Wie kann der Anwendungsmarkt für Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser erschlossen werden?

Die industrielle Laserbearbeitung zeichnet sich durch drei entscheidende Merkmale aus: hohe Effizienz, Präzision und erstklassige Qualität. Diese drei Eigenschaften haben der Laserbearbeitung in verschiedenen Fertigungssektoren große Verbreitung verschafft. Ob Hochleistungs-Metallschneiden oder Mikrobearbeitung mit mittlerer bis niedriger Leistung – Laserverfahren bieten gegenüber herkömmlichen Bearbeitungstechniken erhebliche Vorteile. Daher hat sich die Laserbearbeitung in den letzten zehn Jahren rasant und weit verbreitet.

Die Entwicklung ultraschneller Laser in China

Die Anwendungen der Laserbearbeitung haben sich schrittweise diversifiziert und konzentrieren sich nun auf verschiedene Aufgaben wie das Schneiden von Faserlasern mittlerer und hoher Leistung, das Schweißen großer Metallkomponenten und die Mikrobearbeitung von Präzisionsprodukten mit ultraschnellen Lasern. Ultraschnelle Laser, vertreten durch Pikosekundenlaser (10–12 Sekunden) und Femtosekundenlaser (10–15 Sekunden), haben sich in nur 20 Jahren entwickelt. Sie wurden 2010 kommerziell genutzt und eroberten allmählich die Bereiche Medizin und Industrie. China begann 2012 mit der industriellen Nutzung von ultraschnellen Lasern, ausgereifte Produkte entstanden jedoch erst 2014. Zuvor wurden fast alle ultraschnellen Laser importiert.

Bis 2015 verfügten ausländische Hersteller über relativ ausgereifte Technologien, doch die Kosten für Ultrakurzpulslaser überstiegen 2 Millionen chinesische Yuan. Eine einzelne Präzisions-Ultrakurzpulslaserschneidmaschine wurde für über 4 Millionen Yuan verkauft. Die hohen Kosten behinderten die flächendeckende Anwendung von Ultrakurzpulslasern in China. Nach 2015 beschleunigte China die Domestizierung von Ultrakurzpulslasern. Es kam rasch zu technologischen Durchbrüchen, und bis 2017 konkurrierten über zehn chinesische Ultrakurzpulslaserunternehmen auf Augenhöhe mit ausländischen Produkten. In China hergestellte Ultrakurzpulslaser kosteten nur Zehntausende Yuan, was importierte Produkte dazu zwang, ihre Preise entsprechend zu senken. Während dieser Zeit stabilisierten sich im Inland produzierte Ultrakurzpulslaser und gewannen im Niedrigleistungssegment (3 W – 15 W) an Boden. Die Lieferungen 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 Ultrakurzpulslaser etwa 2,74 Milliarden Yuan.

Die Leistung ultraschneller Laser erreicht immer neue Höhen

Dank der Bemühungen chinesischer Forscher wurden in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte in der chinesischen Ultrakurzpulslasertechnologie erzielt: die erfolgreiche Entwicklung eines 50-W-Ultraviolett-Pikosekundenlasers und die schrittweise Weiterentwicklung eines 50-W-Femtosekundenlasers. Im Jahr 2023 stellte ein Pekinger Unternehmen einen 500-W-Hochleistungs-Infrarot-Pikosekundenlaser vor. Chinas Ultrakurzpulslasertechnologie hat den Abstand zu den fortgeschrittenen Niveaus in Europa und den USA deutlich verringert und hinkt nur noch bei Schlüsselindikatoren wie Maximalleistung, Stabilität und minimaler Pulsbreite hinterher.

