Schneidlaser Eigenbau

[mikebeam]

Hallo allerseits!

Ich will mir einen Laser zum Schneiden von Blechen bauen. Kann mir jemand bitte erklären wie das geht?

Spass beiseite, natürlich weis ich prinzipiell wie so ein Laser aufgebaut wird, dass das kein triviales Vorhaben ist und dass Laser dieser Leistungsklasse sehr gefährlich sind. Also bitte keine Flames "Weist Du überhaupt was Du da tust und wie gefährlich das ist", ich weis es und bin auch dementsprechend vorsichtig.

Ich habe mich vor ca. 20 Jahren schon einmal intensiv mit Lasern und deren Physik beschäftigt und mir selbst einen kleinen HeNe gebaut weil mich das Thema einfach interessierte und Kauflaser damals viel zu teuer für mich waren. Nachdem der Laser fertig war und ich ein bischen damit herumgespielt hatte musste ich allerdings feststellen, dass ich keine wirkliche Anwendung dafür hatte und so verschwand er wieder in der Bastelkiste. Vor ca. 10 Jahren machte ich dann aus Faszination an der Technik einen zweiten Anlauf im Bereich Laser. Inspiriert durch einen Artikel in einer Wissenschaftszeitschift habe ich aus Spass an der Technik einen kleinen Cu-Ionenlaser gebaut. Nachdem der Laser fertiggestellt war hatte ich natürlich wieder keine Anwendung dafür und er verschwand im Keller.

Wie man sieht, Laser haben mich schon immer fasziniert aber ich hatte keine Ahnung was ich mit den Lasern machen sollte.

Und jetzt habe ich das umgekehrte Problem. Ich habe eine Anwendung für einen Laser aber keinen passenden Laser dazu und auch nicht die finanziellen Mittel mir einen entsprechenden fertigen Industielaser zu kaufen.

Seit einigen Jahren beschäftige ich mich mit dem Bau von kleinen Hochleistungselektromotoren die hauptsächlich im Bereich Modellbau verwendet werden. Diese Motoren sind Aussenläufer und erreichen für ihre geringe Grösse und ihr niedriges Gerwicht unglaubliche Leistungen. So ist es zum Beispiel kein Problem mit einem 60g leichten Motörchen mit Abmessungen von nur 30x35mm eine Wellenleistung von 250W zu erreichen, kurzzeitig geht da sogar noch einiges mehr.

Angefangen habe ich mit dem Umbau von Motoren aus CDROM-Laufwerken, Streamern und Festplatten, die mit neuen Wicklungen und stärkeren Magneten angepasst wurden. Über die Jahre hat sich das immer weiterentwickelt und mittlerweile baue ich komplette Motoren selbst. Einziges "Zulieferteil" sind die Statorpakete aus EL-Blechen, die ich aus diversen Geräten für meine Zwecke recycle. Der grosse Nachteil dieser Statoren ist, dass sie für meine Anwendung eigentlich nicht gedacht sind, die Bleche sind zu dick, die Werkstoffe nicht hochwertig genug und der Schnitt ist nicht für meine hohen Leistungen ausgelegt, wie das in der Industrie halt so ist, Hauptsache es läuft und kostet möglichst wenig. Es gibt hier also noch Möglichkeiten meine Motoren weiter zu optimieren. Der nächste logische Schritt ist, selbst Bleche aus besserem Material (dünner, bessere magnetische Eigenschaften) mit optimierter Dimensionierung herzustellen und daraus Statorpakete zu bauen.

Meine erste Idee war, das mit einem Stanz- bzw Schnittwerkzeug zu machen. Das habe ich wieder verworfen. So ein Werkzeug ist viel zu teuer und kann nur genau einen Schnitt herstellen. Ich will aber viele verschiedene Schnitte testen können. Ausserdem sind die hochwertigen EL-Bleche ein wirklich ekelhaftes Material, hoher Siliziumgehalt und dadurch enormer Werzeugverschleiss.

Deswegen will ich das jetzt mit einem Laser machen.

Um es nochmals kurz zusammenzufassen: Ich möchte mit einem Laser Dünnbleche 0,2-0,5mm schneiden. Die CNC dazu ist kein Thema, das kann ich ohne Probleme selbst bauen, mein Problem ist es den Laser und die Optik dazu zu bauen. Die Schnittgeschwindigkeit ist nicht wichtig, ich habe Zeit, wichtiger ist mir ein sauberer Schnitt und möglichst geringe Erwärmung des Bleches da sich dessen magnetische Eigenschaften bei Wärmebehandlung ändern. Die Teile selbst sind relativ klein, ca. 20-40mm Durchmesser, Schnittlänge pro Teil ca. 500-750mm, minimale Stegbreite 2mm.

