Glasschneiden wird von vielen Laserunternehmen als großer Markt gesehen. Meist geht es um Produkte

Glasschneiden wird von vielen Laserunternehmen als großer Markt gesehen. Meist geht es um Produkte für den Consumerbereich wie Smartphone- oder Tablet-Displays. - Bild: Rofin

Für die moderne Consumer-Industrie ist Glas das, was einst der Dampf für die Eisenbahn war: Unverzichtbar. Gebraucht wird es vor allem für Displays. Kein Smartphone, kein Tablet und kein Bildschirm kommt ohne hochmoderne und meist modular aufgebaute transparente Werkstoffe aus. Entsprechend hoch ist das Interesse der Industrie an der Glasbearbeitung.

Um Gläser für die consumerorientierte Industrie passgenau zu schneiden, setzt man auf ein Werkzeug, das mit dem transparenten Glas auf den ersten Blick gar nicht zurecht kommen kann: den Laser.

Wie funktioniert das Schneiden von Glas mit Laserstrahlen?

Normalerweise stellt Glas für die in der Regel infraroten Laserstrahlen kein Hindernis dar. Sie werden einfach absorbiert. Die Industrie macht sich beim Laserschneiden darum eine Besonderheit der in Piko- oder Femtosekunden gepulsten Laser zu Nutze: Die Photonendichte dieser Ultrakurzpulslaser (UKP) ist räumlich und zeitlich derart hoch, dass dies den Absorptionsmechanismus transparenter Materialien verändert. Damit kann nicht nur Glas, sondern auch Trendwerkstoffe wie Saphir bearbeitet werden.

Allerdings schneidet der Laserstrahl dabei nicht wie beispielsweise durch Edelstahl, sondern fokussiert einzelne Punkte im Inneren des Glases, modifiziert dort das Material und erzeugt eine dünne intrinsische Spannung an der gewünschten Kontur des Werkstücks. Diese Spannung lässt das Material exakt an dieser Stelle reißen – ohne Gratbildung oder Absplitterungen, was eine praktisch nachbearbeitungsfreie Weiterverwendung des Glases ermöglicht. Für die massenorientierte Consumerindustrie ist das Laserschneiden darum eine nicht zu unterschätzende Einsparmöglichkeit. Erste Pilotkunden in Asien schneiden als Test bereits ihr Glas mit Laserstrahlen.

  • Platz 10: Dank Multimaterialmix müssen in der Industrie immer öfter ungleiche Materialien sicher und dauerhaft verbunden werden. Das funktioniert entweder durch Kleben oder thermische Verfahren wie zum Beispiel Laserschweißen. Damit die Fügepartner ordentlich haften, muss die Oberfläche vorbehandelt werden. Mit UKP-Lasern lässt sich eine solche Aufrauhung von Metall- oder Keramikoberflächen vornehmen. Damit später alles dauerhaft hält.

    Platz 10: Dank Multimaterialmix müssen in der Industrie immer öfter ungleiche Materialien sicher und dauerhaft verbunden werden. Das funktioniert entweder durch Kleben oder thermische Verfahren wie zum Beispiel Laserschweißen. Damit die Fügepartner ordentlich haften, muss die Oberfläche vorbehandelt werden. Mit UKP-Lasern lässt sich eine solche Aufrauhung von Metall- oder Keramikoberflächen vornehmen. Damit später alles dauerhaft hält. – Bild: Pulsar Photonics

  • Platz 9: Glas ist an sich eine harte Nummer. Mit UKP-Lasern lässt es sich dennoch sauber schneiden. Die mechanische Belastung des Materials ist beim Laserschneiden von Glas mit einem Trumicro Ultrakurzpulslaser auf ein Minimum reduziert – es entstehen keine Risse an den Kanten. Dadurch müssen die geschnittenen Bauteile nicht mehr abgeschliffen werden.

