Wie erschließt man den Anwendungsmarkt für Hochleistungs-Ultrakurzpulslasergeräte?

Die industrielle Laserbearbeitung zeichnet sich durch drei entscheidende Eigenschaften aus: hohe Effizienz, Präzision und erstklassige Qualität. Diese drei Eigenschaften haben dazu geführt, dass die Laserbearbeitung in zahlreichen Fertigungssektoren weite Verbreitung findet. Ob Hochleistungsmetallschneiden oder Mikrobearbeitung bei mittleren bis niedrigen Leistungen: Lasermethoden haben im Vergleich zu herkömmlichen Bearbeitungstechniken erhebliche Vorteile gezeigt. Aus diesem Grund wurde die Laserbearbeitung im letzten Jahrzehnt rasch und in großem Umfang eingesetzt.

Die Entwicklung ultraschneller Laser in China

Die Anwendungsgebiete der Laserbearbeitung haben sich sukzessive diversifiziert und konzentrieren sich nun auf unterschiedliche Aufgaben wie etwa das Faserlaserschneiden mit mittlerer und hoher Leistung, das Schweißen großer Metallkomponenten und die Herstellung von Präzisionsprodukten mit ultraschneller Lasermikrobearbeitung. Ultraschnelle Laser, vertreten durch Pikosekundenlaser (10-12 Sekunden) und Femtosekundenlaser (10-15 Sekunden), haben sich in nur 20 Jahren entwickelt. Seit 2010 kommen sie erstmals kommerziell zum Einsatz und dringen nach und nach in die Bereiche Medizin und industrielle Verarbeitung vor. In China wurde 2012 mit der industriellen Nutzung von Ultrakurzpulslasern begonnen, ausgereifte Produkte entstanden jedoch erst 2014. Zuvor wurden fast alle Ultrakurzpulslaser importiert.

Bis 2015 verfügten ausländische Hersteller über eine relativ ausgereifte Technologie, doch die Kosten für Ultrakurzpulslaser überstiegen zwei Millionen chinesische Yuan. Eine einzelne präzise ultraschnelle Laserschneidmaschine wurde für über 4 Millionen Yuan verkauft. Die hohen Kosten behinderten die großflächige Anwendung ultraschneller Laser in China. Nach 2015 beschleunigte China die Einführung ultraschneller Laser. Es kam rasch zu technologischen Durchbrüchen und bis 2017 konkurrierten über zehn chinesische Hersteller ultraschneller Laser auf Augenhöhe mit ausländischen Produkten. In China hergestellte Ultrakurzpulslaser kosteten nur einige Zehntausend Yuan, was die Preise für importierte Produkte entsprechend senken musste. In dieser Zeit stabilisierten sich die im Inland produzierten Ultrakurzpulslaser und gewannen an Bedeutung im Niedrigleistungsbereich. (3W-15W). Die Auslieferungen chinesischer Ultrakurzpulslaser stiegen von weniger als 100 Einheiten im Jahr 2015 auf 2.400 Einheiten im Jahr 2021. Im Jahr 2020 betrug der chinesische Markt für ultraschnelle Laser etwa 2,74 Milliarden Yuan.

Die Leistung ultraschneller Laser erreicht immer neue Höhen

In den letzten Jahren gab es dank der Anstrengungen chinesischer Forscher bedeutende Fortschritte bei der in China hergestellten ultraschnellen Lasertechnologie: die erfolgreiche Entwicklung eines 50-W-Ultraviolett-Pikosekundenlasers und die schrittweise Weiterentwicklung eines 50-W-Femtosekundenlasers. Im Jahr 2023 stellte ein in Peking ansässiges Unternehmen einen 500 W starken Infrarot-Pikosekundenlaser vor. Derzeit hat Chinas ultraschnelle Lasertechnologie den Abstand zu den fortgeschrittenen Technologien in Europa und den USA deutlich verringert und hinkt nur noch bei Schlüsselindikatoren wie maximaler Leistung, Stabilität und minimaler Pulsbreite hinterher.

Bei der erwarteten zukünftigen Entwicklung ultraschneller Laser liegt der Schwerpunkt weiterhin auf der Einführung leistungsstärkerer Varianten, wie etwa eines 1000-W-Infrarot-Pikosekundenlasers und eines 500-W-Femtosekundenlasers, bei gleichzeitiger kontinuierlicher Verbesserung der Pulsbreite. Mit dem Fortschreiten der Technologie dürften bestimmte Engpässe in der Anwendung überwunden werden.