Mit einem CO2-Laser habe ich schon erste Versuche mit 0,2mm Blechen gemacht. Mein Schwager arbeitet in einem Schneidcenter und betreut dort drei etwas grössere CO2-Anlagen. Die Schnitte werden mit den dortigen Geräten nicht sauber und genau genug, teilweise sind die Stege verzogen oder sogar weggeschmolzen. Man merkt, dass die Maschinen nicht für diesen Kleinkram konstruiert sind aber prinzipiell ist ein Laser für meine Teile wohl das Mittel der Wahl.

Stand der Dinge ist, dass ich jetzt quasi am grünen Tisch sitze und weis, dass ich einen Laser für meine Zwecke bauen möchte. Ich habe mich noch nicht auf irgendetwas festgelegt, habe noch kein Baumaterial hier und bin daher noch völlig frei in meinen Entscheidungen.

Nun meine 1001 Fragen:

Nach dem was ich bisher gelesen habe, wäre ein DPSS Nd:YAG passend für meine Anwendung. Stimmt Ihr mir da zu?

Wenn ich einen Nd:YAG nehme, dann sollte er für meine Zwecke gepulst und nicht CW sein. Richtig?

Ist eine Laserleistung von 100W richtig dimensioniert oder brauche ich mehr Power?

So, das waren jetzt nur 3 grundsätzliche Fragen aber keine Angst ich habe noch 998 Fragen auf Lager.

Ciao
Mike

[floh]

Wilkommen im Forum

Wenn dein Material die Wellenlänge von 1064nm gut absorbiert, kannst du es mit einem gepulsten ND:YAG versuchen. Ich würde aber erst mal testen wie es mit Wasserstrahlschneiden aussieht. Da hast du nämlich das Problem mit der Erwärmung nicht.

[mikebeam]

Hallo floh,

Wilkommen im Forum

Danke.

Wenn dein Material die Wellenlänge von 1064nm gut absorbiert, kannst du es mit einem gepulsten ND:YAG versuchen.

Tut es lauf Materialdatenblättern.

Ich würde aber erst mal testen wie es mit Wasserstrahlschneiden aussieht. Da hast du nämlich das Problem mit der Erwärmung nicht.

Hab ich auch schon probiert bzw probieren lassen. Wenn die Ausleger nicht fixiert sind verbiegt sich das Material. Fixieren könnte man magnetisch mit einer zum jeweiligen Schitt passenden Auflage wobei ich für jeden Schnitt eine dazu passende Auflage bräuchte. Das mit dem Abrassiv ist eine ziemliche Dreckelei. Wenn ich 150 Bleche brauche müsste ich die Aufnahme jedes Mal reinigen und jedes einzeln auflegen. Das könnte ich so nicht in Auftrag geben sondern müsste es wohl selbst machen. Dazu habe ich ehrlichgesagt keine Lust. Da lege ich lieber ein Blechpaket in die automatische Bestückung meines zukünftigen Laserschneiders und lasse das über Nacht laufen.

Ausserdem macht es mir einfach Spass mal wieder einen Laser zu bauen, das ist dann mein dritter Eigenbau, und ich kann den Laser z.B. auch zur Beschriftung der Motoren verwenden.

Ciao
Mike

[pulslaser]

Hallo Mike, bin ebenfalls grade dabei mir so ein System aufzubauen. Ich würde dir empfehlen, falls du eine DPSS Strahlquelle mit Q-Switch bekommen kannst die mind. eine mittl. Ausgangsleistung von 20 Watt schafft würde das gehen was du vor hast. Ich meine im Mittel 20 Watt im Gütegeschalteten Betrieb, dass wir uns richtig verstehen.

Ich baue mein System mit einem Scankopf auf. Es ist eine HAAS Doppellampen Cavity mit 150W CW in der ein AOM Q-Switch eingebaut ist. Es funktioniert recht ordentlich und macht superfeine Schnitte. Kann auch zum Beschriften oder Bohren verwendet werden. Leiterplattenherstellung geht ebenfalls. Mir fehlen nur noch Materialprocessing - Software und ein Interface. Wenn ich die € 4.300,- beisammen habe bestelle ich die Sachen bei der Firma Scaps in München. Aber wie gesagt, ich würde dir zu DPSS raten wegen der viel besseren Strahlqualität und der somit höheren Leistungsdichte im Fokus. So eine Strahlquelle baue ich momentan nebenbei auch noch auf.

