleuchtet. Zudem wird erläutert, wie verschiedene Materialien – darunter Metalle, Sperrholz, MDF und Kunststoffe – auf diese Spannungen reagieren. Darüber hinaus geben wir praktische Tipps zur Vermeidung von Verzug, sowohl vor als auch nach dem Schneiden, und bieten Lösungen für den Umgang mit verzogenen Bauteilen, um bestmögliche Ergebnisse für Ihre Projekte zu erzielen.
Verzug bezeichnet das unerwünschte Verbiegen oder Verformen Ihrer Bauteile. Unabhängig davon, ob Ihre Teile flach, rechtwinklig, gebogen oder rund sein sollen – wenn sie sich unbeabsichtigt verbiegen oder verdrehen, spricht man von Verzug. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf den ungewollten bzw. unerwünschten Verzug.
Es gibt verschiedene Gründe, warum ein lasergeschnittenes Teil sich verziehen kann, aber im Kern geschieht dies, weil die inneren Spannungen im Teil aus dem Gleichgewicht geraten. Die meisten Materialien behalten ihre Form (ob flach oder gebogen) aufgrund der verteilten inneren Spannungen. Wird dieses Gleichgewicht gestört, verändert sich die Form des Teils, bis erneut ein Gleichgewicht erreicht ist. Das Ungleichgewicht kann durch ungleichmäßige Erhöhung oder Verringerung der Spannungen im Material entstehen oder durch das Entfernen von belasteten Materialabschnitten.
Wenn das verwirrend klingt, denken Sie an das gezielte Biegen eines Blechstücks. Das Prinzip ist dasselbe: Das flache Teil bleibt durch die gleichmäßige Verteilung von Zug- und Druckspannungen flach. Um eine dauerhafte Biegung zu erzeugen, wird das Material so weit beansprucht, dass zusätzliche Spannungen entstehen. Das Teil federt zurück, bis die inneren Spannungen wieder im Gleichgewicht sind – aber diesmal in einer gebogenen Form. Daher muss man für einen 90-Grad-Winkel das Material meist etwas überbiegen, damit es nach dem Zurückfedern den gewünschten Winkel erreicht. Der Mechanismus ist der gleiche wie beim Verzug – der Unterschied liegt lediglich darin, ob die Formänderung beabsichtigt ist oder nicht.
Sehen wir uns einige spezifische Beispiele an.
Wie bereits erwähnt, können mechanische Spannungen zu Verzug führen. Das ungleichmäßige Anziehen von Schrauben kann Bauteile verziehen. Wer schon einmal die Radmuttern eines Autoreifens angezogen hat, weiß, dass eine gleichmäßige Anzugskraft notwendig ist, um ein Verziehen der Felge zu verhindern. Diese Art des Verzugs kann entweder dauerhaft sein – das Teil bleibt nach Entfernen der Kräfte verformt – oder temporär, sodass es nach Entfernen der Kräfte wieder in seine Ursprungsform zurückkehrt. Ob der Verzug dauerhaft oder temporär ist, hängt davon ab, ob die Materialfließgrenze überschritten wurde. Weitere Informationen finden Sie auf unserer Materialseite bezüglich der Materialfließgrenzen.
Ein gutes Beispiel für mechanisch verursachten Verzug bei Laserteilen ist das Entnehmen (Denesting) der Teile aus der Platte nach dem Schneiden. Besonders bei sehr dünnem Material und feinen Details kann es schwierig sein, die Teile ohne leichte Verformungen zu lösen. Wir gehen stets sorgfältig vor, aber bei besonders filigranen Teilen lässt sich eine minimale Verformung manchmal nicht vermeiden.
Für bestimmte Formen, Größen und Prozesse werden Tabs eingesetzt, um das Teil nach dem Schnitt in der Platte zu fixieren. Tabs sind kleine, nicht ausgeschnittene Materialbrücken zwischen Teil und Platte. Sie verhindern, dass das Teil nach dem Schnitt verrutscht. Nach dem Laserschneiden können die Tabs manuell durchtrennt oder gebrochen werden. Der Tab sollte stark genug sein, um das Teil während des Schneidens zu halten, aber nicht stärker. Besonders empfindliche Teile sind beim Entfernen der Tabs einem höheren Risiko für Verzug ausgesetzt.