    Platz 9: Glas ist an sich eine harte Nummer. Mit UKP-Lasern lässt es sich dennoch sauber schneiden. Die mechanische Belastung des Materials ist beim Laserschneiden von Glas mit einem Trumicro Ultrakurzpulslaser auf ein Minimum reduziert – es entstehen keine Risse an den Kanten. Dadurch müssen die geschnittenen Bauteile nicht mehr abgeschliffen werden. – Bild: Trumpf

  • Platz 8: Durch den Einsatz von UKP-Laserstrahlung können verschiedene Keramiken wie Zirkonoxid, Aluminiumoxid oder Siliziumcarbid, ohne Erzeugung von Rissen bearbeitet werden. Die Keramiken können beispielsweise produktiv und präzise getrennt, gebohrt oder strukturiert werden. Aufgrund herausragender thermischer, mechanischer, elektrischer und chemischer Eigenschaften finden keramische Werkstoffe zunehmend Anwendungen in Bereichen wie der Medizintechnik, dem Lager- und Dichtungsbau, dem Turbomaschinenbau und der Hochleistungselektronik.

    Platz 8: Durch den Einsatz von UKP-Laserstrahlung können verschiedene Keramiken wie Zirkonoxid, Aluminiumoxid oder Siliziumcarbid, ohne Erzeugung von Rissen bearbeitet werden. Die Keramiken können beispielsweise produktiv und präzise getrennt, gebohrt oder strukturiert werden. Aufgrund herausragender thermischer, mechanischer, elektrischer und chemischer Eigenschaften finden keramische Werkstoffe zunehmend Anwendungen in Bereichen wie der Medizintechnik, dem Lager- und Dichtungsbau, dem Turbomaschinenbau und der Hochleistungselektronik. – Bild: Fraunhofer ILT

  • Platz 7: Wenn es sehr präzise sein muss, sind UKP-Laser das geeignete Werkzeug. Sie werden daher gerne zum Mikrobohren genutzt. Im Bild zu sehen ist die UKP-Bearbeitung einer EWT-Zelle (Emitter-Wrap-Through) mit Bohrungsdurchmessern von 50 µm im Abstand von 0,5 mm. Zum Einsatz kommt die Methode in der Photovoltaikfertigung.

    Platz 7: Wenn es sehr präzise sein muss, sind UKP-Laser das geeignete Werkzeug. Sie werden daher gerne zum Mikrobohren genutzt. Im Bild zu sehen ist die UKP-Bearbeitung einer EWT-Zelle (Emitter-Wrap-Through) mit Bohrungsdurchmessern von 50 µm im Abstand von 0,5 mm. Zum Einsatz kommt die Methode in der Photovoltaikfertigung. – Bild: Fraunhofer ILT

  • Platz 6: Wenn eine Dichtung wenig Reibung verursacht, dann hält sie lange dicht. So einfach ist das. Damit das klappt, lassen sich die Gleitflächen von Gleitringdichtungen durch definierte Lasermikrostrukturen funktionalisieren. Auch diese Aufgabe übernehmen UKP-Laser. Insgesamt reduziert sich dadurch die Reibung ohne zusätzliche Leckagen in Gleitringdichtungen um bis zu 25 Prozen

    Platz 6: Wenn eine Dichtung wenig Reibung verursacht, dann hält sie lange dicht. So einfach ist das. Damit das klappt, lassen sich die Gleitflächen von Gleitringdichtungen durch definierte Lasermikrostrukturen funktionalisieren. Auch diese Aufgabe übernehmen UKP-Laser. Insgesamt reduziert sich dadurch die Reibung ohne zusätzliche Leckagen in Gleitringdichtungen um bis zu 25 Prozent. – Bild: Pulsar Photonics

  • Platz 5: Auch den Augenarzt können UKP-Laser unterstützen. Denn sie ermöglichen hochpräzise und schädigungsarme Schnitte im Auge. Chirurgen nutzen die Laser zum Beispiel bei einem der weltweit häufigsten chirurgischen Eingriffe - der Therapie des Grauen Stars. Aber auch neue Therapiemöglichkeiten gegen Altersweitsichtigkeit sind dank UKP-Lasern im Kommen. Die gute alte Lesebrille bekommt also ernsthafte Konkurrenz.