Gruß Dieter

[mikebeam]

Tach,

Hallo Mike, bin ebenfalls grade dabei mir so ein System aufzubauen. Ich würde dir empfehlen, falls du eine DPSS Strahlquelle mit Q-Switch bekommen kannst die mind. eine mittl. Ausgangsleistung von 20 Watt schafft würde das gehen was du vor hast. Ich meine im Mittel 20 Watt im Gütegeschalteten Betrieb, dass wir uns richtig verstehen.

Reichen wirklich 20W? Was mich bei der ganzen Sache etwas stört ist dass man fast keine brauchbaren Informationen zur Dimensionierung im Internet findet. Weder was die zum Schnitt benötigte minimale Leistung betrifft noch wie Leistung, Pulsverhalten und Schnittgeschwindigkeit in der Praxis zusammenhängen.

Was ich auch noch suche sind Informationen über die notwendige Grösse des Laserkristalls. Nach meinem derzeitigen Kenntnisstand kommen entweder ein Nd:YAG oder ein Nd:YVO4 Kristall in Frage. Es gibt diese Kristalle ja in allen erdenklichen Dimensionen als Rundstab oder mit quadratischem Querschnitt meist mit Dotierungen von 1-4% Neodym. Die Angaben der Hersteller sind immer sehr "schwammig". Ein Verkäufer von Nd:YVO4 Kristallen gibt zum Beispiel an dass sein 10*3*3mm3 Kristall für eine Leistung bis 50W geeignet ist. Kann das sein oder ist das nicht doch zu optimistisch? Und wenn das wirlich so ist entsteht an dem kleinen Kristall bei optimalem Betriebsverhalten eine thermische Verlustleistung von mindestens 50W, lässt sich das bei der kleinen Grösse noch abführen ohne dass der Kristall zu warm wird?

Sicher könnte ich mir jetzt auch jede Menge Zeugs kaufen und die notwendigen Daten empirisch ermitteln, das möchte ich aber soweit möglich vermeiden weil ich grad etwas knapp bei Kasse bin.

Nochmal kurz zusammengefasst, stand der Dinge ist momentan dass ich sicher wissen muss welche Leistung ich mindestens brauche und welchen Kristall ich brauche um diese Leistung zu erzielen und dass ich dabei Fehlinvestitionen vermeiden möchte.

Ich baue mein System mit einem Scankopf auf. Es ist eine HAAS Doppellampen Cavity mit 150W CW in der ein AOM Q-Switch eingebaut ist. Es funktioniert recht ordentlich und macht superfeine Schnitte. Kann auch zum Beschriften oder Bohren verwendet werden. Leiterplattenherstellung geht ebenfalls. Mir fehlen nur noch Materialprocessing - Software und ein Interface. Wenn ich die € 4.300,- beisammen habe bestelle ich die Sachen bei der Firma Scaps in München. Aber wie gesagt, ich würde dir zu DPSS raten wegen der viel besseren Strahlqualität und der somit höheren Leistungsdichte im Fokus. So eine Strahlquelle baue ich momentan nebenbei auch noch auf.

Guckst Du mal hier:
http://www.linuxcnc.org
http://www.mesanet.com

Ciao
Mike

[Hatschi]

Halli Hallo

Was mir kurz auffällt:

Mittlere Leistung ist nicht von einem CW Laser, bei dem man mit einem Kristall in der von dir aufgeführten Größe auskommt.

Desweiteren eignet sich ein Vanadate nicht für seitliches Pumpen wie ein YAG, sondern er muß in der optischen Achse gepumpt werden (abgesehen von Scheibenlasern).

Hatschi

[mikebeam]

Hallo Hatschi,

Mittlere Leistung ist nicht von einem CW Laser, bei dem man mit einem Kristall in der von dir aufgeführten Größe auskommt.

Den Satz verstehe ich nicht ganz. Meinst Du damit dass die Kristallgrösse passen würde wenn ich einen CW Laser mit der angegebenen Leistung bauen möchte aber ein Pulslaser ein grösseres Kristall braucht? Wie gross denn? Die Angaben der Hersteller sind da sehr unpräzise.

Desweiteren eignet sich ein Vanadate nicht für seitliches Pumpen wie ein YAG, sondern er muß in der optischen Achse gepumpt werden (abgesehen von Scheibenlasern).

Danke für den Hinweis, das ist mir neu. Auf YVO4 bin ich eigentlich nur gekommen weil mir die Kristalle bei der Suche nach YAG Kristallen aufgefallen sind und immer als "modernere Alternative" zu den YAGs beschrieben werden. Hast Du irgendwo eine Quelle wo man das nachlesen kann? Würde mich interessieren warum das so ist.

