Präzisions-Laserschneidausbeute: Fokustoleranz dünner vs. dicker Platten

Präzises Laserschneiden Die Ergebnisse können durch ein Rayleigh-Reichweite-zu-Dicke-Verhältnis bestimmt werden. Bei dünnen Platten (≤3 mm) können sie einen 0,05–0,10 mm großen Punkt mit einer Toleranz von 0,15–0,25 mm verwenden, was von den Servo- und Wärmebedingungen abhängt . Dicke Platten (≥12 mm) hingegen erfordern einen 0,20–0,35 mm großen Punkt und eine Toleranz von ±0,80–1,20 mm, die zuzüglich eines tiefen Negativfokus (-1,5 bis -8,0 mm) und der Verwendung von Gasdruck hergestellt werden muss.

In diesem JS Precision-Leitfaden werden Strategien zur Fokustoleranzoptimierung beschrieben.

Fokustoleranzparameter für das Präzisionslaserschneiden

Datenquelle: JS Precision 2026 Marktbenchmarking, offizielle Websites des Unternehmens und öffentliche Offenlegungen.

Wichtige Erkenntnisse

• Die Schnittleistung bei dünnen Blechen hängt hauptsächlich davon ab, wie schnell das Höhenverfolgungssystem reagiert. Wenn die Fokusverschiebung mehr als ±0,2 mm beträgt, führt dies zu einer um 30 % größeren HAZ-Größe .
• Für Schneiden dicker Platten , Erwägen Sie, eine tiefe negative Fokusposition beizubehalten. Wenn die Fokusverschiebung nach oben auch nur 0,50 mm beträgt, würde dies zu einem zusätzlichen Fasenwinkel von 0,8° auf der Schnittfläche sowie zu 45 % höheren Kosten für die Krätzeentfernung führen.
• Um einen CPK-Wert über 1,33 für den gesamten 24-Stunden-Produktionslauf zu erreichen , sollte die Vermeidung einer Fokusverschiebung durch thermische Linsen die erste und wichtigste Maßnahme sein.

Was ist der Unterschied zwischen der Fokustoleranz beim Laserschneiden dünner und dicker Platten?

Schärfentiefe und Energiedichte unterscheiden sich hauptsächlich darin, dass eine kurze Brennweite einen kleinen Punkt erzeugt, die Toleranz bei dünnen Platten auf ±0,20 mm verengt, eine lange Brennweite die Tiefenschärfe erhöht und die Toleranz bei dicken Platten gelockert wird und auf ±1,00 mm sinkt . Das präzise Laserschneiden erfordert also je nach Situation den umgekehrten Ansatz.

Zugrunde liegender physikalischer Mechanismus

Durch die Verdoppelung der Brennweite wird der Punktdurchmesser verringert und die Energiedichte erhöht, aber die Brennweite beträgt nur noch ein Viertel der vorherigen Brennweite, und eine strenge Brennpunkttoleranz ist eines der Hauptprobleme beim Schneiden dünner Bleche . Gemäß der geometrischen Optik wird die Beziehung zwischen der Tiefenschärfe (Z_r) und der Brennweite (f) ausgedrückt als:

Z_r=(π · d2_f )/2λ

d2_f ist der Durchmesser des Brennflecks und die Laserwellenlänge (1070 nm bei Faserlasern). Diese einfache Beziehung zeigt, dass bei einem kleinen Brennfleck die Schärfentiefe verringert wird, während die Anforderungen an die Genauigkeit der Fokusposition entsprechend erhöht werden.

Einfach ausgedrückt ist die Verwendung einer dünnen Platte wie die Verwendung eines Nadelstifts, eine geringfügige Abweichung führt dazu, dass die Beschriftung unscharf wird. Aber die Bearbeitung dicker Platten wäre ungefähr mit der Verwendung eines großen Pinsels zu vergleichen, der viel größere Pinselstriche hinterlässt . Sie ist fehlertolerant, aber man muss viel Kraft aufwenden, bevor das Schreibwerkzeug über das Papier hinauskommt.