Die Binnenmarktnachfrage in China hinkt der Entwicklung der Laserproduktionskapazität hinterher

Die Wachstumsrate des chinesischen Marktes für ultraschnelle Laser bleibt deutlich hinter dem Anstieg der Lieferungen zurück. Diese Diskrepanz ist vor allem auf die Tatsache zurückzuführen, dass der nachgelagerte Anwendungsmarkt für chinesische Ultrakurzpulslaser noch nicht vollständig geöffnet ist. Der harte Wettbewerb zwischen in- und ausländischen Laserherstellern, die sich Preiskämpfe um Marktanteile liefern, verbunden mit vielen unausgereiften Prozessen auf der Anwendungsseite und einem Abschwung im Markt für Smartphone-Elektronik/-Panels in den letzten drei Jahren, hat viele Anwender zögern lassen, ihre Produktion auf Ultraschnelle-Laserlinien auszuweiten.

Im Gegensatz zum sichtbaren Laserschneiden und -schweißen von Blechen ermöglicht die Verarbeitung mit Ultrakurzpulslasern die Erledigung von Aufgaben in extrem kurzer Zeit, was umfangreiche Forschungen in verschiedenen Prozessen erfordert. Derzeit erwähnen wir oft, dass ultraschnelle Laser bereits beim Schneiden von Vollbild-Smartphones, Glas, OLED-PET-Folie, flexiblen FPC-Platinen, PERC-Solarzellen, Waferschneiden und Sacklochbohren in Leiterplatten sowie in anderen Bereichen ausgereifte Anwendung finden. Darüber hinaus ist ihre Bedeutung in der Luft- und Raumfahrtbranche sowie im Verteidigungssektor zum Bohren und Schneiden spezieller Komponenten ausgeprägt.

Es ist anzumerken, dass zwar behauptet wird, dass Ultrakurzpulslaser für zahlreiche Bereiche geeignet sind, ihre tatsächliche Anwendung jedoch eine andere Frage ist. In Branchen mit Massenproduktion wie der Herstellung von Halbleitermaterialien, Chips, Wafern, PCBs, kupferkaschierten Platten und SMT gibt es, wenn überhaupt, nur wenige bedeutende Anwendungen für Ultrakurzpulslaser. Dies deutet darauf hin, dass die Entwicklung von Anwendungen und Prozessen mit ultraschnellen Lasern hinter der Geschwindigkeit des Fortschritts in der Lasertechnologie zurückbleibt.

Die lange Reise der Erforschung von Anwendungen in der ultraschnellen Laserbearbeitung

In China ist die Zahl der auf Präzisionslasergeräte spezialisierten Unternehmen relativ gering. Sie machen nur etwa ein Zwanzigstel aller Unternehmen aus, die Metalllaser schneiden. Diese Unternehmen sind im Allgemeinen nicht groß und verfügen über begrenzte Möglichkeiten zur Prozessentwicklung in Bereichen wie Chips, Leiterplatten und Platten. Darüber hinaus stehen Branchen mit ausgereiften Produktionsprozessen im Terminalbereich bei der Umstellung auf die Lasermikrobearbeitung häufig vor zahlreichen Tests und Validierungen. Die Entwicklung zuverlässiger neuer Prozesslösungen erfordert angesichts der Gerätekosten einen erheblichen Aufwand an Versuch und Irrtum. Dieser Übergang ist kein einfacher Prozess.

Das Schneiden ganzer Glasplatten könnte für Ultrakurzpulslaser ein praktikabler Einstieg in eine spezielle Nische sein. Die schnelle Einführung des Laserschneidens für mobile Glasbildschirme ist ein erfolgreiches Beispiel. Die Erforschung der Ultrakurzpulslasertechnologie für Komponenten aus Spezialmaterialien oder Halbzeuge in anderen Branchen erfordert allerdings mehr Zeit für die Erkundung. Derzeit sind die Anwendungen von Ultrakurzpulslasern noch eher begrenzt und konzentrieren sich in erster Linie auf das Schneiden nichtmetallischer Materialien. In breiteren Bereichen wie OLEDs/Halbleitern mangelt es an Anwendungen. Dies verdeutlicht, dass Chinas Gesamtniveau im Bereich der ultraschnellen Laserverarbeitungstechnologie noch nicht hoch ist. Dies birgt auch ein enormes Potenzial für die künftige Entwicklung, da im Laufe des nächsten Jahrzehnts mit einem allmählichen Anstieg der Anwendungen für die ultraschnelle Laserbearbeitung zu rechnen ist.