Sublimation oder Verdampfung
Sublimation ist eine Art Phasenwechsel vom festen in den gasförmigen Zustand ohne dazwischenliegende flüssige Phase. Dies ist derselbe Prozess, bei dem Trockeneis zu Dampf wird, ohne flüssig zu werden. Das Material absorbiert schnell Energie, ohne dass es schmelzen kann. Dasselbe Prinzip wird beim Laserschneiden angewendet, wobei dem Material in relativ kurzer Zeit eine hohe Energiemenge zugeführt wird, die einen direkten Phasenwechsel des Materials vom festen in den gasförmigen Zustand bewirkt, wobei so wenig wie möglich geschmolzen wird.
Der Schnitt beginnt mit der Erzeugung eines ersten Schlüssellochs oder Schnitts. Im Schnitt ist die Absorptionsfähigkeit höher, wodurch das Material schneller verdampft. Diese plötzliche Verdampfung erzeugt einen Materialdampf mit hohem Druck, der die Wände des Schnitts weiter erodiert und gleichzeitig Material aus dem Schnitt herausschleudert. Dadurch wird das Loch oder der Schnitt vertieft und vergrößert.
Dieses Verfahren eignet sich zum Schneiden von Kunststoffen, Textilien, Holz, Papier und Schaumstoffen, da zum Verdampfen nur geringe Energiemengen benötigt werden.
Schmelzen
Im Vergleich zur Sublimation ist beim Schmelzen weniger Energie erforderlich. Die erforderliche Energie beträgt etwa ein Zehntel der beim Sublimationslaserschnitt. Bei diesem Verfahren erhitzt der Laserstrahl das Material, wodurch es schmilzt. Während das Material schmilzt, stößt ein Gasstrahl aus der koaxialen Düse mit dem Laserstrahl das Material aus dem Schnitt. Die verwendeten Hilfsgase sind inert oder nicht reagierend (z. B. Helium, Argon und Stickstoff), die das Schneiden nur durch mechanische Mittel unterstützen.
Aufgrund des geringen Energiebedarfs wird es zum Schneiden nicht oxidierender oder aktiver Metalle wie Edelstahl, Titan und Aluminiumlegierungen verwendet.
Reaktives Laserschneiden
Bei diesem Verfahren wird ein reaktives Gas verwendet, um durch Reaktion mit dem Material mehr Wärme zu erzeugen. Der Prozess beginnt mit dem Schmelzen des Materials mit einem Laserstrahl. Während das Material schmilzt, tritt ein Sauerstoffgasstrom aus der Koaxialdüse aus und reagiert mit dem geschmolzenen Metall. Die Reaktion zwischen Metall und Sauerstoff ist ein exothermer Prozess, d. h. es wird Wärme freigesetzt. Diese Wärme unterstützt das Schmelzen des Materials, was etwa 60 % der Gesamtenergie ausmacht, die zum Schneiden des Materials erforderlich ist. Die geschmolzenen Metalloxide werden durch den Druck des Sauerstoffstrahls ausgestoßen.
Abgesehen davon, dass der Laserstrahl weniger Energie benötigt, sind die Schneidgeschwindigkeiten beim Einsatz von reaktiven Gasen höher als beim Laserschneiden mit inerten Gasen. Da dieser Prozess jedoch auf einer chemischen Reaktion beruht, bildet sich das geschmolzene Metalloxid, das nicht durch den Sauerstoffstrahl ausgestoßen wird, entlang der Schnittkante. Dadurch werden Schnitte von geringerer Qualität als beim Einsatz von inerten Gasen erzeugt.
Dieses Verfahren wird zum Schneiden von dickem Kohlenstoffstahl, Titanstahl und anderen leicht oxidierenden Metallen verwendet.
Thermischer Spannungsbruch
Bei diesem Verfahren wird mit einem Laser ein kleiner Schnitt in einer Tiefe von etwa einem Drittel der Materialdicke eingebracht. Der Laser wird dann verwendet, um lokal Spannungen zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem ein kleiner Punkt erhitzt wird, wodurch Druckkräfte um ihn herum entstehen. Nach dem Passieren des Laserstrahls kühlt sich der Bereich leicht ab, wodurch thermische Spannungen entstehen. Bei einigen Konstruktionen werden Kühlmittel verwendet, um die Erzeugung thermischer Spannungen zu unterstützen. Wenn diese erzeugten Spannungen das Versagensniveau erreichen, breitet sich ein Riss aus, der eine Trennung verursacht.
Die Bewegung des Laserstrahls steuert diese Trennung auf kontrollierte Weise. Diese Methode erfordert normalerweise weniger Leistung als die Laserverdampfung und bietet bessere Schnittgeschwindigkeiten. Die lokale Erwärmung erfolgt normalerweise unterhalb der Glasübergangstemperatur.
CO₂-Laser werden für diese Anwendung häufig verwendet, da Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 10,6 µm ideal zum Schneiden der meisten Nichtmetalle ist. Allerdings können nicht alle Materialien mit einem Lasertyp geschnitten werden, da unterschiedliche Materialien Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen absorbieren. Thermische Spannungsbrüche werden häufig zum Schneiden spröder Materialien wie Keramik und Glas verwendet.
Eine weitere neuere Methode, die die Prinzipien des thermischen Spannungsbruchs nutzt, ist Stealth Dicing. Dies ist eine Laserschneidtechnologie, die ursprünglich von Hamamatsu Photonics entwickelt wurde und zum Schneiden von Halbleiterscheiben und Teilen von mikroelektromechanischen Systemen oder MEMS verwendet wird. Bei dieser Art des Schneidens wird der erste Schnitt an einer inneren Stelle im Material erzeugt. Stealth Dicing ist ein Trockenschneidverfahren, bei dem der erzeugte Schnitt sauber ist und keine geschmolzenen Ablagerungen aufweist.