Die zukünftige Entwicklung ultraschneller Laser konzentriert sich weiterhin auf die Einführung leistungsstärkerer Varianten, wie beispielsweise eines 1000-W-Infrarot-Pikosekundenlasers und eines 500-W-Femtosekundenlasers, mit kontinuierlichen Verbesserungen der Pulsbreite. Mit fortschreitender 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 Ultrakurzpulslaser hinkt dem Anstieg der Auslieferungen deutlich hinterher. Diese Diskrepanz ist vor allem darauf zurückzuführen, dass der nachgelagerte Anwendungsmarkt für chinesische Ultrakurzpulslaser noch nicht vollständig geöffnet ist. Der harte Wettbewerb zwischen in- und ausländischen Laserherstellern, die sich in Preiskämpfen um Marktanteile engagieren, gepaart 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 Ultrakurzpulslaser auszuweiten.

Im Gegensatz zum sichtbaren Laserschneiden und -schweißen von Blechen erledigen Ultrakurzpulslaser Aufgaben in extrem kurzer Zeit, was umfangreiche Forschung in verschiedenen Prozessen erfordert. Derzeit wird häufig erwähnt, dass Ultrakurzpulslaser bereits ausgereifte Anwendungen beim Schneiden von Vollbild-Smartphones, Glas, OLED-PET-Folie, flexiblen FPC-Platinen, PERC-Solarzellen, Waferschneiden und Sacklochbohren in Leiterplatten und anderen Bereichen haben. Darüber hinaus ist ihre Bedeutung in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungssektor zum Bohren und Schneiden von Spezialkomponenten ausgeprägt.

Es ist erwähnenswert, dass Ultrakurzpulslaser zwar für zahlreiche Anwendungsgebiete geeignet sind, ihre tatsächliche Anwendung jedoch eine andere ist. In Branchen mit Massenproduktion, wie der Herstellung von Halbleitermaterialien, Chips, Wafern, Leiterplatten, kupferkaschierten Platten und SMT, gibt es, wenn überhaupt, nur wenige nennenswerte Anwendungen für Ultrakurzpulslaser. Dies deutet auf eine Verzögerung bei der Entwicklung von Ultrakurzpulslaseranwendungen und -prozessen hin und hinkt dem Tempo der Lasertechnologie hinterher.

Die lange Reise der Erforschung von Anwendungen in der ultraschnellen Laserbearbeitung

In China ist die Zahl der auf Präzisionslaseranlagen spezialisierten Unternehmen relativ gering; sie machen nur etwa ein Zwanzigstel aller Metalllaserschneidunternehmen aus. Diese Unternehmen sind in der Regel nicht groß und haben nur begrenzte Möglichkeiten zur Prozessentwicklung in Branchen wie der Chip-, Leiterplatten- und Panelherstellung. Darüber hinaus stehen Branchen mit ausgereiften Produktionsprozessen für Terminalanwendungen bei der Umstellung auf die Lasermikrobearbeitung oft vor zahlreichen Versuchen und Validierungen. Die Entwicklung zuverlässiger neuer Prozesslösungen erfordert angesichts der Gerätekosten ein hohes Maß an Ausprobieren. Dieser Übergang ist kein einfacher Prozess.

Das Schneiden ganzer Glasplatten könnte für Ultrakurzpulslaser einen praktikablen Einstieg in eine spezifische Nische darstellen. Die schnelle Verbreitung des Laserschneidens bei mobilen Glasbildschirmen ist ein erfolgreiches Beispiel. Die Erforschung von Ultrakurzpulslasern für spezielle Materialkomponenten oder Halbzeuge in anderen Branchen erfordert jedoch mehr Zeit. Derzeit sind die Anwendungsgebiete von Ultrakurzpulslasern eher begrenzt und konzentrieren sich hauptsächlich auf das Schneiden nichtmetallischer Materialien. Es gibt nur wenige Anwendungen in breiteren Bereichen wie OLEDs/Halbleitern, was zeigt, dass Chinas Technologie für Ultrakurzpulslaserbearbeitung insgesamt noch nicht über ein hohes Niveau verfügt. Dies birgt auch ein enormes Potenzial für die zukünftige Entwicklung, wobei im nächsten Jahrzehnt mit einem allmählichen Anstieg der Anwendungsgebiete für Ultrakurzpulslaserbearbeitung zu rechnen ist.