Leistungsaufnahme von Faserlaserschneidern und Energieeffizienz der Raycus-Laserquellen

Die Leistung der Laserquelle ist nicht gleichbedeutend mit der von der Maschine aufgenommenen elektrischen Energie. Ein Faserlaser mit einer Leistung von 12, 20 oder 30 kW liefert eine bestimmte optische Strahlleistung, benötigt jedoch zur Erzeugung dieser Leistung eine höhere elektrische Leistung – und neben der Quelle verbrauchen auch der Kühler, die Antriebe, die CNC-Steuerung, die Absauganlage und der Kompressor Energie.

Einer der Parameter, die die Effizienz einer Energiequelle beschreiben, ist Wandsteckdosen-Wirkungsgrad, d. h. der elektrooptische Wirkungsgrad. In den vom Hersteller veröffentlichten Messungen an zufällig ausgewählten Raycus-Laserquellen mit 12 und 20 kW – die in STIGAL-Laserschneidmaschinen zum Einsatz kommen – lag dieser Wirkungsgrad bei über 37 %. Dies ist ein gutes, wettbewerbsfähiges Ergebnis für einen industriellen Hochleistungs-Faserlaser. Dieser Wert bezieht sich jedoch ausschließlich auf die Laserquelle selbst und nicht auf die gesamte Faserlaserschneidemaschine sowie alle damit zusammenarbeitenden Geräte.

Was bedeutet „Wall-Plug-Effizienz“ (elektrisch-optischer Wirkungsgrad)?

Der Wall-Plug-Wirkungsgrad (WPE) beschreibt das Verhältnis zwischen der von einer Lichtquelle erzeugten optischen Leistung und der von ihr aufgenommenen elektrischen Leistung. Vereinfacht ausgedrückt:

Wandsteckdosen-Wirkungsgrad = optische Leistung des Lasers ÷ aufgenommene elektrische Leistung × 100 %

Wenn eine Quelle einen Wirkungsgrad von 37 % erreicht, bedeutet dies, dass etwa 37 % der aufgenommenen elektrischen Energie in die Leistung des Laserstrahls umgewandelt werden. Der verbleibende Teil geht verloren – hauptsächlich in Form von Wärme sowie durch Verluste im Stromversorgungssystem und in den Pumpmodulen.

Der Wert von 37 % mag auf den ersten Blick gering erscheinen, doch in der Lichtquelle finden mehrere aufeinanderfolgende Energieumwandlungen statt: Der Strom versorgt die Pumpdioden, diese erzeugen Pumpstrahlung, die wiederum in einen nutzbaren Lichtstrahl umgewandelt wird. In jeder Phase treten Verluste auf. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, dass zur Erzielung derselben optischen Leistung weniger elektrische Energie benötigt wird – und somit auch weniger Wärme über das Kühlsystem abgeführt werden muss.

Ist ein Wirkungsgrad der Raycus-Quelle von über 37 % viel?

Bei einem industriellen Hochleistungs-Faserlaser stellt ein Wirkungsgrad von über 37 % ein gutes Maß an Energieeffizienz dar. Zum Vergleich : In veröffentlichten Daten zu Standard-Faserlasern finden sich Werte in der Größenordnung von 25–35 %. Ein Wert von über 37 % zeigt somit, dass die Laserquellen von Raycus die zugeführte Energie effizient in Strahlleistung umwandeln.

Die hohe elektrooptische Effizienz ist ebenfalls einer der wesentlichen Vorteile der Faserlasertechnologie gegenüber älteren Systemen, darunter auch CO₂-Lasern. Dies bedeutet jedoch nicht, dass jede Faserlaserschneidmaschine automatisch niedrige Betriebskosten verursacht – entscheidend für das Ergebnis sind auch die Leistung der Laserquelle, die Schneidzeit, die Auslastung der Maschine und der Energieverbrauch der übrigen Geräte.

Raycus hat die Messergebnisse von zufällig ausgewählten 12- und 20-kW-Dauerstrahlquellen veröffentlicht, wobei die tatsächliche optische Leistung sowie die von der Quelle aufgenommene elektrische Gesamtleistung berücksichtigt wurden. Man sollte jedoch nicht davon ausgehen, dass jede Lichtquelle – unabhängig von Modell, Generation und Leistung – genau denselben Wert erreicht. Der Wirkungsgrad hängt unter anderem von der Bauweise der Lichtquelle, den Pumpmodulen, der Betriebstemperatur und der Auslastung ab. Ein Wert von über 37 % ist daher als bestätigte Messung für die untersuchten 12- und 20-kW-Lichtquellen zu betrachten und nicht als ein einheitlicher Wert für das gesamte Produktangebot des Herstellers.

