Erkundung des aktuellen Status und Potenzials der Glaslaserbearbeitung

Die Laserfertigungstechnologie hat im letzten Jahrzehnt eine rasante Entwicklung durchgemacht. Ihre Hauptanwendung ist die Laserbearbeitung von Metallmaterialien. Zu den wichtigsten Verfahren der Metall-Laserbearbeitung zählen das Laserschneiden, Laserschweißen und das Laserauftragschweißen von Metallen. Mit der zunehmenden Konzentration kommt es jedoch zu einer starken Vereinheitlichung der Laserprodukte, was das Wachstum des Lasermarktes einschränkt. Um den Durchbruch zu erzielen, müssen Laseranwendungen auf neue Materialbereiche ausgedehnt werden. Zu den für die Laseranwendung geeigneten nichtmetallischen Materialien gehören Stoffe, Glas, Kunststoffe, Polymere, Keramik und mehr. Jedes Material betrifft mehrere Industriezweige, doch es gibt bereits ausgereifte Verarbeitungstechniken, sodass die Lasersubstitution keine leichte Aufgabe ist.

Um in den Bereich nichtmetallischer Werkstoffe einzusteigen, muss analysiert werden, ob eine Laserinteraktion mit dem Material möglich ist und ob unerwünschte Reaktionen auftreten. Derzeit sticht Glas als wichtiger Bereich mit hoher Wertschöpfung und Potenzial für Anwendungen zur Batch-Laserverarbeitung hervor.

Großer Raum zum Laserschneiden von Glas

Glas ist ein wichtiger Industriewerkstoff, der in zahlreichen Branchen wie der Automobil-, Bau-, Medizin- und Elektronikindustrie verwendet wird. Die Anwendungsbereiche reichen von kleinen optischen Filtern im Mikrometerbereich bis hin zu großen Glasplatten, die in der Automobil- und Bauindustrie zum Einsatz kommen.

Glas kann in optisches Glas, Quarzglas, mikrokristallines Glas, Saphirglas und mehr kategorisiert werden. Die wesentliche Eigenschaft von Glas ist seine Sprödigkeit, die herkömmliche Verarbeitungsverfahren vor große Herausforderungen stellt. Bei herkömmlichen Glasschneideverfahren werden üblicherweise Werkzeuge aus Hartlegierungen oder Diamanten verwendet, wobei der Schneidvorgang in zwei Schritte unterteilt ist. Zunächst wird mit einem diamantbesetzten Werkzeug oder einer Schleifscheibe aus Hartmetall ein Riss in die Glasoberfläche eingebracht. Zweitens werden mechanische Mittel eingesetzt, um das Glas entlang der Risslinie zu trennen. Diese traditionellen Verfahren haben jedoch klare Nachteile. Sie sind relativ ineffizient, was zu unebenen Kanten führt, die häufig ein zweites Polieren erfordern, und sie erzeugen viel Schmutz und Staub. Darüber hinaus sind herkömmliche Methoden bei Aufgaben wie dem Bohren von Löchern in der Mitte von Glasplatten oder dem Schneiden unregelmäßiger Formen ziemlich anspruchsvoll. Hier zeigen sich die Vorteile des Laserschneidens von Glas Im Jahr 2022 betrug der Umsatz der chinesischen Glasindustrie etwa 744,3 Milliarden Yuan. Die Verbreitung der Laserschneidtechnologie in der Glasindustrie befindet sich noch in der Anfangsphase, was darauf schließen lässt, dass noch erheblicher Spielraum für die Anwendung der Laserschneidtechnologie als Ersatz besteht.

Glaslaserschneiden: Vom Mobiltelefon an

Beim Glaslaserschneiden wird häufig ein Bézier-Fokussierkopf eingesetzt, um im Glas Laserstrahlen mit hoher Spitzenleistung und Dichte zu erzeugen. Durch Fokussierung des Bézierstrahls im Glas wird das Material augenblicklich verdampft, wodurch eine Verdampfungszone entsteht, die sich rasch ausdehnt und Risse auf der Ober- und Unterseite bildet. Diese Risse bilden den Schneidbereich, der aus unzähligen winzigen Porenpunkten besteht und so ein Schneiden durch äußere Spannungsrisse ermöglicht.

Mit den erheblichen Fortschritten in der Lasertechnologie hat auch die Leistung zugenommen. Ein Nanosekunden-Grünlaser mit über 20 W Leistung kann Glas effektiv schneiden, während ein Pikosekunden-Ultraviolettlaser mit über 15 W Leistung mühelos Glas mit einer Dicke von weniger als 2 mm schneidet. Es gibt chinesische Unternehmen, die Glas mit einer Dicke von bis zu 17 mm schneiden können. Das Laserschneiden von Glas zeichnet sich durch eine hohe Effizienz aus. Beispielsweise dauert das Schneiden eines Glasstücks mit 10 cm Durchmesser aus 3 mm dickem Glas mit dem Laserschneiden nur etwa 10 Sekunden, im Vergleich zu mehreren Minuten mit mechanischen Messern. Lasergeschnittene Kanten sind glatt und weisen eine Kerbgenauigkeit von bis zu 30 μm auf, wodurch eine sekundäre Bearbeitung für allgemeine Industrieprodukte überflüssig wird.