    Platz 5: Auch den Augenarzt können UKP-Laser unterstützen. Denn sie ermöglichen hochpräzise und schädigungsarme Schnitte im Auge. Chirurgen nutzen die Laser zum Beispiel bei einem der weltweit häufigsten chirurgischen Eingriffe - der Therapie des Grauen Stars. Aber auch neue Therapiemöglichkeiten gegen Altersweitsichtigkeit sind dank UKP-Lasern im Kommen. Die gute alte Lesebrille bekommt also ernsthafte Konkurrenz. – Bild: Pixaby/Account 422737

  • Platz 4: Höchste Präzision ist auch beim Bearbeiten von Leiterplatten gefragt. Genau das Richtige für UKP-Laser also. Die Leiterplatten müssen mehrere Schichten Leiterbahnen bei gleichzeitig geringer Dicke aufweisen. Für die Verbindung der Schichten werden sogenannte Microvias benötigt. Das sind feine, mit Kupfer galvanisierte Bohrlöcher. Diese lassen sich besonderes gut mit UKP-Lasern erzeugen.

    Platz 4: Höchste Präzision ist auch beim Bearbeiten von Leiterplatten gefragt. Genau das Richtige für UKP-Laser also. Die Leiterplatten müssen mehrere Schichten Leiterbahnen bei gleichzeitig geringer Dicke aufweisen. Für die Verbindung der Schichten werden sogenannte Microvias benötigt. Das sind feine, mit Kupfer galvanisierte Bohrlöcher. Diese lassen sich besonderes gut mit UKP-Lasern erzeugen. – Bild: Pulsar Photonics

  • Platz 3: Auch für eine homogene LED-Beleuchtung können UKP-Laser sorgen. Schuld daran ist eine funktionale Mikrostrukturierung. Der Ultrakurzpulslaser eignet sich aufgrund seiner hohen Strukturauflösung und schmelzfreien Bearbeitung besonders für die Einbringung formtreuer Streustrukturen, sodass die Lichtbrechung beziehungsweise die Helligkeit und der Intensitätsverlauf des Lichts absolut homogen erscheinen.

    Platz 3: Auch für eine homogene LED-Beleuchtung können UKP-Laser sorgen. Schuld daran ist eine funktionale Mikrostrukturierung. Der Ultrakurzpulslaser eignet sich aufgrund seiner hohen Strukturauflösung und schmelzfreien Bearbeitung besonders für die Einbringung formtreuer Streustrukturen, sodass die Lichtbrechung beziehungsweise die Helligkeit und der Intensitätsverlauf des Lichts absolut homogen erscheinen. – Bild: Pulsar Photonics

  • Platz 2: Auf diesem Bild zu sehen ist die nichtlineare Pulskompression in einer Multi-Pass-Zelle. Mit dieser werden die Pulse eines Yb-basierten Hochleistungs-Ultrakurzpulslasers verkürzt. Die erreichte Kombination aus Pulsdauer, Pulsenergie und Ausgangsleistung ist sowohl für Anwendungen in der UKP-Materialbearbeitung, die auf nichtlinearen Prozessen beruhen (Multi-Photonen-Absorption, Filamentierung), als auch für die Erzeugung von kohärenter EUV-Strahlung durch Frequenzkonversion von Interesse.

    Platz 2: Auf diesem Bild zu sehen ist die nichtlineare Pulskompression in einer Multi-Pass-Zelle. Mit dieser werden die Pulse eines Yb-basierten Hochleistungs-Ultrakurzpulslasers verkürzt. Die erreichte Kombination aus Pulsdauer, Pulsenergie und Ausgangsleistung ist sowohl für Anwendungen in der UKP-Materialbearbeitung, die auf nichtlinearen Prozessen beruhen (Multi-Photonen-Absorption, Filamentierung), als auch für die Erzeugung von kohärenter EUV-Strahlung durch Frequenzkonversion von Interesse. – Bild: Fraunhofer ILT

  • Platz 1: Ein wenig können UKP-Laser auch Leben retten. Zumindest fast, denn sie erleichtern die Produktion lebensrettender Stents. Mit den UKP-Lasern lassen sich die hochpräzisen Mikroschnitte in die Röhrchen einbringen, sodass die medizinischen Implantate später ordentlich ihren Dienst verrichten.