Wie viel Energie verbraucht das Raycus-Gerät mit 12 bzw. 20 kW?

Wenn die optische Leistung und der Wirkungsgrad bekannt sind, lässt sich der Strombedarf der Lichtquelle ungefähr berechnen:

• Leistung von 12 kW bei einem Wirkungsgrad von 37 %: 12 ÷ 0,37 ≈ 32,4 kW,
• Leistung von 20 kW bei einem Wirkungsgrad von 37 %: 20 ÷ 0,37 ≈ 54,1 kW.

Es handelt sich hierbei um Berechnungswerte, die sich ausschließlich auf die Quelle selbst beziehen – sie geben nicht den Energieverbrauch der gesamten Maschine wieder. Zu diesem Ergebnis müssen die Energie des Kühlers, der Antriebe, der CNC-Steuerung, der Absauganlage, des Kompressors und der übrigen Ausrüstung hinzugerechnet werden. Der tatsächliche Energieverbrauch schwankt zudem im Produktionszyklus: Der Laser arbeitet nicht immer mit voller Leistung, und das Programm umfasst das Durchstechen, Fahrwege zwischen den Konturen, den Blechwechsel sowie Wartezeiten.

Wie groß ist die Bedeutung einer Differenz von einigen Prozentpunkten?

Bei Lichtquellen mit einer Leistung von einigen Dutzend bis mehreren Dutzend Kilowatt wirken sich bereits wenige Prozentpunkte des Wirkungsgrads spürbar auf den Energieverbrauch aus. Für eine beispielhafte Lichtquelle mit einer optischen Leistung von 20 kW gilt:

Eine Quelle mit einem Wirkungsgrad von 37 % würde somit rechnerisch etwa 12,6 kW weniger verbrauchen als eine Quelle mit 30 % und etwa 25,9 kW weniger als eine Quelle mit 25 %. Dieser Unterschied gewinnt bei intensivem Mehrschichtbetrieb an Bedeutung – eine geringere Leistungsaufnahme der Quelle bedeutet auch weniger Energie, die in Wärme umgewandelt wird, und eine geringere Belastung des Kühlsystems. Die Berechnungen verdeutlichen das Ausmaß des Einflusses des Wirkungsgrads auf den Energie- und Wärmebedarf des Systems (sie bedeuten jedoch nicht, dass die gesamte Differenz ausschließlich vom Kühler aufgenommen wird).

Die Leistung der Stromquelle entspricht nicht der Leistungsaufnahme der gesamten Laserschneidmaschine

Die Leistung von 12, 20 oder 30 kW bezeichnet die optische Leistung des Strahls – es handelt sich dabei weder um die Anschlussleistung noch um die durchschnittliche Leistungsaufnahme der gesamten Maschine. Der Gesamtenergiebedarf eines Faserlaserschneiders setzt sich aus mehreren Verbrauchern zusammen.

Raycus Laserquelle

Einer der größten Energieverbraucher während des aktiven Schneidvorgangs. Die Leistungsaufnahme hängt von der eingestellten Leistung, dem elektrooptischen Wirkungsgrad und der Auslastung ab. Der Laser arbeitet nicht immer mit seiner vollen Nennleistung – die Parameter variieren je nach Art und Dicke des Materials, der Methode des Durchstechens und der Konturgeometrie.

Laserkühler

Sie leitet die Wärme von der Quelle, dem Kopf und den übrigen Komponenten ab. Ihr Energieverbrauch hängt unter anderem von der Laserauslastung, der Temperatur in der Halle, der eingestellten Temperatur des Kühlmediums und der Systemkonstruktion ab. Je höher der Wirkungsgrad der Quelle ist, desto weniger Energie wird in Wärme umgewandelt – was die Belastung des Kühlers verringern kann, wobei dies nicht unbedingt im exakt gleichen Verhältnis geschehen muss.

Antriebe und Bewegungssysteme

Achs-Servoantriebe, Hubsysteme, Wechseltische und Automatisierung. Die Momentanaufnahme steigt beim Beschleunigen und Bremsen; bei großen Arbeitsbereichen spielen das Gewicht der Baugruppen, die Verfahrwege und die erforderliche Dynamik eine wichtige Rolle.