Temperaturänderungen können ebenfalls Verzug verursachen. In der Regel dehnen sich Materialien beim Erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Erfolgt die Erwärmung oder Abkühlung ungleichmäßig, kann dies zu ungleichmäßigen Ausdehnungen oder Kontraktionen und damit zu Verzug führen. Für viele Materialien, insbesondere Metalle, lässt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient als Materialeigenschaft nachschlagen. Werden zwei unterschiedliche Materialien (z. B. Stahl und Aluminium) zusammen befestigt und gemeinsam erwärmt oder gekühlt, dehnen sie sich unterschiedlich stark aus oder ziehen sich unterschiedlich stark zusammen, was ebenfalls zu Verzug führen kann – selbst bei gleichmäßiger Erwärmung.
Dünne Materialien sind besonders anfällig für temperaturbedingten Verzug. Schweißarbeiten können Bauteile schnell verziehen, da sie bei sehr hohen Temperaturen verbunden und beim Abkühlen wieder geschrumpft werden. Ein anschauliches Beispiel für thermisch induzierten Verzug ist das Verbiegen einer großen, flachen Platte, die in der Sonne liegt – sie wird auf einer Seite stärker erwärmt und verzieht sich. Ähnlich kann ein Backblech im Ofen verbiegen, wenn es sich unterschiedlich ausdehnt. Selbst wenn der Ofen relativ gleichmäßig heizt (was oft nicht der Fall ist), kann die Form des Teils dazu führen, dass eine Seite sich stärker ausdehnt als die andere.
Der durch das Entfernen innerer Spannungen verursachte Verzug ist die häufigste Form des Verzugs beim Laserschneiden. Obwohl thermische Spannungen eine Rolle spielen, ist das Laserschneiden so schnell und lokalisiert, dass die thermische Beeinflussung minimal ist. Stattdessen tritt Verzug häufig auf, wenn große Materialbereiche aus flachen Blechen entfernt werden. Je mehr Material entfernt wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass das Gleichgewicht der inneren Spannungen gestört wird – und somit Verzug entsteht. In der Regel steigt das Risiko ab etwa 50% Materialentnahme signifikant an.
Dies gilt nicht nur für das Laserschneiden, sondern auch für das Wasserstrahlschneiden, fräsen, das Fräsen oder das Plasmaschneiden – praktisch jede Methode zur Materialentfernung birgt ein gewisses Verzugsrisiko. Je mehr Material entfernt wird und je mehr innere Spannungen vorhanden sind, desto höher ist das Verformungsrisiko.
Um besser zu verstehen, woher innere Spannungen in neuen, flachen Blechen stammen, muss man sich den Herstellungs- und Transportprozess anschauen. Die meisten Metalle werden aus flüssigem Zustand gegossen und durch Walzen und Pressen auf die gewünschte Dicke gebracht. Um große Bleche effizient zu transportieren, werden sie zu Rollen aufgerollt – ähnlich wie eine Zimtschnecke oder ein Burrito.
Vielleicht haben Sie solche Metallrollen schon auf LKWs gesehen. Da die Materialien meist als flache Bleche verkauft werden, werden sie vor dem Zuschnitt wieder abgeflacht. Beim Abkühlen nach dem Gießen entstehen thermische Spannungen, durch das Walzen mechanische Spannungen. Das Aufrollen und anschließende Abflachen fügen dem Material weitere innere Spannungen zu.
Das scheinbar perfekte, flache Blech ist also voller innerer Spannungen, die jedoch so austariert sind, dass das Blech seine Form hält. Werden diese Spannungen gestört, kann das Teil sich in unvorhersehbarer Weise verziehen.