Technische Umsetzung

• Dünne Platten (1 mm Edelstahl): Um die Fokusposition im Bereich von ±0,20 mm zu fixieren, ist eine Höhenänderungserkennung mit kapazitiven Sensoren im Millisekundenbereich erforderlich.
• Dickes Blech (20 mm Kohlenstoffstahl): Durch die Konzentration auf das untere Drittel des Blechs wird die Energie konzentriert, was zu einer breiteren Schnittfuge nahe der Unterseite führt.
• JS Precision 12-kW-Faserlasersystem: Es verwendet einen optischen Zoom, um die Fokusmodi in 30 ms umzuschalten und ermöglicht den Wechsel zwischen dünnen und dicken Platten , ohne die Arbeitseinstellungen zu ändern .

ISO 9013:2017 sagt: Im Bereich 2 beträgt die Toleranz für Rechtwinkligkeit oder Winkligkeit u = 0,15 + 0,007a mm und die durchschnittliche Rauheit beträgt Rz5 = 40 + 0,8a μm.

JS Precision hat Maßnahmen ergriffen, um die Norm zu erfüllen, indem es die Qualitätsstufe ISO 9013 Bereich 2 für Bleche mit einer Dicke von mehr als 12 mm anstrebt, z. B. im Fall von 20 mm Kohlenstoffstahl u≤0,29 mm und Rz5≤56 μm.

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Abbildung 1: Vergleich der Fokustoleranz beim Laserschneiden zwischen dünnen und dicken Metallplatten.

Wie wirkt sich die Fokusabweichung direkt auf die Ausbeute beim Präzisionslaserschneiden in dünnen Metallen aus?

In Hochpräzises Laserschneiden Eine optische Fokusverschiebung von mehr als ±0,15 mm kann die Punktgröße um das bis zu 1,2-fache vergrößern, die Schnittfuge um 15–30 % verbreitern und thermische Kantenverzerrungen verursachen , was wiederum zu einer Verringerung der Chargenausbeute um 12–25 % führt.

Driftrichtung und Fehlermechanismen

• Positiver Brennpunktdrift: Oberflächenschmelzen und Überbrennen aufgrund einer Brennpunktverschiebung, am häufigsten bei rostfreien Stählen und (Aluminiumlegierungs-)Blechen mit einer Dicke von 0,5 bis 3,0 mm zu beobachten.
• Negative Fokusdrift: Mikrograte an der Unterkante führen zu diesem Problem und können die Qualität der anschließenden Montage und des Schweißens beeinträchtigen.
• JS Precision Team-Praxis: Nach etwa 45-minütigem ununterbrochenem Schneiden auf 1,2 mm dickem Edelstahl der Güteklasse 304 sammelte sich Staub auf dem kapazitiven Sensor, was zu einer langsameren Nachführung und einer Verschiebung des Brennpunkts um 0,22 mm nach oben führte. Von den 800 hergestellten Stücken wiesen 96 einen sehr breiten Schnitt von 0,22 mm (Standard ≤ 0,18 mm) auf, was die Ausbeute auf 88 % senkte . Nach der Reinigung der Sensoren wurde die dynamische Nachführung des 200-m/min-Systems zurückgesetzt, so dass die Fokuspositionsschwankungen innerhalb von ±0,02 mm blieben und die Ausbeute wieder auf 98,7 % stieg.

Vergleich von Fokusabweichung, Schnittfugenbreite und thermischer Verformung

Datenquelle: International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Bd. 132, 2025.

Wenn Ihre Dünnblechteile eine stabile Ausbeute mit einem Cpk≥1,33 erzielen können, wenden Sie sich an die Ingenieure von JS Precision, um die hochpräzisen, kundenspezifischen Dünnblechbearbeitungslösungen des Unternehmens zu entdecken und ein sofortiges Angebot zu erhalten.

Abbildung 2: Präzises Laserschneiden von dünnen Metallen, die Auswirkungen von Fokusabweichungen auf die Qualität zeigen.

Wie beeinflusst eine negative Defokussierung die Kantenverjüngung und die Bartbildung beim Laserschneiden dicker Platten?

Dickere Platten Brenntoleranz beim Laserschneiden wird durch eine negative Defokussierung bestimmt: Eine Verlagerung des Fokus nach unten auf -5,0–8,0 mm führt zu einer größeren unteren Schnittfuge, doch 15–18 Bar Gas entfernt die Schlacke vollständig und hält den Abschrägungswinkel auf weniger als 0,5° gemäß ISO 9013 Bereich 2.

