Erkundung des aktuellen Status und Potenzials der Glaslaserbearbeitung

Die Laserfertigungstechnologie hat sich im letzten Jahrzehnt rasant weiterentwickelt. Ihre Hauptanwendung ist die Laserbearbeitung von Metallen. Laserschneiden, Laserschweißen und Laserauftragschweißen von Metallen gehören zu den wichtigsten Verfahren der Metalllaserbearbeitung. Mit zunehmender Konzentration nimmt jedoch die Homogenisierung der Laserprodukte stark zu, was das Wachstum des Lasermarktes begrenzt. Um sich durchzusetzen, müssen Laseranwendungen daher auf neue Materialbereiche ausgeweitet werden. Zu den nichtmetallischen Materialien, die sich für Laseranwendungen eignen, gehören Textilien, Glas, Kunststoffe, Polymere, Keramik und mehr. Jedes Material betrifft mehrere Branchen, aber es gibt bereits ausgereifte Verarbeitungstechniken, sodass der Ersatz durch Laser nicht einfach ist.

Um in den Bereich nichtmetallischer Werkstoffe einzusteigen, muss analysiert werden, ob eine Laserinteraktion mit dem Material möglich ist und ob unerwünschte Reaktionen auftreten. Glas ist derzeit ein wichtiger Bereich mit hohem Mehrwert und Potenzial für die Batch-Laserbearbeitung.

Großer Raum zum Laserschneiden von Glas

Glas ist ein wichtiger Industriewerkstoff, der in verschiedenen Branchen wie der Automobilindustrie, dem Bauwesen, der Medizintechnik und der Elektronikindustrie eingesetzt wird. Seine Anwendungen reichen von kleinen optischen Filtern im Mikrometerbereich bis hin zu großformatigen Glasplatten, die in Branchen wie der Automobilindustrie oder dem Bauwesen zum Einsatz kommen.

Glas lässt sich in optisches Glas, Quarzglas, mikrokristallines Glas, Saphirglas und weitere Kategorien unterteilen. Eine wesentliche Eigenschaft von Glas ist seine Sprödigkeit, die herkömmliche Verarbeitungsmethoden vor erhebliche Herausforderungen stellt. Herkömmliche Glasschneideverfahren verwenden typischerweise Hartmetall- oder Diamantwerkzeuge, wobei der Schneidevorgang 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 herkömmlichen Verfahren haben jedoch klare Nachteile. Sie sind relativ ineffizient, was zu unebenen Kanten führt, die oft nachpoliert werden müssen, und sie erzeugen viel Schmutz und Staub. Zudem sind herkömmliche Verfahren bei Aufgaben wie dem Bohren von Löchern in die Mitte von Glasplatten oder dem Schneiden unregelmäßiger Formen recht anspruchsvoll. Hier zeigen sich die Vorteile des Laserschneidens von Glas. Im Jahr 2022 betrug der Umsatz der chinesischen Glasindustrie rund 744,3 Milliarden Yuan. Die Durchdringung der Laserschneidtechnologie in der Glasindustrie befindet sich noch in der Anfangsphase, was auf einen erheblichen Spielraum für die Anwendung der Laserschneidtechnologie als Ersatz hindeutet.

Glaslaserschneiden: Vom Mobiltelefon an

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 dieser augenblicklich das Material und erzeugt eine Verdampfungszone, die sich rasch ausdehnt und Risse auf der Ober- und Unterseite bildet. Diese Risse bilden den Schneidbereich, der aus unzähligen winzigen Porenpunkten besteht und das Schneiden durch äußere Spannungsrisse ermöglicht.

Mit den bedeutenden Fortschritten in der Lasertechnologie hat sich auch die Leistung erhöht. Ein Nanosekunden-Grünlaser mit über 20 W Leistung kann Glas effektiv schneiden, während ein Pikosekunden-Ultraviolettlaser mit über 15 W Leistung mühelos Glas unter 2 mm Dicke 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 10 cm großen Glasstücks aus 3 mm dickem Glas mit dem Laserschneiden nur etwa 10 Sekunden, verglichen mit mehreren Minuten mit mechanischen Messern. Lasergeschnittene Kanten sind glatt und weisen eine Kerbgenauigkeit von bis zu 30 μm auf, sodass für allgemeine Industrieprodukte keine Nachbearbeitung erforderlich ist.