Das war das Beispiel Metall. Was ist mit anderen Materialien wie Sperrholz und MDF? Zwar unterscheiden sich die Ursachen der inneren Spannungen, doch auch hier sind sie vorhanden. Beide werden aus natürlichen Materialien verleimt. Da diese selten vollkommen gerade oder gleichmäßig sind und beide (als Holzprodukte) porös und feuchtigkeitsanfällig sind, können sie leicht Feuchtigkeit aufnehmen und quellen – im Gegensatz zu Stahl, der bei Feuchtigkeit rostet. Bereits ein Wechsel der Luftfeuchtigkeit zwischen Sommer und Winter kann ausreichen, um unbehandeltes Holz zu verziehen, insbesondere wenn die Feuchtigkeitsaufnahme ungleichmäßig erfolgt. Wer schon einmal krumme 2×4-Balken aussortiert hat, kennt den Effekt.
Sperrholz wird üblicherweise mit wechselnder Faserrichtung verleimt, weshalb es meist stabiler ist als Massivholz (wie 2×4-Balken). MDF besteht im Wesentlichen aus gepresstem, verleimtem Sägemehl. Das macht es sehr gleichmäßig und stabil, aber auch anfällig, da viele kleine Oberflächen Feuchtigkeit aufnehmen können.
Wie sieht es mit Kunststoffen wie UHMW, ABS, HDPE aus? Kunststoffe bestehen aus langen, ineinander verschlungenen Polymerketten. Diese Verflechtung verleiht ihnen Festigkeit, erzeugt jedoch ebenfalls innere Spannungen, wie bereits beschrieben.
Ein letzter Materialtyp sind Verbundwerkstoffe (Composites). Was ist ein Verbundwerkstoff? Ein Composite besteht aus mehreren miteinander verbundenen Materialien. Carbonfaser und G10 beispielsweise bestehen aus Carbonfasern oder anderen Fasermaterialien, die in einem Harz eingebettet sind. ACM (Aluminium-Verbundmaterial) besteht aus einem Kunststoffkern zwischen zwei Aluminiumdeckblechen. Verbundstoffe kombinieren häufig die Vorteile der Einzelmaterialien, aber aufgrund der unterschiedlichen Komponenten können auch hier innere Spannungen auftreten und unterschiedliche thermische Ausdehnungsraten Probleme verursachen.
Nun kennen wir verschiedene Ursachen für Verzug. Was lässt sich dagegen tun? Manchmal lässt sich Verzug nicht vollständig vermeiden, aber es gibt einige Möglichkeiten, das Risiko zu minimieren.
Beim Laserschneiden von Flachmaterial steigt das Verzugsrisiko mit dem Anteil des entfernten Materials. Gitterartige Strukturen oder lange, schmale Formen verziehen sich besonders leicht. Wie erwähnt, steigt das Risiko ab ca. 50% Materialentnahme. Wenn Sie weniger Material entfernen können, hilft das – manchmal lässt sich das jedoch nicht mit den Anforderungen des Designs vereinbaren.
Wir prüfen jedes Design vor dem Schnitt manuell und bewerten dabei auch das Verzugsrisiko. Wenn wir ein hohes Risiko erkennen, nehmen wir vor dem Lasern Kontakt mit Ihnen auf, um Alternativen zu besprechen. Manchmal kann dasselbe Teil mehrmals geschnitten werden und bleibt beim ersten Mal unverzogen, zeigt aber beim zweiten Mal deutlichen Verzug. Tatsächlich mussten wir mehrere Versuche unternehmen, um für diesen Artikel Fotos von verzogenen Teilen zu bekommen. Da der Zustand der inneren Spannungen im Ausgangsmaterial schwer vorhersehbar ist, weiß man oft erst nach dem Schnitt, ob Verzug auftritt.
Wenn Sie einen großen Flächenanteil herausschneiden, überlegen Sie, wie breit die Stege (Brücken) Ihres Designs sind. Oft reicht ein breiterer Rand oder stärkere Stege, damit die Teile beim Schneiden flach bleiben. Das ist keine Garantie, aber es verbessert die Chancen. Für Verbindungselemente wie Stege empfiehlt sich eine Breite von etwa dem Doppelten der Materialdicke. Je mehr Verbindungen, desto besser, und dünnere Abschnitte sind manchmal trotzdem möglich.
Manchmal hilft auch die Wahl eines anderen Materials, um das Verzugsrisiko zu senken. Edelstahl neigt etwas häufiger zum Verzug als Stahl oder Aluminium. Verbundwerkstoffe wiederum sind oft besonders widerstandsfähig gegen Verzug und bieten hohe Festigkeit bei geringem Gewicht.