Absaugung, Filteranlage und Kompressor

Der Absaugventilator (im weiteren Sinne: Rauchabsaugung und Filteranlage) entfernt Rauchgase und Staub; seine Saugleistung hängt von der Leistung des Ventilators, den Druckverlusten der Anlage, dem Zustand der Filter und der Art der Steuerung ab. Wird Druckluft als Hilfsgas verwendet, muss der Luftverbrauch des Kompressors berücksichtigt werden – dieser befindet sich häufig außerhalb der Maschine, sodass sein Verbrauch nicht immer in den Parametern der Schneidemaschine selbst ersichtlich ist (weitere Informationen finden Sie im Leitfaden zur Auswahl des Hilfsgases).

Steuerung und sonstige Ausstattung

CNC-Steuerung, Industriecomputer, Schaltschränke, Sicherheitssysteme, Bereichsbeleuchtung und Anlagen zur Automatisierung des Materialflusses. Viele davon sind auch in den Pausen zwischen den aktiven Schneidvorgängen in Betrieb.

Anschlussleistung, maximale Leistungsaufnahme und Energieverbrauch

Beim Vergleich von Laserschneidmaschinen sollten Sie drei Werte unterscheiden, die häufig verwechselt werden.

Anschlussleistung

Hierin werden die Anforderungen an den Stromanschluss und die Schutzvorrichtungen festgelegt. Dabei muss die mögliche Belastung des gesamten Systems berücksichtigt werden, weshalb diese Anforderungen in der Regel über dem durchschnittlichen Stromverbrauch während des normalen Produktionsbetriebs liegen.

Maximale Stromaufnahme

Es zeigt den momentanen Leistungsbedarf unter bestimmten Bedingungen an – dies entspricht nicht dem Energieverbrauch über die gesamte Schicht hinweg.

Energieverbrauch

Der in Kilowattstunden angegebene Wert gibt die tatsächlich in einem bestimmten Zeitraum bezogene Energiemenge an. Dieser Wert wirkt sich auf die Rechnung aus und sollte ins Verhältnis zur Anzahl der gefertigten Teile, Bleche oder Chargen gesetzt werden. Eine Maschine mit hoher Anschlussleistung muss nicht ständig die maximale Leistung beziehen; andererseits garantiert eine geringe momentane Leistungsaufnahme keine niedrigen Stückkosten, wenn der Prozess deutlich länger dauert.

Der momentane Verbrauch gibt keinen Aufschluss über die Herstellungskosten des Bauteils

Ein Laser mit höherer Leistung kann zwar zu einem bestimmten Zeitpunkt mehr Energie aufnehmen, den Auftrag jedoch in kürzerer Zeit ausführen. Daher muss eine höhere Leistung der Lichtquelle nicht zwangsläufig einen proportional höheren Energieverbrauch pro Werkstück bedeuten.

Energieverbrauch pro Werkstück = durchschnittlicher Energieverbrauch des gesamten Systems × Bearbeitungszeit des Werkstücks

Wenn ein Faserlaser mit höherer Leistung die Schnitt- und Durchstechzeiten deutlich verkürzt, kann sich der Energieverbrauch pro Werkstück trotz einer höheren momentanen Leistungsaufnahme verringern. Das Ergebnis hängt von der Art und Dicke des Materials, der Länge der Konturen, der Anzahl der Durchstiche, dem Schutzgas, der Maschinendynamik und der Nesting-Strategie ab. Bei Werkstücken mit einer großen Anzahl kurzer Abschnitte, kleiner Löcher und häufiger Richtungswechseln stellt häufig die Maschinendynamik und nicht die Leistung der Laserquelle die begrenzende Größe dar – in diesem Fall führt eine höhere Leistung nicht zu einer proportionalen Verkürzung der Produktionszeit.

Was beeinflusst die Energieeffizienz des Laserschneidens?

Der Wirkungsgrad der Steckdosen-Stromquelle ist zwar wichtig, doch für den Wirkungsgrad des gesamten Prozesses sind weitere Faktoren ausschlaggebend.

Bearbeitungszeit des Auftrags

Je kürzer die Bearbeitungszeit einer Charge ist, desto kürzer sind die Betriebszeiten von Heizquelle, Kühler, Absaugung und den übrigen Anlagen. Ein schnellerer Prozess kann von größerer Bedeutung sein als der niedrige Momentanverbrauch an sich.