Unterschiede im negativen Fokus zwischen dickem Kohlenstoffstahl und dickem Edelstahl

1. Dicker Kohlenstoffstahl (Sauerstoffschneiden): Der Schnitt wird mit einem Fokuspunktabstand von durchschnittlich -4,0 mm zwischen -3,0 mm und -5,0 mm durchgeführt, was bedeutet, dass die Unterseite des Schnitts von der höchsten Energiekonzentration profitiert, die durch den exothermen Sauerstoffverbrennungsprozess entsteht.
2. Dicker Edelstahl (Stickstoffschneiden): Da die einzige Quelle des Metallschmelzens der Strahl ist, muss die Einstellung des Brennpunkts mit höchster Präzision erfolgen, um die beste Ergebnisqualität zu erzielen. Das bedeutet, dass die Schärfentiefe ziemlich tief sein muss, von -5,0 mm bis -8,0 mm.
3. Gemessene Daten: In unseren praktischen Aufzeichnungen haben wir herausgefunden, dass jede Verschiebung der Fokusposition um 1,00 mm nach oben zu einer Verdoppelung der Kosten für die manuelle Schlackenreinigung führt, während sich der Fasenwinkel der Schnittfläche um 0,8 erhöht.

AWS D1.1/D1.1M:2020 Im Abschnitt zur Verbindungsvorbereitung heißt es ganz klar: Durch thermische Verfahren geschnittene Oberflächen müssen frei von losen Schlackenkerben oder Rillen sein, die bei einer Tiefe von 5 mm bearbeitet oder geschliffen werden müssen.

Der Laserschneidservice von JS Precision verwendet eine unter Druck stehende Ringdüse und eine tiefe negative Fokuspositionstechnik. Unsere Aufzeichnung zeigt, dass wir bei Beibehaltung der Fokusposition auf -6,5 mm und einem Stickstoffdruck von 18 bar keine Bodenschlackenanhaftung in Kombination mit einem Abschrägungswinkel von 0,4° erreichten, was vollständig den Anforderungen von AWS D1.1/D1.1M:2020 entspricht.

Vergleich der Fokusposition mit der Schnittflächenqualität

Datenquelle: Handbuch des Laser Institute of America (LIA), Ausgabe 2025.

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Abbildung 3: Laserschneiden von dickem Metall mit negativen Defokuseffekten auf die Kantenverjüngung.

Wie kann die durch thermische Linsen beim Hochleistungslaserschneiden verursachte Fokusverschiebung überwunden werden?

Hochpräzises Laserschneiden mit Laserleistungen zwischen 10 und 30 kW, kann jedoch durch thermische Linsenwirkung beeinflusst werden: Durch die heiße Linse wird der Brennpunkt tatsächlich um 1,5 bis 3,0 mm erhöht , was nach 30 Minuten zu einer schlechten Schnittqualität und einer Verringerung der Ausbeute um 18 % führt.

Physikalische Ursachen des thermischen Linseneffekts

1. Kontamination der Schutzlinse: Wenn Mikrodefekte in der Beschichtungsschicht auftreten, wird die Absorptionsfläche größer, sodass mehr Laserlicht gesammelt werden kann , wodurch lokale Hotspots entstehen.
2. Wärmeausdehnung der Fokussierungslinse: Im Fall eines Quarzglassubstrats beträgt der thermooptische Koeffizient (dn/dT) etwa 1,2×10−6/K . Obwohl diese Zahl sehr klein erscheint, kann diese Ausdehnung bei großer Leistungsdichte dazu führen, dass sich die Linse wie eine konvexe Linse verhält.

Das dreistufige Schadensbegrenzungssystem von JS Precision

1. Linsen aus Quarzglas mit geringer Absorption: Sie senken die Absorptionsrate von 0,5 % auf 0,15 % und minimieren so die thermische Linsenbildung von der Wurzel her.
2. Temperatursensoren und thermische Kompensationsalgorithmen: Sie überwachen die Temperatur kontinuierlich und passen die Position der Fokuslinse dynamisch alle 1/5000 Sekunde (5 kHz) an.
3. Wassergekühlte Regelung mit geschlossenem Regelkreis: Die Temperatur des Linsenhalters wird bei etwa 22 ± 0,5 °C gehalten, so dass die thermische Ausdehnung der Linse konstant bleibt.