Danke und Ciao
Mike

[pulslaser]

Hi Fans, hab hier mal ein paar Beispiele was man mit unsichtbarem Licht so alles wegdampfen kann... Viel Vergnügen beim anschauen.

[mikebeam]

Ich suche seit ein paar Tagen mit wenig Erfolg nach passenden Komponenten wie Kristall, Spiegel, Dioden etc. Hat jemand Tips wo ich noch suchen könnte?

[pulslaser]

Ich suche seit ein paar Tagen mit wenig Erfolg nach passenden Komponenten wie Kristall, Spiegel, Dioden etc. Hat jemand Tips wo ich noch suchen könnte?

www.lasercomponents.de

Casix Nd:Yag Resonatorspiegel von o.g. Adresse z.B. € 55,-

Kristalle findet man i.d.r. bei eBay

Gruß Dieter

[side]

Reichen wirklich 20W? Was mich bei der ganzen Sache etwas stört ist dass man fast keine brauchbaren Informationen zur Dimensionierung im Internet findet. Weder was die zum Schnitt benötigte minimale Leistung betrifft noch wie Leistung, Pulsverhalten und Schnittgeschwindigkeit in der Praxis zusammenhängen.

Ach, ist doch wirklich einfach zu berechnen.. Da das Material verdampfen sollte, ist für dich die Energie interessant, welche benötigt wird vom festen Aggregatzustand zum gasförmigen zu wechseln. Die benötigten Eigenschaften sind also ΔHfus(gibt es hier kein Subscript?), ΔHv und C. ΔHfus ist die Schmelzenergie, die Energie welche benötigt wird um vom festen zum flüssigen überzugehen, ΔHv ist die Verdampfungsenergie, beide haben allerdings nichts mit einer Temperaturänderung zu tun. C ist die Wärmekapazität, also wieviel Joul per Mol benötigt werden um das Material um 1 Kelvin zu erwärmen.
Nehmen wir mal Eisen als Beispiel, der Siedepunkt liegt bei 3134 K, sagen wir mal dein Material ist 288,15 K warm (15°C), du brauchst nun ein ΔT von 2845,85 K um den Siedepunkt zu erreichen. Die benötigte Energie ist also C x ΔT x n, der Einfachheit halber bleiben wir hier mal bei einem Mol Stoff. Du brauchst also ΔHt = 25,10 J·molE−1·KE−1 x 2845,18 K x 1 mol = 71414,018 J um die Siedetemperatur zu erreichen, gasförmig ist das Material nun leider noch nicht. Weiterhin ist die Schmelzenergie und Verdampfungsenergie nötig, also geht es weiter mit ΔHvapor = ΔHt + nΔHfus + nΔHv = 71414,018 J + 1mol(13,81 kJ·mol−1) + 1mol(349,6 kJ·mol−1) = 434824,018 J, oder knapp 435 kJ per Mol bei einer Werkstofftemperatur von 15°C. Letztere Aussage ist enorm wichtig, spielen wir mal ein bisschen herum... Nehmen wir an, dass der Werkstoff 120°C warm ist, seine Enthalpie ist also H = C x T x n = 25,10 J·molE−1·KE−1 x 393,15 K x 1 Mol = 9868,065 J, zum Vergleich, bei 15°C hatte unser Stoff nur 7232,565 J, es werden also 2635,5 Joule weniger benötigt um den Stoff verdampfen zu lassen.
Bleiben wir mal bei 435 kJ um ein Mol Stoff verdampfen zu lassen, das ist eine Menge - und da wirst du mit einem Laser eine ganze Weile heizen müssen - glücklicherweise müssen wir ja kein ganzes Mol verdampfen lassen. Nehmen wir an, unser Material ist 2,5 mm stark und unser Laser fokusiert auf einen Punkt mit einem Durchmesser von 0,65 mm. Wir haben also im Wirkbereich einen Zylinder mit h = 2,5 mm und r = 0,325 mm, das Volumen unseres Zylinders ist demnach V = πrE2h = 3,141593 x 0,106 mm2 x 2,5 mm = 0,830 mm3. Unser Stoff hat eine Dichte von 7,874 g/cm3, daher m = V x ρ = 0,830 mm3 x 7,874E-3 g/mm3 = 6,53542E-3 g (oder 0,00653542 g), da wir aber die Stoffmenge benötigen, müssen wir noch einmal umrechnen: n = m / M = 6,53542E-3 g / 55.845(2) g·mol−1 = 1,1703E-4 mol (0,0001703 mol). Wir haben also 0,0001703 mol mol und wissen, dass wir 434824,018 J benötigen um ein Mol zu verdampfen, folglich brauchen wir ΔHvapor x n = 434824,018 J x 0,0001703 mol mol = 74,051 J um diesen einen Punkt verdampfen zu lassen.
Was wissen wir nun dadurch, nun, wir wissen, wieviel Energie nötig ist um ein Loch zu schießen, eine Kontur besteht praktisch aus mehreren Löchern, also können wir nun diese vielen Löcher aneinander Reihen und ein paar einfache Figuren bilden und errechenen, wieviel Joule wir dabei benötigen. Auch können wir errechnen, wielange es dauern würde, diese Figur zu erstellen wenn wir einen Laser mit x Watt hätten. Das hätte man aber auch irgendwo nachlesen können, das wichtigere hierbei ist, dass wir nun wissen, was in Abhängigkeit zu was steht. Wir wissen, dass wir weniger Energie brauchen, wenn unser Material wärmer ist, wir wissen, das wir weniger Energie brauchen, wenn die Masse welche wir verdampfen wollen geringer ist. Leider können wir die Dichte und die Atommasse nicht ändern, aber wir können das Volumen beinflussen. Wir können den Radius unseres Zylinders verringern, wir können auch die Höhe (Materialstärke) verändern.
Ein paar Beispiele:
Hätte der Strahl einen Durchmesser von nur 0,03 mm, bräuchten wir:
V = πr^2h = 3,141593 x 0,000225 mm^2 x 2,5 mm = 0,00177 mm^3
m = V x ρ = 1,77E-3 mm^3 x 7,874E-3 g/mm^3 = 0,0000139 g
n = m / M = 1,39E-5 g / 55.845 g·mol^-1 = 0,000000250 mol
ΔH = ΔHvapor x n = 434824,018 J x 2,50E-7 mol = 0,109 J