Und wenn die Teile schon geschnitten sind? Falls Sie die Bauteile verschweißen, können Sie versuchen, sie gleichmäßig zu erwärmen. Durch symmetrisches Schweißen auf beiden Seiten lässt sich der thermische Verzug ausgleichen. Bei mehreren Schweißnähten empfiehlt es sich, den Wärmeeintrag durch Abkühlen zwischen den Nähten oder durch wechselweises Schweißen an verschiedenen Stellen zu minimieren.
Die Steifigkeit der Bauteile durch entsprechende Konstruktion zu erhöhen, ist ebenfalls eine wirksame Methode gegen Verzug. Eine flache Platte ist deutlich verformungsanfälliger als ein Teil mit gebördeltem Rand, Rippen oder Sicken. Weitere Hinweise zur Erhöhung der Steifigkeit finden Sie in unserem Artikel zur Materialdicke.
Werden Ihre Teile Temperaturschwankungen ausgesetzt, kann eine gleichmäßige Materialdicke oder gleichmäßige Exposition helfen, eine gleichmäßige Erwärmung und Abkühlung zu gewährleisten.
Bei Holzteilen empfiehlt es sich, die Oberfläche vollständig zu versiegeln, um die Feuchtigkeitsaufnahme zu verringern. Auch eine gleichmäßige Belüftung kann helfen, die Feuchtigkeit gleichmäßig aufzunehmen.
Ein verzogenes Teil ist nicht zwangsläufig unbrauchbar. Je nach Verwendungszweck kann es dennoch funktionieren. Manche verzogenen Teile lassen sich einfach wieder in Form biegen.
Teile, die zusammengebaut werden, können sich beim Fügen oft von selbst in die gewünschte Form bringen. Besonders bei Blechbaugruppen wird ein leichter Verzug oft beim Zusammenbau ausgeglichen. So funktionieren auch die gestanzten Blechteile einer modernen Karosserie: Als Einzelteil nicht perfekt, aber im Verbund mit anderen Teilen ergibt sich eine stabile Struktur. Nicht immer ist dies möglich – dann müssen andere Wege zur Vermeidung von Verzug gefunden werden.
Bei stark verzogenen Teilen besteht die Gefahr, dass der Laserkopf während des Schneidens mit dem Bauteil kollidiert und es beschädigt – oder sogar der Laser selbst Schaden nimmt. Der Laserkopf arbeitet sehr nah am Material, sodass schon geringe Verzüge problematisch sein können. Wir achten darauf, solche Teile frühzeitig zu erkennen. Sollte es dennoch zu Verzug kommen, nehmen wir Kontakt mit Ihnen auf, um gemeinsam Lösungen zu besprechen.
Außerdem können verzogene Teile oft nicht entgratet werden, da unsere Entgratungsmaschinen nur auf planen Oberflächen arbeiten.
Verzug beim Laserschneiden ist meist unerwünscht, bedeutet aber nicht zwangsläufig, dass das Teil unbrauchbar ist. Die Ursache für Verzug ist stets ein Ungleichgewicht der inneren Spannungen – sei es durch neue mechanische oder thermische Belastungen oder durch das Entfernen bestehender Spannungen.
Es ist nahezu unmöglich, mit Sicherheit vorherzusagen, ob ein Teil sich verziehen wird oder nicht. Dennoch gibt es einige Indikatoren und Maßnahmen, die das Risiko deutlich reduzieren können.
Oftmals lassen sich verzogene Teile richten oder sogar im Ist-Zustand einsetzen. Wir informieren Sie bestmöglich, wenn sich im Vorfeld abzeichnet, dass Ihre Teile beim Schneiden zum Verzug neigen. Sollte ein Verzug auftreten, kontaktieren wir Sie, um die Möglichkeiten zu besprechen.
Wir hoffen, dieser Artikel gibt Ihnen wertvolle Einblicke in die Ursachen von Verzug bei lasergeschnittenen Teilen und zeigt Ihnen, wie Sie diesen bei Ihrer nächsten Konstruktion vermeiden können.
