Das Hilfsgas ist eine der wichtigsten Prozessentscheidungen beim Faserlaserschneiden. Es bewirkt weit mehr, als nur geschmolzenes Metall von der Schnittstelle wegzublasen. Es beeinflusst die Kantenqualität, die Schnittstabilität, die Schnittgeschwindigkeit, die Oxidation, die Nachbearbeitung und letztlich die Herstellungskosten jedes einzelnen Fertigteils.
Die beiden am häufigsten verwendeten Hilfsgase sind Stickstoff und Sauerstoff. Sie erfüllen ähnliche Grundfunktionen, verhalten sich jedoch ganz unterschiedlich, sobald der Laser mit dem Schneiden des Materials beginnt. Stickstoff ist inert und geht daher keine chemischen Reaktionen mit dem Metall ein. Sauerstoff ist reaktiv, was bedeutet, dass er aktiv am Schneidprozess beteiligt ist, indem er Oxidation und zusätzliche Wärme erzeugt.
Heutzutage ist die Wahl nicht mehr auf das eine oder das andere beschränkt. Moderne Faserlasersysteme können auch kontrollierte Gasgemische einsetzen, bei denen Stickstoff und Sauerstoff kombiniert werden, um Kantenqualität, Produktivität und Prozessstabilität in Einklang zu bringen. Die beste Option hängt vom Material, der Dicke, den Anforderungen an die Kantenqualität, der Laserleistung und der weiteren Verwendung des Werkstücks nach dem Schneiden ab.
Beim Laserschneiden schmilzt oder verdampft der Strahl das Material entlang der Schnittbahn. Das Schutzgas hilft dabei, das geschmolzene Material aus der Schnittfuge zu entfernen, stabilisiert den Schneidprozess und trägt zur Qualität der Schnittkante bei.
Außerdem trägt es dazu bei, den Schneidbereich vor Verunreinigungen zu schützen, und verringert das Risiko von Prozessinstabilitäten, die durch Spritzer, unzureichenden Materialabtrag oder unkontrollierte Oxidation verursacht werden.
Das bedeutet, dass die Wahl des Gases kein nebensächliches Detail ist. Sie hat direkten Einfluss darauf, ob das Bauteil die Maschine bereit für den nächsten Produktionsschritt verlässt oder ob es zusätzlich gereinigt, geschliffen, vorbereitet oder nachbearbeitet werden muss.
Aus diesem Grund sollte Hilfsgas stets als Teil des gesamten Produktionsprozesses betrachtet werden und nicht nur als Kostenfaktor für den Gasverbrauch.
Das Schneiden mit Stickstoff wird häufig eingesetzt, wenn die Kantenqualität im Vordergrund steht. Da Stickstoff nicht mit dem Material reagiert, verhindert er Oxidation und sorgt für eine saubere, glänzende Kante. Aus diesem Grund wird dieses Verfahren häufig bei Edelstahl, Aluminium, sichtbaren Bauteilen und Teilen angewendet, die später geschweißt, lackiert oder beschichtet werden sollen.
In der Praxis trägt das Stickstoffschneiden dazu bei, den Bedarf an einer Nachreinigung zu verringern. Das Bauteil kann oft direkt in den nächsten Produktionsschritt übergehen, da die Schnittkante nicht in derselben Weise oxidiert ist wie nach dem Sauerstoffschneiden.
Dies macht Stickstoff besonders wertvoll in Branchen, in denen das Erscheinungsbild, die Korrosionsbeständigkeit, die Schweißqualität oder die Wiederholgenauigkeit eine wichtige Rolle spielen. Er ist zudem eine gute Wahl, wenn Hersteller den Produktionsablauf vereinfachen möchten, indem sie manuelle Nachbearbeitungsschritte reduzieren.
Der Kompromiss liegt zwischen Kosten und Prozessanforderungen. Beim Stickstoffschneiden sind unter Umständen ein höherer Gasdurchfluss und eine sorgfältige Parametersteuerung erforderlich, insbesondere bei zunehmender Materialstärke. Bei dickeren Kohlenstoffstahlblechen kann es zudem schwieriger sein, eine vollständig gratfreie Kante zu erzielen, wenn die Laserleistung und die Prozessstabilität nicht ausreichen.
Stickstoff ist also in der Regel die richtige Wahl, wenn eine saubere, oxidationsfreie Schnittkante angestrebt wird und wenn die Einsparungen in den nachgelagerten Prozessschritten die tendenziell höheren Gaskosten rechtfertigen. Weitere Einzelheiten dazu, wie sich verschiedene Metalle unter dem Laserstrahl verhalten, finden Sie unter Welche Materialien lassen sich mit Faserlasern schneiden?