Wäre das Material nur 1,525 mm stark:
V = πr^2h = 3,141593 x 0,325 mm^2 x 1,525 mm = 0,5060 mm^3
m = V x ρ = 0,5060 mm^3 x 7,874E-3 g/mm^3 = 3,98E-3 g
n = m / M = 3,98E-3 g / 55.845 g·mol^-1 = 7,127E-5 mol
ΔH = ΔHvapor x n = 434824,018 J x 7,127E-5 mol = 30,990 J

Wird also der Zylinder kleiner, brauchst du erheblich weniger Energie, da weniger Masser erwärmt werden muss. Wenn der Werkstoff wärmer wird, benötigst du weniger Energie, da die Enthalpie bereits höher ist, allerdings ist der Unterschied relativ niedrig. Auch weisst du nun, dass wenn dein Laser x Watt Leistung hast, du mit x mm/sec verfahren kannst oder wenn du mit x mm/sec verfahren willst, du eine Leistung von x Watt benötigst - alternativ aber auch versuchen kannst den Laser besser zu fokusieren.
Was die Kristallauswahl angeht, kann ich dir nächstes mal eine Lektüre tippen - wenn noch Interesse besteht.

[mikebeam]

Ach, ist doch wirklich einfach zu berechnen..

Ähmm das kommt auf den Standpunkt an Zunächst mal vielen Dank für die sehr ausführliche Antwort, ich glaube ich brauche erstmal ein paar Tage um das richtig zu verdauen.

Was die Kristallauswahl angeht, kann ich dir nächstes mal eine Lektüre tippen - wenn noch Interesse besteht.

Gerne, ich kann jeden sinnvollen Input gut gebrauchen.

Mittlerweile habe ich ein 1% 3*50mm² Nd:Yag Kristall und einen 3mm G&H Q-Switch mit der dazu passenden HF-Elektronik aufgetrieben. Da ich momentan mit anderen Dingen ausgelastet bin habe ich leider nur wenig Zeit weiterzumachen. Einige Teile vom Resonator stehen schon, passende Pumpdioden suche ich noch, habe noch nichts wirklich passendes gefunden. Mein Favorit sind immer noch die SIRILAS von Osram, gebraucht gibts die leider nicht und für neue ist meine Portokasse zu klein

Nja, mit der Zeit wirds schon.

[the_praiodanish]

Wow endlich mal eine herleitung wo alles drinsteht; habe ich in der Form noch nirgends gefunden!
Respekt!
Endlich mal ein paar konkrete Zahlen die einem bei der Dimensionierung einer solchen Anlage helfen.