Das Laserschneiden von Glas ist eine relativ junge Entwicklung, die vor etwa sechs bis sieben Jahren begann. Die Mobiltelefonindustrie gehörte zu den ersten Anwendern und nutzte das Laserschneiden für Kameraglasabdeckungen. Mit der Einführung eines Laser-Unsichtbarkeitsschneidegeräts erlebte es einen starken Aufschwung. Mit der Popularität von Vollbild-Smartphones hat das präzise Laserschneiden ganzer Glasplatten mit großem Bildschirm die Glasverarbeitungskapazität deutlich erhöht. Laserschneiden ist bei der Verarbeitung von Glaskomponenten für Mobiltelefone mittlerweile weit verbreitet. Dieser Trend wurde vor allem durch automatisierte Anlagen zur Laserbearbeitung von Handyglasabdeckungen, Laserschneidgeräte für Kameraschutzlinsen und intelligente Anlagen zum Laserbohren von Glassubstraten vorangetrieben.

Im Auto montiertes elektronisches Bildschirmglas wird allmählich per Laser geschnitten

Für die Montage von Fahrzeugbildschirmen werden viele Glasplatten benötigt, insbesondere für zentrale Bedienbildschirme, Navigationssysteme, Dashcams usw. Heutzutage sind viele Fahrzeuge mit alternativen Antrieben mit intelligenten Systemen und übergroßen zentralen Bedienbildschirmen ausgestattet. Intelligente Systeme sind in Automobilen zum Standard geworden, und große, mehrere Bildschirme sowie gebogene 3D-Bildschirme setzen sich allmählich auf dem Markt durch. Glasabdeckungen für im Auto montierte Bildschirme werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften häufig verwendet, und hochwertiges gebogenes Bildschirmglas kann der Automobilindustrie ein ultimatives Erlebnis bieten. Die hohe Härte und Sprödigkeit von Glas stellen jedoch eine Herausforderung für die Verarbeitung dar.

In Autos montierte Glasscheiben erfordern hohe Präzision, und die Toleranzen der montierten Strukturkomponenten sind sehr gering. Große Maßfehler beim Schneiden von quadratischen/stabförmigen Scheiben können zu Montageproblemen führen. Herkömmliche Verarbeitungsmethoden umfassen mehrere Schritte, wie unter anderem Radschneiden, manuelles Brechen, CNC-Formen und Anfasen. Da es sich um eine mechanische Verarbeitung handelt, sind Probleme wie geringe Effizienz, schlechte Qualität, geringe Ausbeute und hohe Kosten zu verzeichnen. Nach dem Radschneiden kann die CNC-Bearbeitung einer einzigen Form von Abdeckglas für die zentrale Fahrzeugsteuerung 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 steigert die Effizienz um 80 %, wobei 1 Laser 20 CNC-Maschinen entspricht. Dies verbessert die Produktivität erheblich und senkt die Stückkosten.

Weitere Anwendungen von Lasern in Glas

Quarzglas hat eine einzigartige Struktur, 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 hat sich in den letzten Jahren zu einer fortschrittlichen Verarbeitungstechnologie entwickelt, die mit extrem hoher Verarbeitungspräzision und -geschwindigkeit Ätzen und Verarbeiten im Mikrometer- bis Nanometerbereich auf verschiedenen Materialoberflächen ermöglicht. Die Laserkühltechnologie passt sich den sich ändernden Marktanforderungen an. Als erfahrener Kühler Hersteller, der seine Wasser-Kühler -Produktionslinien entsprechend den Markttrends aktualisiert, können die Ultrafast-Laser-Chiller der CWUP-Serie von TEYU Kühler effiziente und stabile Kühllösungen für Pikosekunden- und Femtosekundenlaser mit bis zu 60 W bereitstellen.

Das Laserschweißen von Glas ist eine neue Technologie, die in den letzten zwei bis drei Jahren entwickelt wurde und zunächst in Deutschland eingeführt wurde. In China haben bisher nur wenige Unternehmen, darunter Huagong Laser, das Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics und Harbin Hit Weld Technology, den Durchbruch dieser Technologie geschafft. Die von Hochleistungs-Ultrakurzpulslasern erzeugten Druckwellen können im Glas Mikrorisse oder Spannungskonzentrationen erzeugen, die die Verbindung zwischen zwei Glasscheiben fördern. Nach dem Schweißen ist das verbundene Glas sehr fest, und es ist bereits möglich, 3 mm dickes Glas dicht zu verschweißen. Zukünftig konzentrieren sich Forscher auch auf das Auftragschweißen von Glas mit anderen Materialien. Diese neuen Verfahren werden derzeit noch nicht flächendeckend eingesetzt, werden aber nach ihrer Ausgereiftheit zweifellos in einigen High-End-Anwendungsbereichen eine wichtige Rolle spielen.