Untersuchung des aktuellen Stands und des Potenzials der Glaslaserbearbeitung

Die Lasertechnologie hat sich im letzten Jahrzehnt rasant entwickelt, vor allem im Bereich der Metallbearbeitung. Laserschneiden, Laserschweißen und Laserauftragschweißen zählen zu den wichtigsten Verfahren der Metallbearbeitung. Mit zunehmender Konzentration hat sich jedoch die Homogenisierung der Laserprodukte deutlich verstärkt, was das Wachstum des Lasermarktes hemmt. Um sich weiterzuentwickeln, müssen Laseranwendungen daher auf neue Materialbereiche ausgeweitet werden. Nichtmetallische Werkstoffe, die sich für die Laseranwendung eignen, sind beispielsweise Textilien, Glas, Kunststoffe, Polymere und Keramik. Jedes dieser Materialien findet in verschiedenen Branchen Anwendung, doch existieren bereits ausgereifte Bearbeitungstechniken, sodass der Ersatz durch Laser nicht ohne Weiteres möglich ist.

Um in den Bereich der nichtmetallischen Werkstoffe einzusteigen, muss analysiert werden, ob eine Laserinteraktion mit dem Material möglich ist und ob unerwünschte Reaktionen auftreten können. Glas erweist sich derzeit als wichtiges Anwendungsgebiet mit hoher Wertschöpfung und großem Potenzial für die Laserbearbeitung in Serienfertigung.

Großer Raum für Glaslaserschneiden

Glas ist ein wichtiger Industriewerkstoff, der in verschiedenen Branchen wie der Automobil-, Bau-, Medizin- und Elektronikindustrie eingesetzt wird. Seine Anwendungsgebiete reichen von optischen Filtern im Mikrometerbereich bis hin zu großflächigen Glasscheiben, die beispielsweise in der Automobil- oder Bauindustrie Verwendung finden.

Glas lässt sich in verschiedene Kategorien einteilen, darunter optisches Glas, Quarzglas, mikrokristallines Glas, Saphirglas und weitere. Seine Sprödigkeit ist ein wesentliches Merkmal und stellt traditionelle Verarbeitungsmethoden vor große Herausforderungen. Herkömmliche Glasschneidverfahren verwenden typischerweise Werkzeuge aus Hartmetall oder Diamant, wobei der Schneidprozess in zwei Schritte unterteilt ist. Zunächst wird mit einem diamantbestückten Werkzeug oder einer Hartmetall-Schleifscheibe ein Riss in die Glasoberfläche eingebracht. Anschließend wird das Glas entlang der Risslinie mechanisch getrennt. Diese traditionellen Verfahren weisen jedoch deutliche Nachteile auf. Sie sind relativ ineffizient, was zu unebenen Kanten führt, die oft ein Nachpolieren erfordern, und es entsteht viel Staub und Schmutz. Darüber hinaus sind traditionelle Methoden für Aufgaben wie das Bohren von Löchern in der Mitte von Glasscheiben oder das Schneiden unregelmäßiger Formen recht schwierig. Hier zeigen sich die Vorteile des Laserschneidens von Glas. Im Jahr 2022 belief sich der Umsatz der chinesischen Glasindustrie auf rund 744,3 Milliarden Yuan. Die Verbreitung der Laserschneidtechnologie in der Glasindustrie befindet sich noch in der Anfangsphase, was auf ein erhebliches Anwendungspotenzial der Laserschneidtechnologie als Ersatz hindeutet.

Glaslaserschneiden: Von Mobiltelefonen aufwärts

Beim Glaslaserschneiden wird häufig ein Bézier-Fokussierkopf eingesetzt, um Laserstrahlen mit hoher Spitzenleistung und Dichte im Glas zu erzeugen. Durch die Fokussierung des Bézier-Strahls im Glas verdampft das Material schlagartig und bildet eine Verdampfungszone, die sich rasch ausdehnt und Risse an der Ober- und Unterseite verursacht. Diese Risse bilden den Schnittbereich, der aus unzähligen winzigen Poren besteht und so das Durchtrennen von äußeren Spannungsrissen ermöglicht.

Dank bedeutender Fortschritte in der Lasertechnologie haben sich auch die Leistungsstufen deutlich erhöht. Ein grüner Nanosekundenlaser mit über 20 W Leistung kann Glas effektiv schneiden, während ein ultravioletter Pikosekundenlaser mit über 15 W Leistung Glas mit einer Dicke von unter 2 mm mühelos durchtrennt. Es gibt chinesische Unternehmen, die Glas bis zu einer Dicke von 17 mm schneiden können. Das Laserschneiden von Glas zeichnet sich durch hohe Effizienz aus. Beispielsweise dauert das Schneiden eines 10 cm durchmessenden Glasstücks aus 3 mm dickem Glas mit dem Laser nur etwa 10 Sekunden, im Vergleich zu mehreren Minuten mit mechanischen Messern. Die Schnittkanten sind glatt und weisen eine Schnittgenauigkeit von bis zu 30 µm auf, wodurch die Nachbearbeitung bei gängigen Industrieprodukten entfällt.