Beim Sauerstoffschneiden funktioniert das anders. Anstatt lediglich geschmolzenes Material zu entfernen, reagiert der Sauerstoff während des Schneidvorgangs mit dem Metall. Diese Reaktion erzeugt zusätzliche Wärme, die den Schneidprozess unterstützen kann, insbesondere bei Anwendungen mit Weichstahl und Kohlenstoffstahl.
Diese zusätzliche Energie kann Sauerstoff in Fällen nützlich machen, in denen der Prozess von einem reaktiven Hilfsgas profitiert. Außerdem geht dies oft mit einem geringeren Gasverbrauch einher als beim Schneiden mit Stickstoff.
Dieser Vorteil ist jedoch mit einem deutlichen Nachteil verbunden. Durch den Sauerstoff entsteht eine oxidierte Kante. Je nach Endverwendung des Bauteils muss diese Kante vor dem Schweißen, Beschichten oder Lackieren möglicherweise zusätzlich gereinigt oder vorbereitet werden. In manchen Anwendungsfällen ist dies akzeptabel. In anderen Fällen verursacht dies zusätzlichen Arbeitsaufwand und Kosten.
Aus diesem Grund sollte Sauerstoff nicht allein anhand des Gaspreises beurteilt werden. Ein Verfahren, das beim Schneiden kostengünstiger erscheint, kann an Attraktivität verlieren, wenn es nach dem Schneiden zusätzlichen Arbeitsaufwand verursacht.
Sauerstoff ist nach wie vor eine sinnvolle Wahl für Anwendungen mit Baustahl, bei denen Oxidation akzeptabel ist, bei denen die Nachbearbeitung bereits Teil des Produktionsprozesses ist oder bei denen das Bauteil keine glänzende, saubere Kante erfordert. Er eignet sich weniger, wenn es vorrangig auf optische Qualität, Korrosionsbeständigkeit oder die sofortige Einsatzbereitschaft für nachfolgende Arbeitsschritte ankommt.
Das Schneiden mit einem kontrollierten Gasgemisch bietet eine dritte Option zwischen reinem Stickstoff und reinem Sauerstoff. Anstatt nur zwischen einem sauberen, inerten Verfahren und einem reaktiven Sauerstoffverfahren wählen zu müssen, führt das System eine dosierte Menge Sauerstoff in einen auf Stickstoff basierenden Schneidstrom ein.
Das Ziel ist ein ausgewogenes Verhältnis. Stickstoff trägt zu einer besseren Kantenqualität bei, während Sauerstoff zusätzliche Wärme liefert, um den Materialabtrag zu unterstützen. Bei richtiger Anwendung kann dies die Schnittstabilität verbessern, die Gratbildung verringern und den Aufwand für die Nachbearbeitung im Vergleich zum Sauerstoffschneiden reduzieren.
Dieser Ansatz kann sich insbesondere bei Anwendungen mit mittel- und hochgekohltem Stahl als nützlich erweisen, bei denen Stickstoff allein zu Gratbildung führen und Sauerstoff allein zu starker Oxidation führen kann. In diesen Fällen kann ein kontrolliertes Gasgemisch den Herstellern helfen, einen praktikableren Kompromiss zwischen Produktivität und Kantenqualität zu finden.
Ein Beispiel hierfür ist Eagle MyEMIX, mit dem sich Stickstoff und Sauerstoff beim Schneiden in kontrollierten Verhältnissen mischen lassen. Das Ziel besteht nicht einfach darin, ein Gas durch ein anderes zu ersetzen, sondern einen flexibleren Prozess zu schaffen, wenn weder reiner Stickstoff noch reiner Sauerstoff das beste Produktionsergebnis liefern.
Das ist wichtig, denn das eigentliche Ziel ist nicht immer die maximale Schnittgeschwindigkeit oder minimale Gaskosten. In vielen Produktionsumgebungen ist das bessere Ziel die niedrigsten Gesamtkosten pro Fertigungsteil.
Früher wurde Sauerstoff häufig mit dickeren Baustahlblechen in Verbindung gebracht, während Stickstoff für sauberere, qualitativ hochwertigere Schnitte bei dünneren Materialien verwendet wurde. Diese Unterscheidung wird zunehmend weniger streng.
Moderne Hochleistungs-Faserlaser können das Schneiden mit Stickstoff über einen größeren Dickenbereich hinweg effektiver gestalten. Mit ausreichender Leistung, Maschinendynamik und Prozesssteuerung können Hersteller Stickstoff in Anwendungen einsetzen, in denen bisher Sauerstoff die Standardwahl war.
Der Vorteil ist nicht nur technischer Natur. Durch sauberere Schnitte kann der Aufwand für das Schleifen, Reinigen oder die Kantenbearbeitung reduziert werden. Außerdem lässt sich dadurch die Gleichmäßigkeit zwischen den Chargen verbessern und der Produktionsprozess leichter kontrollieren.