Diese Standardarbeitsanweisungen für die Hardwarewartung bei JS Precision in unserem Laserschneidservice spielen eine grundlegende Rolle dabei, die Qualität jeder Produktcharge auf einem konstanten Niveau zu halten.

Abbildung 4: Hochleistungslaserschneiden unter Berücksichtigung der Fokusverschiebung durch thermische Linseneffekte.

Was ist die empirische Vergleichsmatrix für die Laserschneidparameter dünner und dicker Platten?

Laserschneiden dünner und dicker Platten Empirische Daten zeigten, dass 1,5-mm-Aluminium mit 28 m/min geschnitten wurde, wobei der Fokus auf der Oberfläche lag, während 20-mm-Edelstahl zum Schneiden mit 0,8 m/min einen Fokus auf -6,5 mm Tiefe erforderte . Durch die Harmonisierung der Fokustiefe und der Gasdynamik können die Bearbeitungskosten um 20 % gesenkt werden.

Vergleichsmatrix für werkseitig gemessene Parameter

Datenquelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Technischer Bericht TR-2025-07.

Wärmeleitfähigkeit des JS Precision-Materials:

• Wärmeleitendes Material (z. B. Aluminium, Kupfer): Aufgrund der geringen Tiefenschärfe benötigt das Werkstück einen winzigen Brennpunkt und einen hohen Gasdruck.
• Wärmeleitfähigkeit des Materials (z. B. Edelstahl, Kohlenstoffstahl): Das Fenster für die Fokustiefe ist groß und selbst bei einer tiefen negativen Fokusposition in Kombination mit mittlerem bis niedrigem Druck reicht dies aus.
• Die Wärmeleitfähigkeit des Materials korreliert umgekehrt mit der Fokustoleranz: Die Wärmeleitfähigkeit ist das Gegenteil der Fokustoleranz, d. h. je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto enger ist das Fenster akzeptabler Fokuspositionen.

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Wie kann die Laserschneidausbeute durch Brenntoleranz und dynamische Synergien des Düsengases optimiert werden?

Der Ertrag kann durch gesteigert werden Lösungen für das industrielle Laserschneiden durch Punktdurchmesser, Düsenöffnung und Überschallgasströmung . Die Geometrie des Schmelzbads wird durch die Fokusposition bestimmt, während die Art des Gases darüber entscheidet, ob die Schlacke innerhalb von 5 Millisekunden entfernt wird.

Einfluss der Düsenhöhe und des Gasströmungsfeldes auf die Stabilität der Brennebene

• Die Düsenhöhe (0,5, 1,0 mm) wirkt sich direkt auf die Stabilität der Fokusebene aus: Eine höhere Düsenhöhe führt zu einer Divergenz des Gasstroms, eine niedrigere Höhe könnte dazu führen, dass die Düse zu nahe an das Werkstück herankommt.
• Brechende Strahlstörung durch Turbulenzen bei 20 bar Stickstoffdruck: JS Precision reduziert turbulente Störungen durch den Einsatz raffinierter koaxialer Gasströmungslösungen.

3-stufige SOP zur Fehlerbehebung vor Ort bei Fokus und Düsenausrichtung

• Überprüfung des Rotlichtfokus: Verwenden Sie einen Rotlichtindikator, um den optischen Pfad so zu kalibrieren, dass der mechanische Positionsfehler des Fokuspunkts entlang der Z-Achse ≤0,05 mm beträgt.
• Prüfung der Konzentrizität der Düse: Ziehen Sie den Stecker der Düse ab und überprüfen Sie sie mit einem Konzentrizitätsmessgerät. Stellen Sie dabei sicher, dass die Koaxialität zwischen Strahl und Düsenbohrung 0,03 mm nicht überschreitet .
• Stufenschnitttest: Führen Sie Stufenschnitte an Materialresten im Bereich von -3 mm bis +3 mm durch ( in Schritten von 0,5 mm ), ermitteln Sie, welcher Fokuswert die flachste Schnittfläche ergibt, und speichern Sie ihn in der Prozessbibliothek.