Das Laserschneiden von Glas ist eine relativ junge Entwicklung, die vor etwa sechs bis sieben Jahren begann. Die Mobiltelefonindustrie gehörte zu den ersten Anwendern dieser Technik, indem sie das Laserschneiden von Glasabdeckungen für Kameras einsetzte und mit der Einführung eines Geräts zum unsichtbaren Schneiden mit dem Laser einen Aufschwung erlebte. Angesichts der Popularität von Vollbild-Smartphones hat das präzise Laserschneiden ganzer Glasplatten mit großem Bildschirm die Kapazität der Glasverarbeitung deutlich erhöht. Bei der Bearbeitung von Glaskomponenten für Mobiltelefone ist das Laserschneiden mittlerweile üblich. Dieser Trend wurde vor allem durch automatisierte Anlagen zur Laserbearbeitung von Handy-Deckglas, Laserschneidgeräte für Kameraschutzlinsen und intelligente Geräte zum Laserbohren von Glassubstraten vorangetrieben.

Im Auto montiertes elektronisches Bildschirmglas übernimmt allmählich das Laserschneiden

Für im Auto montierte Bildschirme werden viele Glasplatten benötigt, insbesondere für zentrale Bedienbildschirme, Navigationssysteme, Dashcams usw. Heutzutage sind viele Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnik mit intelligenten Systemen und übergroßen zentralen Bedienbildschirmen ausgestattet. Intelligente Systeme sind in Automobilen zum Standard geworden und große Mehrfachbildschirme sowie gebogene 3D-Bildschirme werden zunehmend zum Mainstream auf dem Markt. Glasabdeckungen für im Auto montierte Bildschirme werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften häufig verwendet und ein hochwertiges gebogenes Bildschirmglas kann in der Automobilindustrie für ein ultimatives Erlebnis sorgen. Allerdings stellen die hohe Härte und Sprödigkeit von Glas eine Herausforderung für die Verarbeitung dar.

Die Herstellung von im Auto montierten Glasscheiben erfordert hohe Präzision und die Toleranzen der montierten Strukturkomponenten sind sehr gering. Große Maßfehler beim Schneiden von Quadrat-/Stabsieben können zu Montageproblemen führen. Herkömmliche Verarbeitungsmethoden umfassen mehrere Schritte, wie beispielsweise Radschneiden, manuelles Brechen, CNC-Formen und Anfasen. Da es sich um eine mechanische Verarbeitung handelt, treten Probleme auf, wie beispielsweise geringe Effizienz, mangelhafte Qualität, geringe Ausbeute und hohe Kosten. Nach dem Radschneiden kann die CNC-Bearbeitung einer einzelnen Form eines Abdeckglases für die Zentralverriegelung eines Autos bis zu 8–10 Minuten dauern. Mit ultraschnellen Lasern mit über 100 W kann ein 17 mm dickes Glas in einem Durchgang geschnitten werden; die Integration mehrerer Produktionsprozesse erhöht die Effizienz um 80 %, wobei 1 Laser 20 CNC-Maschinen entspricht. Dadurch wird die Produktivität erheblich gesteigert und die Stückkosten der Verarbeitung werden gesenkt.

Weitere Anwendungen von Lasern in Glas

Quarzglas weist eine einzigartige Struktur auf, die das Trennen mit Lasern erschwert. Femtosekundenlaser können jedoch zum Ätzen von Quarzglas verwendet werden. Dies ist eine Anwendung von Femtosekundenlasern zur Präzisionsbearbeitung und zum Ätzen von Quarzglas. Die Femtosekundenlasertechnologie ist eine sich in den letzten Jahren rasch entwickelnde fortschrittliche Verarbeitungstechnologie mit extrem hoher Verarbeitungspräzision und -geschwindigkeit, die in der Lage ist, verschiedene Materialoberflächen im Mikrometer- bis Nanometerbereich zu ätzen und zu verarbeiten.  Die Laserkühltechnologie variiert entsprechend den wechselnden Marktanforderungen. Als erfahrener Hersteller von Kältemaschinen, der seine Wasserkühler  Produktionslinien im Einklang mit Markttrends, die ultraschnellen Laserkühler der CWUP-Serie des Herstellers TEYU Chiller können effiziente und stabile Kühllösungen für Pikosekunden- und Femtosekundenlaser mit bis zu 60 W bieten.

Das Laserschweißen von Glas ist eine neue Technologie, die in den letzten zwei bis drei Jahren zunächst in Deutschland aufgekommen ist. Derzeit haben nur wenige Unternehmen in China den Durchbruch mit dieser Technologie erreicht, darunter Huagong Laser, das Xi&39;an Institute of Optics and Fine Mechanics und Harbin Hit Weld Technology. Unter der Einwirkung von Hochleistungslasern mit ultrakurzen Pulsen können die von Lasern erzeugten Druckwellen Mikrorisse oder Spannungskonzentrationen im Glas erzeugen, die die Bindung zwischen zwei Glasstücken fördern können.  Das Verbundglas ist nach dem Schweißen sehr fest und es ist bereits möglich, eine dichte Verschweißung zwischen 3 mm dickem Glas zu erreichen. Zukünftig konzentrieren sich die Forscher auch auf das Auftragschweißen von Glas mit anderen Werkstoffen. Derzeit werden diese neuen Verfahren noch nicht in großem Umfang in Chargen angewendet, aber sobald sie ausgereift sind, werden sie zweifellos in einigen High-End-Anwendungsfeldern eine wichtige Rolle spielen.