    Platz 1: Ein wenig können UKP-Laser auch Leben retten. Zumindest fast, denn sie erleichtern die Produktion lebensrettender Stents. Mit den UKP-Lasern lassen sich die hochpräzisen Mikroschnitte in die Röhrchen einbringen, sodass die medizinischen Implantate später ordentlich ihren Dienst verrichten. – Bild: Trumpf

Eines dieser Systeme ist die Top Cleave Schneidoptik von Trumpf. Sie soll die Materialmodifikation um das Hundertfache beschleunigen. Der Trick der Ditzinger: Die Optik verteilt die Intensität des Laserlichts gleichmäßig entlang der Strahlachse im Material. Auf diese Weise wird der Fokus in die Länge gezogen und aus dem Fleck wird eine Fokuslinie.

Damit rastern die Pulse das Glas nicht mehr Ebene für Ebene durch, sondern modifizieren mit einer einzigen Überfahrt – je nach Pulsenergie – die komplette innere Trennfläche einer bis zu 700 µm dicken Scheibe. Laut dem Unternehmen kommt die neue Optik mit dem hauseigenen TruMicro Laser bei dieser Dicke auf eine Trenngeschwindigkeit von bis zu 1 m/s; 100 Mal schneller als ohne.

Das Flaggschiff unter den TruMicro Lasern ist der 5080: Er liefert laut Unternehmen bis zu 1000 kHz Repetitionsrate und maximal 500 µJ starke Pulse. Der Laser verfügt über 150 Watt mittlere Leistung, die mit der neuen Optik seine Leistung auf einer so langen Fokuslinie verteilen, dass das Laserlicht Gläser mit einer Dicke von mehr als einem Millimeter modifizierend trennt.

Welche Vorteile hat die Glasbearbeitung mit dem Laser?

Auch bei Rofin ist das Laserschneiden von Glas ein großes Thema. Das Unternehmen hat dazu das SmartCleave FI-Verfahren entwickelt. Laut dem Unternehmen handelt es sich dabei um einen spaltfreien Trennprozess für chemisch oder thermisch gehärtetes und ungehärtetes Material von 100 µm bis 10 mm Dicke und für andere spröde Materialien. Das Verfahren bietet demnach Schnittgeschwindkeiten von mehr als 300 mm/s. Es eignet sich für gerade, kurvige, geneigte oder angefaste Konturen gleichermaßen wie für das Schneiden von Rohren, gekrümmten Oberflächen oder geschichteten Gläsern.

Video: So schneiden Laser durch Glas

Dabei biete das Laserschneiden Oberflächenqualitäten mit minimaler Bildung von Mikrorissen und einer Oberflächenrauheit Ra < 1 µm. Mit SmartCleave FI geschnittene Teile behalten demnach ihre hohe Biegebruchfestigkeit und benötigen lediglich minimale Nachbearbeitung. Als Strahlquelle setzt Rofin dabei auf den Ultrakurzpuls-Laser StarPico mit 15 ps und 50 W.

Dabei bauen sowohl der StarFemto und StarPico auf Rofins weiterentwickelter Hybrid MOPA Technologie auf. Sie eignen sich laut Unternehmen zum Schneiden verschiedenster Materialien wie Edelstahl, auch von spröden Werkstoffen wie Glas oder Saphir, und zum hochpräzisen Bohren verschiedenster Bohrloch-Geometrien, genauso wie für Strukturieraufgaben im Mikrometer-Bereich, den selektiven Schichtabtrag oder das Markieren.

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Andere Lasertypen haben den CO2-Laser teilweise aus traditionellen Anwendungen verdrängt. Unbeeindruckt davon erschließt sich das ‚zuverlässige Arbeitspferd‘ ständig neue Aufgabenfelder. Er bleibt ein echter Tausendsassa.

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