Auswahl der Leistung der Stromquelle

Die Leistung sollte den Materialien, den Wandstärken und den Arten der Werkstücke in Ihrem Betrieb entsprechen. Eine zu geringe Leistung verlängert den Prozess; eine sehr hohe Leistung, die nicht voll ausgeschöpft wird, bringt nicht immer die erwarteten Vorteile.

Technologische Parameter

Eine falsche Schnittgeschwindigkeit, Brennpunktposition, Leistung oder ein falscher Gasdruck erhöhen den Energie- und Gasverbrauch, ohne die Schnittkantenqualität zu verbessern. Die Technologie sollte einen stabilen, reproduzierbaren Schnitt und einen möglichst kurzen Zyklus gewährleisten.

Nesting und Materialausnutzung

Eine optimale Anordnung der Bauteile verkürzt die Verfahrwege, reduziert die Anzahl der Durchstiche und verbessert die Ausnutzung der Blechplatte – was sich gleichzeitig auf die Kosten des Materials, die Maschinenlaufzeit sowie den Energie- und Gasverbrauch auswirkt.

Produktionsorganisation

Die Maschine verbraucht auch dann Energie, wenn sie auf Material wartet, Werkstücke entnimmt oder ein Programm vorbereitet. Eine reibungslose Beladung, Entladung und ein reibungsloser Materialfluss reduzieren Stillstandzeiten und erhöhen die Stückzahl pro Schicht.

Wie lässt sich der Energieverbrauch von Schneidemaschinen zuverlässig vergleichen?

Ein Vergleich ist nur bei identischen technologischen Rahmenbedingungen sinnvoll: bei gleichem Material und gleicher Dicke, bei gleicher Anordnung der Bauteile, bei vergleichbaren Qualitätsanforderungen, bei gleichem Hilfsgas und bei gleicher Methode zur Berechnung der Produktionszeit. Der Verbrauch sollte an der Hauptstromversorgung der Maschine gemessen werden, wobei externe Geräte (Kompressor, Stickstoffgenerator, unabhängige Absaugung) zusätzlich berücksichtigt werden sollten.

Zu den praktischen Indikatoren zählen:

• kWh im Einzelhandel,
• kWh pro Blatt,
• kWh pro Meter Schnittlänge,
• Energieverbrauch für die gesamte Charge,
• Gaskosten pro Charge,
• Gesamtkosten für die Herstellung eines fehlerfreien Bauteils.

Das aussagekräftigste Kriterium ist nicht der Verbrauch der Laserquelle an sich, sondern die Gesamtkosten für die Herstellung eines Teils, das die Qualitätsanforderungen erfüllt – wir gehen näher darauf ein in unserem Leitfaden zu den Betriebskosten eines Laserschneidgeräts sowie bei den Themen Material und Optik.

Wie analysiert STIGAL den Energieverbrauch und die Schnittkosten?

Bei der Auswahl einer Faserlaserschneidemaschine analysieren wir nicht nur die Leistung und den Wirkungsgrad der Raycus-Laserquelle, sondern den gesamten Produktionsprozess. Dabei berücksichtigen wir unter anderem:

• die Stromaufnahme der Maschine sowie den Betrieb der Stromquelle und des Kühlers,
• Leistungsaufnahme des Abluftventilators und Energieverbrauch des Kompressors,
• die Gaskosten bei den Technologien O₂ CUT und N₂ CUT sowie die Möglichkeit, Druckluft zu nutzen,
• die aktive Schnittzeit und die Durchlaufzeit der gesamten Charge,
• Art und Dicke des Materials, Anzahl der Durchstiche und Länge der Konturen,
• Auslastungsgrad der verfügbaren Kapazität und geplante Anzahl der Schichten.

Auf diese Weise vergleichen wir die Konfigurationen auf der Grundlage der voraussichtlichen Kosten für die Fertigung des Bauteils und nicht ausschließlich anhand der Leistung der Lichtquelle oder eines einzelnen Katalogwerts. Ein Wirkungsgrad von über 37 %, der von Raycus für die untersuchten 12- und 20-kW-Laserquellen bestätigt wurde, ist ein guter Ausgangspunkt – entscheidend für das Endergebnis sind jedoch auch die gewählte Konfiguration, die Schneidtechnologie, die Produktionsorganisation und die Auftragsabwicklungszeit. In unserem Angebot finden Sie Faserlaserschneidmaschinen sowie Maschinen, die als Laserschneidmaschinen für Stahlbleche konfiguriert sind.

Häufig gestellte Fragen – Leistungsaufnahme und Wirkungsgrad von Faserlasern