JS Precision-Fallstudie: Erzielen enger Toleranzen bei Kühlplatten für Elektrofahrzeugbatterien mithilfe der Fokussteuerung

JS Precision hat von einem Tier-1-Unternehmen 1,5 mm starke EV-Batteriekühlplatten aus Aluminium (3003-H14) hergestellt. Es wurde eine dynamische Fokustoleranzkompensation verwendet, die dazu führte, dass lokale Merkmalstoleranzen auf ±0,005 mm begrenzt wurden und die Ausbeute deutlich von 78 % auf 99,2 % anstieg.

Kundenherausforderungen

• Beim Schneiden von 120 Mikrolöchern (1,2 mm Durchmesser) verursachte ein Hitzestau örtliche Schäden, die zu einer Verformung der Kühlplatte um 1,8 mm führten.
• Methoden mit festem Fokus erzeugten übermäßig viele Mikrolochgrate , die nicht den Anforderungen entsprachen Laserschweißen Erfordernis.

JS-Präzisionslösung

Entwickelt nach internen Testergebnissen (Bericht 2025-TR08):

• Einsatz eines Verbundstrahllasers, um die Brennfleckgröße auf 0,04 mm zu verringern .
• Einführung eines 500-Hz-Live-Höhenverfolgungssystems sowie einer Software zur Korrektur der Fokustiefe, wodurch Fokusschwankungen innerhalb von ±0,05 mm gehalten werden.
• Um den lokalen Wärmestau in Grenzen zu halten, wurde ein springender, segmentierter Pulspfad eingeführt.

Lehren aus anfänglichen Fehlschlägen

Gegendrücke, die durch den Anstieg des Stickstoffdrucks von 14 bar auf 20 bar während des ersten Tests entstanden, waren ein Grund für verstärkte Vibrationen, die sich auf die dünne (1,5 mm) Aluminiumplatte auswirkten . Eine Fokusverschiebung von 0,30 mm und die Schädigung von 200 Probeneinheiten waren die Folge. Nach Abschluss dieser Lernphase entwarf das Unternehmen eine Standardarbeitsanweisung (SOP), in der festgelegt wurde, dass Gasdruckschwankungen zusammen mit den Änderungen der Fokustiefe vorgenommen werden sollten.

Endgültige Ergebnisse

• Die Positionsgenauigkeit für 120-Mikrometer-Löcher betrug ±0,005 mm.
• Die Ra-Oberflächenrauheit betrug <1,6 μm (Mikrometer) und die thermische Verformung betrug <0,10 mm.
• 3,0 MPa Luftdichtheitstest bestanden, Qualitätsverbesserung von 78 % auf 99,2 %.

Leiden Ihre hochpräzisen Produkte unter einer geringen Produktionsausbeute und sind auch von einem Fokusproblem betroffen? JS Precision kann Ihnen einen maßgeschneiderten Laserschneidservice anbieten und Ihnen eine kostenlose DFM-Bewertung geben.

Warum sollten Sie JS Precision als Ihren Präzisions-Laserschneidpartner für komplexe Projekte wählen?

Entscheiden Sie sich für JS Precision als Ihr Präzisions-Laserschneidservice Als Partner erhalten Sie ein Team mit mehr als 15 Jahren Erfahrung, High-End-Faserlasermaschinen und einem ISO 9013-Qualitätsmanagementsystem , das eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit und Kostenreduzierung garantiert.

• Ausrüstung und Inspektionsmöglichkeiten: JS Precision ist mit intelligenten Laserschneidmaschinen mit 12 kW bis 30 kW und Autofokusfunktion für verschiedene Materialstärken von 0,1 mm bis 30 mm ausgestattet. Wir verwenden Zeiss-KMG, optische 2D-Projektoren und eine Schnittfugenqualitätsprüfung nach ISO 9013. Das Unternehmen ist doppelt zertifiziert nach ISO 9001:2015 für Qualitätsmanagement und IATF 16949:2016 für Automobilzulieferer.
• Servicevorteile: Individuelle Angebote inklusive DFM-Analysen innerhalb von 24 Stunden . Musterfertigung und Lieferung in drei Tagen . Die Bearbeitungszeit von der Lieferung der ersten bis zur letzten Charge beträgt 5–7 Werktage und das Werk akzeptiert nur Bestellmengen ab 1 Stück.