Das Laserschneiden von Glas ist eine relativ neue Entwicklung, die vor etwa sechs bis sieben Jahren begann. Die Mobiltelefonindustrie gehörte zu den Pionieren und nutzte das Laserschneiden für Kameraglasabdeckungen. Mit der Einführung eines Laserschneidgeräts, das nahezu unsichtbar arbeitet, erlebte die Branche einen regelrechten Boom. Dank der zunehmenden Beliebtheit von Smartphones mit Vollbild-Display hat das präzise Laserschneiden ganzer großflächiger Glasscheiben die Kapazität der Glasverarbeitung deutlich gesteigert. Laserschneiden ist mittlerweile Standard bei der Bearbeitung von Glaskomponenten für Mobiltelefone. Dieser Trend wurde vor allem durch automatisierte Anlagen zur Laserbearbeitung von Handy-Abdeckgläsern, Laserschneidgeräte für Kameraschutzlinsen und intelligente Anlagen zum Laserbohren von Glassubstraten vorangetrieben.

Die Herstellung von elektronischen Bildschirmen in Autos erfolgt zunehmend per Laserschneiden.

Fahrzeugbildschirme benötigen große Mengen an Glasscheiben, insbesondere für zentrale Bedienelemente, Navigationssysteme, Dashcams usw. Viele Elektrofahrzeuge sind heutzutage mit intelligenten Systemen und übergroßen zentralen Bedienelementen ausgestattet. Intelligente Systeme gehören mittlerweile zum Standard in der Automobilindustrie, wobei große und mehrere Bildschirme sowie 3D-gebogene Bildschirme immer häufiger zum Markt gehören. Glasabdeckungen für Fahrzeugbildschirme sind aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften weit verbreitet, und hochwertiges gebogenes Bildschirmglas kann der Automobilindustrie ein noch besseres Nutzererlebnis bieten. Die hohe Härte und Sprödigkeit von Glas stellen jedoch eine Herausforderung für die Verarbeitung dar.

Autoglasscheiben erfordern höchste Präzision, und die Toleranzen der montierten Bauteile sind sehr gering. Große Maßabweichungen beim Zuschnitt von quadratischen/stabförmigen Scheiben können zu Montageproblemen führen. Herkömmliche Bearbeitungsverfahren umfassen mehrere Schritte wie das Trennschleifen, manuelles Brechen, CNC-Formen und Anfasen. Da es sich um mechanische Bearbeitung handelt, ist sie mit Problemen wie geringer Effizienz, schlechter Qualität, niedriger Ausbeute und hohen Kosten verbunden. Nach dem Trennschleifen kann die CNC-Bearbeitung einer einzelnen Abdeckung für die Mittelkonsole bis zu 8–10 Minuten dauern. Mit ultraschnellen Lasern von über 100 W kann eine 17 mm dicke Scheibe in einem Arbeitsgang geschnitten werden. Die Integration mehrerer Produktionsprozesse steigert die Effizienz um 80 %, wobei ein Laser 20 CNC-Maschinen entspricht. Dies verbessert die Produktivität erheblich und senkt die Stückkosten.

Weitere Anwendungen von Lasern in Glas

Quarzglas besitzt eine einzigartige Struktur, die das Trennen mit Lasern erschwert. Femtosekundenlaser hingegen können zum Ätzen von Quarzglas eingesetzt werden. Dies ist eine Anwendung von Femtosekundenlasern für die Präzisionsbearbeitung und das Ätzen von Quarzglas. Die Femtosekundenlasertechnologie ist eine sich in den letzten Jahren rasant entwickelnde, fortschrittliche Bearbeitungstechnologie mit extrem hoher Präzision und Geschwindigkeit. Sie ermöglicht das Ätzen und Bearbeiten verschiedenster Materialoberflächen im Mikrometer- bis Nanometerbereich. Die Laserkühltechnologie passt sich den sich ändernden Marktanforderungen an. Als erfahrener Hersteller von Kältemaschinen, der seine Technologie stetig weiterentwickelt, … Wasserkühler Die Produktionslinien entsprechen den Markttrends. Die Ultrakurzzeit-Laserkühler der CWUP-Serie des Herstellers TEYU bieten effiziente und stabile Kühllösungen für Pikosekunden- und Femtosekundenlaser mit bis zu 60 W.

Das Laserschweißen von Glas ist eine neue Technologie, die sich in den letzten zwei bis drei Jahren, zunächst in Deutschland, entwickelt hat. Bislang beherrschen in China nur wenige Unternehmen, wie beispielsweise Huagong Laser, das Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics und Harbin Hit Weld Technology, diese Technologie. Durch die Einwirkung von Hochleistungslasern mit ultrakurzen Pulsen können die von den Lasern erzeugten Druckwellen Mikrorisse oder Spannungskonzentrationen im Glas erzeugen, wodurch die Verbindung zwischen zwei Glasscheiben gefördert wird. Das verschweißte Glas ist sehr fest, und es ist bereits möglich, dichte Verbindungen zwischen 3 mm dickem Glas herzustellen. Zukünftig konzentrieren sich Forscher auch auf das Auftragschweißen von Glas mit anderen Materialien. Aktuell werden diese neuen Verfahren noch nicht in großem Umfang eingesetzt, aber sobald sie ausgereift sind, werden sie zweifellos in einigen anspruchsvollen Anwendungsbereichen eine wichtige Rolle spielen.