CO2-Laser: Wellenlänge, Röhrenaufbau und geeignete Werkstoffe

Thema: Laserschneiden & Lasergravur

Bei einem CO2-Laser wird meist zuerst nach der Leistung gefragt. Mindestens ebenso wichtig ist die Wellenlänge, denn von ihr hängt ab, ob ein Werkstoff die Strahlung aufnimmt, wie der Strahl zum Werkstück gelangt und welche Gefahren beim Bearbeiten entstehen. Schneiden, Gravieren und Markieren ordnet der Überblick zur Laserbearbeitung ein; hier geht es um die Strahlquelle selbst.

Was in der Laserröhre passiert

Das Lasergas besteht laut RP Photonics und Trotec aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium. Eine elektrische Gasentladung regt die Stickstoffmoleküle an, die ihre Energie bei Stößen an die CO2-Moleküle weitergeben. Helium entleert das untere Laserniveau und führt Wärme ab.

Zwei Spiegel an den Röhrenenden bilden den Resonator; durch den Auskoppelspiegel tritt der Strahl aus. Seine Wellenlänge liegt zwischen etwa 9 und 11 µm, meist bei 10,6 µm. Den Wirkungsgrad nennt RP Photonics mit deutlich über 10 %, Trotec mit bis zu 15 %. Der Rest wird zu Wärme, die Gas und Kühlung abführen müssen.

Bauformen: abgeschlossene Röhre oder Gasumwälzung

Die Bauformen unterscheiden sich laut RP Photonics vor allem in Wärmeabfuhr, Gasdruck und Elektrodenanordnung. Abgeschlossene Röhren (sealed-off) arbeiten ohne Gaspumpe und sind für kleinere Leistungen üblich; als Beispiel zeigt RP Photonics eine wassergekühlte Röhre. Weil in der Entladung ein Teil des CO2 zu Kohlenmonoxid zerfällt, beschreibt Trotec Zusätze wie Wasserstoff und Wasserdampf sowie eine Platinelektrode, an der sich CO2 zurückbildet.

Für hohe Leistungen wird das Gas schnell umgewälzt. Angeregt wird mit Gleich- oder Wechselspannung oder hochfrequent; Trotec nennt für den Dauerstrichbetrieb Hochspannung bis etwa 20.000 V. RP Photonics weist auf die Sicherheitsfragen hin, die hohe Leistungen und Betriebsspannungen aufwerfen. Arbeiten an Röhre und Netzteil gehören deshalb nur an eine abgeschaltete, gesicherte Anlage.

Warum 10,6 µm zu Holz und Acrylglas passen

Nach TRUMPF absorbieren viele organische und Verbundwerkstoffe die Wellenlänge von 10,6 µm besonders gut; dadurch entstehen weniger gefährliche Reflexionen als bei Festkörperlasern. Metalle nehmen laut RP Photonics Wellenlängen um 1 µm effizienter auf, und diese lassen sich zudem über Glasfasern führen. Für 10-µm-Strahlen hoher Leistung gibt es keine solchen Fasern, deshalb übernehmen Spiegel den Weg zum Kopf, wie im Beitrag zur Strahlführung beim Laser beschrieben.

Die Tabelle nennt Werkstoffgruppen, keine Freigaben; im Einzelfall gelten die Angaben der Geräte- und Werkstoffhersteller. Für Gravuren kommen Raster und Auflösung hinzu, die der Beitrag zur Lasergravur behandelt.

Eigenes Rechenbeispiel: Leistungsdichte und Acryl-Nacharbeit

Wir nehmen 40 W Ausgangsleistung an und übernehmen von Trotec die Durchmesser: etwa 20 mm Rohstrahl am Kopf, etwa 0,1 mm im Fokus. Der Rohstrahl verteilt 40 W auf rund 314 mm², also etwa 0,13 W/mm². Im Fokus sind es rund 0,0079 mm² und damit etwa 5.100 W/mm². Bei gleicher Leistung steigt die Leistungsdichte um den Faktor (20 : 0,1)² = 40.000. Deshalb hängt das Ergebnis stark von der Fokuslage am Laserkopf ab.

Für den zweiten Teil nehmen wir eine 5 mm dicke Platte aus gegossenem PLEXIGLAS GS an, getempert bei 80 °C.

Die letzte Zeile zeigt, warum beide Regeln zu prüfen sind: Von 80 °C auf 60 °C sind es 20 K, bei höchstens 15 K pro Stunde also mindestens 1 h 20 min. Röhm bezieht sich auf Laserleistungen von meist 250 bis 1.000 W; die Tabelle betrifft deshalb Optik und Nachbehandlung, keinen Schnittdatensatz. Spannungen an der Kante behandelt auch der Beitrag zum Flammpolieren von Acrylglas.

Typische Fehler und Grenzen

Ein CO2-Laser im Werkstattformat ist kein Blechschneider: Die Quellen nennen für Metall Leistungen im Kilowattbereich, für dünne organische Werkstoffe 10 bis 400 W.

Schwerer wiegt ein unbekannter Kunststoff. Die DGUV Information 213-729 zum Beschriften von Kunststoffen mit Laser, die CO2-Laser von 10 bis 50 W einschließt, nennt unter anderem Chlorwasserstoff aus PVC, Fluorwasserstoff aus PTFE und Formaldehyd aus POM. Bei POM, ABS und weiteren Kunststoffen sind krebserzeugende Stoffe nicht auszuschließen; die abgesaugte Luft darf dann nicht in den Raum zurückgeführt werden. Filter sind staubarm und ohne Druckluft zu wechseln. Für das Schneiden nennt die Empfehlung keine Werte.

Bei Acrylglas nennt Röhm typische Kantenfehler: Zu langsamer Vorschub macht die Kante matt, zu schneller erzeugt Rillen, und eine Fokuslage außerhalb der Plattenmitte führt zu V-förmigen oder konkaven Kanten. Monomer-Dämpfe aus dem Laserschnitt können unter Zugspannung Risse auslösen. Eine schwache Druckluftspülung am Kopf hält Rauch von der Linse fern.

Weil der Strahl unsichtbar ist, warnt kein Lichtpunkt vor einem offenen Gehäuse oder einer überbrückten Verriegelung. Welche Schutzmaßnahmen nötig sind, erklärt der Beitrag zur Lasersicherheitsklasse.

Prüfliste vor dem ersten Schnitt

Eigener Vorschlag für ein Werkstattgerät mit abgeschlossener Röhre:

• Werkstoff eindeutig bestimmen; unbekannte Kunststoffe sowie PVC und PTFE nicht lasern.
• Absaugung einschalten; klären, ob die Luft nach außen geht oder eine Rückführung zulässig ist.
• Kühlung, Spiegel und Linse kontrollieren, Luftspülung am Kopf aktivieren.
• Fokuslage einstellen, bei dicken Acrylplatten nach Röhm auf die Plattenmitte.
• Leistung und Vorschub an einem Reststück derselben Platte ermitteln und notieren.
• Den Schnitt beobachten und den Notaus erreichbar halten.
• Acrylteile bei Bedarf tempern, bevor sie belastet oder weiterverarbeitet werden.