FAQs

F1: Was ist die Fokustoleranz beim Laserschneiden und warum ist sie für die Teileausbeute entscheidend?

Im Allgemeinen ist die Brennpunkttoleranz der maximal zulässige Fehler bei der Ausrichtung des Brennpunkts des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche. Durch die Feinsteuerung der Position werden Schnittfugen und Schlacke begrenzt. Bitte Laden Sie Ihr Design hoch Wenden Sie sich an JS Precision, um ein Angebot und eine DFM-Bewertung (Design for Manufacturing) zu erhalten.

F2: Wie unterscheidet sich die Fokusposition beim Laserschneiden dünner und dicker Metallplatten?

Dünne Bleche ≤3 mm werden üblicherweise mit dem Laser bei Null oder negativem Fokus (0 -1,0 mm) geschnitten, wohingegen das Laserschneiden von dicken Blechen ≥12 mm einen sehr tiefen negativen Fokus (-8,0 mm) erfordert, wodurch das Metall in Form von geschmolzenen Tropfen austreten kann.

F3: Wie eliminiert JS Precision die thermische Linsenbildung beim kontinuierlichen Hochleistungslaserschneiden?

JS Precision verwendet hochtransparente Optik, Temperatursensoren und Autofokus-Software, um den Fokus der thermischen Bewegung über 24-Stunden-Produktionsläufe bei Laserleistungen über 15 kW innerhalb von ±0,10 mm zu halten.

F4: Welche Laserschneidtoleranzen kann JS Precision für die kundenspezifische Metallfertigung erreichen?

Bei dünnen Materialien betragen die maximal zulässigen Maßabweichungen: lineare Toleranz ±0,02 mm und örtliche Lagetoleranz 0,005 mm . Bei dicken Platten bleibt die Rechtwinkligkeit der Schneidkante gemäß ISO 9013 Bereich 2 (±0,10–0,25 mm) erhalten.

F5: Welche Faktoren beeinflussen den Preis und das Angebot für den kundenspezifischen Laserschneidservice bei JS Precision?

Die Servicegebühren variieren je nach Materialspezifikation, Blechdicke, Länge des Laserschneidpfads, der Art des verwendeten Hilfsgases und der Maßtoleranz. JS Precision bietet ein direktes Preisangebot ab Werk ohne zusätzliche Kosten.

F6: Warum verursacht eine falsche Fokuseinstellung Bodenschlacke auf dicken Edelstahlplatten?

Wenn die Fokuseinstellung nicht negativ (oder zu nahe) ist, wird die Laserstrahlleistung gestreut, bevor sie die untere Schicht des Blattes erreicht. Der hochkomprimierte Stickstoff ist nicht in der Lage, das flüssige Metall vollständig auszuspülen, was zur Bildung von Bodenschlacke führt, die manuell entfernt werden muss.

F7: Wie schnell kann ich ein Angebot zum Laserschneiden von JS Precision erhalten?

Senden Sie JS Precision Ihre technischen Dateien und unsere Ingenieure werden innerhalb von 12 bis 24 Stunden umgehend mit DFM-Vorschlägen, Preisen und anderen Details antworten.

F8: Können kapazitive Höhensensoren dynamische Fokustoleranzanpassungen vollständig ersetzen?

Das einzige, was kapazitive Sonden tun können, ist , den Spalt zwischen Düse und Platte konstant zu halten . Wenn eine Fokusdrift intern auftritt, beispielsweise durch eine erhitzte Linse oder die Divergenz des Strahls, können diese Sonden diese nicht korrigieren. Zusammen muss ein dynamisches Autofokussystem verwendet werden.

Zusammenfassung

Beim präzisen Laserschneiden kommt es auf die Feinabstimmung zwischen der Genauigkeit der Brennebene bei dünnen Blechen und der Energiedurchdringung bei dicken Metallen an. Dünne Metalle erfordern eine Verfolgung und Fokussierung im Millisekundenbereich, um enge Toleranzen zu erreichen , während dicke Brammen tief auf Negativ fokussiert sind und zum Abschneiden der Schlacke auf einen Luftstrom angewiesen sind. Der Umgang mit der thermischen Linsendrift und die Anpassung an die Materialeigenschaften gehören zu den Herausforderungen einer fehlerfreien Massenproduktion.

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