Aus diesem Grund hängt die Wahl des Gases zunehmend vom gesamten Produktionsprozess ab. Die richtige Frage lautet nicht nur: „Mit welchem Gas lässt sich dieses Material schneiden?“, sondern: „Mit welchem Gas lässt sich das gewünschte Fertigteil bei den geringsten Gesamtprozesskosten herstellen?“
Weitere Informationen finden Sie unter „Betriebskosten beim Laserschneiden: Gas, Energie und Wartung im Überblick“.
| Faktor | Stickstoff | Sauerstoff | Gasgemisch |
| Prozesstyp | Inert | Reaktiv | Kontrolliert reaktiv |
| Hauptvorteil | Saubere, oxidationsfreie Kante | Zusätzliche Wärme unterstützt den Schneidvorgang | Ausgewogenheit zwischen Qualität und Effizienz |
| Kantenqualität | Sehr hoch | Oxidiert, oft niedriger | Mittel bis hoch |
| Nachbearbeitung | In der Regel minimal | Häufig erforderlich | Häufig reduziert |
| Standardpassform | Edelstahl, Aluminium, sichtbare Teile, hochwertige Komponenten | Weichstahl, bei dem Oxidation zulässig ist | Kohlenstoffstahl – wenn es auf die Ausgewogenheit ankommt |
| Kostenlogik | Tendenz zu höheren Gaskosten, oft weniger Nachbearbeitung | Tendenz zu niedrigeren Gaskosten, mögliche Endkosten | Bewertet anhand der Gesamtkosten pro Teil |
| Hauptbeschränkung | Bei dickeren Materialien ist der Aufwand größer | Oxidation und Kantenbearbeitung | Erfordert eine präzise Prozesssteuerung |
Stickstoff ist in der Regel die beste Wahl, wenn das Bauteil eine saubere, glänzende und oxidationsfreie Kante aufweisen muss. Dies gilt insbesondere für Edelstahl, Aluminium, sichtbare Bauteile und Teile, die direkt zum Schweißen, Lackieren oder Beschichten weitergeleitet werden.
Der Einsatz von Sauerstoff ist sinnvoll beim Schneiden von Baustahl, wenn Oxidation akzeptabel ist und der Prozess von zusätzlicher Wärme profitiert. Dies kann eine praktische Option sein, wenn das Aussehen der Schnittkanten weniger entscheidend ist oder wenn ohnehin eine Nachbearbeitung vorgesehen ist.
Das Schneiden mit Gasgemischen ist eine Überlegung wert, wenn bei der Produktion ein Gleichgewicht zwischen beiden Faktoren hergestellt werden muss. Es kann hilfreich sein, wenn Stickstoff Grate verursacht, Sauerstoff zu einer übermäßigen Oxidation führt oder der Prozess eine höhere Stabilität erfordert, ohne dabei an Effizienz einzubüßen.
Es gibt kein allgemein bestes Gas. Die richtige Wahl hängt von der Art des Materials, der Materialstärke, den Anforderungen an die Schnittkanten, der Laserleistung, der Verfügbarkeit des Gases, den nachfolgenden Arbeitsschritten und dem akzeptablen Umfang der Nachbearbeitung ab.
Die Gasqualität spielt nach wie vor eine wichtige Rolle. Eine schlechte oder schwankende Gasqualität kann die Prozessstabilität, die Kantenqualität und die Wiederholbarkeit beeinträchtigen.
Die genauen Anforderungen sollten jedoch nicht zu pauschal gefasst werden. Sie hängen vom Werkstoff, der Anwendung, der Maschinenkonfiguration und den Schnittparametern ab. In der Produktion sollte die Gasqualität stets den Empfehlungen des Maschinenherstellers und dem gewünschten Schnittergebnis entsprechen.
Das Schneiden mit Stickstoff, Sauerstoff und Gasgemischen ist nicht austauschbar. Jede dieser Methoden beeinflusst, wie der Schnitt entsteht, wie die Schnittkante aussieht, in welchem Umfang eine Nachbearbeitung erforderlich sein kann und wie die Endkosten pro Teil berechnet werden.
Stickstoff sorgt für ein sauberes, oxidationsfreies Schneiden. Sauerstoff sorgt für reaktive Wärme, führt jedoch zu einer oxidierten Schnittkante. Das Schneiden mit Gasgemischen bietet einen kontrollierten Mittelweg, wenn bei dem Verfahren sowohl Qualität als auch Effizienz gefragt sind.
Für moderne Blechbearbeiter ist das beste Schutzgas nicht einfach das billigste. Es ist dasjenige, das die erforderliche Teilequalität bei den niedrigsten Gesamtprozesskosten gewährleistet.
