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Coherent: Optimierte Lasertechnologie für Glas Laser schneidet dicke 3D-geformte Gläser

Redakteur: Konrad Mücke

Ein Konsortium aus Laser- und Glasherstellern sowie Hochschulen in Bayern optimiert die Qualität und die Bandbreite der Fertigungsmöglichkeiten beim Herstellen von Glas und Glasprodukten. Beabsichtigt ist, mit innovativen Verfahren auch Kosten zu senken.

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Beim Verfahren Smart
Cleave wird die Strahlquelle räumlich so genau und begrenzt eingesetzt, dass das umgebende Glas nicht erwärmt und thermisch geschädigt wird.
Beim Verfahren Smart
Cleave wird die Strahlquelle räumlich so genau und begrenzt eingesetzt, dass das umgebende Glas nicht erwärmt und thermisch geschädigt wird.
(Bild: Coherent)

Den Kern des Konsortiums bilden der Lasersystemhersteller Coherent Munich, der Produzent technischer Gläser und Spiegel Flabeg, die Technische Hochschule Deggendorf und die Universität Erlangen-Nürnberg (Friedrich-Alexander-Universität, FAU). Glas wird seit mehreren Jahrtausenden hergestellt. Doch finden sich immer weitreichendere Anwendungen und vielfältige Produkten, unter anderem in Automobilen, Kommunikations- und Haushaltsgeräten. Deshalb werden vom Glas beispielsweise höhere Bruchfestigkeiten gefordert. Zudem sind inzwischen komplexere Konturen und auch dreidimensionale Freiformflächen herzustellen. Dies gelingt allein mit massiven technologischen Verbesserungen der im Kern teilweise jahrhundertelang unverändert gebliebenen Prozesse beim Herstellen und Schneiden von Glas.

Grenzen mechanischer Schneidverfahren

Den Fokus beim Optimieren der Glasbearbeitung richtet das Konsortium darauf, Schneidverfahren zu verbessern. Die traditionelle mechanische Technik (Ritzen und Brechen) zum Schneiden von Glas ist insbesondere bei Touchscreen-Anwendungen aus mehreren Gründen nicht ausreichend. Zum einen hinterlässt der mechanische Schnitt Eigenspannungen an den Glaskanten, die den Bruchwiderstand verringern. Auch bei mechanischen Kräften auf die Mitte einer Glasscheibe beginnen Brüche stets von der Kante aus. Zum anderen erzeugt mechanisches Schneiden Mikrorisse, Randabplatzungen und Rückstände. Das erfordert ein Nachbearbeiten, beispielsweise Schleifen oder Polieren. Diese zusätzlichen Arbeitsschritte erhöhen die Produktionskosten und den Verbrauch an Wasser. Zudem belasten sie die Umwelt, insbesondere durch verunreinigtes Wasser. Schliesslich lassen sich gekrümmte, dreidimensional geformte Gläser nicht mit den üblichen mechanischen Verfahren schneiden. Doch speziell letztere Anwendungen werden zunehmend benötigt. Das betrifft unter anderem Displays und Touchpanels in Automobilen, Maschinen sowie an Haushalts- und Elektronikgeräten.

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Ultrakurzpuls-Laser vorteilhaft

Der Laserquellenhersteller Coherent hat das Laserschneidverfahren SmartCleave verwirklicht. Dabei nutzt man einen Ultrakurzpuls-Laser mit Pulsdauern kürzer 15 Pikosekunden. Die sehr stark fokussierte Laserstrahlung, die diese Art von Strahlquelle bereitstellt, kann räumlich so präzis und begrenzt eingesetzt werden, dass das umgebende Glas nicht erwärmt und daher thermisch nicht geschädigt wird. Das Ergebnis sind extrem glatte Kanten ohne Grate, mit weniger Rissen oder Ausbrüchen sowie minimaler Kantenspannung. Somit erübrigen sich Nachbearbeitungen. Sämtliche zusätzlichen Schleif-, Wasch- und Trocknungsschritte sowie der damit verbundene Energieverbrauch, Zeit- und Kostenaufwand sowie negative Auswirkungen auf die Umwelt entfallen. Das innovative Glasschneidverfahren arbeitet produktiver und wirtschaftlicher als mechanische Verfahren. Es verbessert die Qualität. Darüber hinaus lassen sich mit diesem Verfahren bei hohen Schneidgeschwindigkeiten enge Radien ohne konische Schnittkanten schneiden. Man kann problemlos 3D-Formen bearbeiten.

Mehrere Parameter optimiert

Im Projekt OptiGLas (Optimierung der industriellen Glasherstellung und Glasveredelung für innovative Laserschneidverfahren), das im Jahr 2015 vom Glashersteller Flabeg initiiert wurde, sollten die Möglichkeiten des innovativen Laserschneidverfahrens SmartCleave untersucht und erweitert werden. Dafür definierten die beteiligten Unternehmen und Institute mehrere spezifische Forschungsbereiche.

Zum einen wurde untersucht, wie die Verfahrensparameter für den Einsatz mit unterschiedlichen Glaswerkstoffen variiert werden müssen. Konkret arbeitete man mit unterschiedlich dicken Gläsern aus Kalk-Natron, Alumosilikat, Borosilikat und Glaskeramik. Von besonderem Interesse war Borosilikatglas, da es in Fachkreisen als das am schwierigsten zu trennende Material gilt.

Ursprünglich wurde das Laserschneidverfahren von Coherent hauptsächlich zum Schneiden von Dünnglas für Touchscreen-Displays entwickelt. Um dickeres Glas bearbeiten zu können und die Robust­heit der Prozesse zu verbessern, erweiterten die Forscher im Konsortium den Fokusbereich des Lasers. Dafür waren neue optische Konzepte zu entwickeln.

Darüber hinaus sollte das Laserschneidver­fahren zum Schneiden von 3D-Formen weiterentwickelt werden. Das erfordert ein genaues, kontinuierliches Messen des Abstands zwischen Laserkopf und Bauteil beim Bearbeiten. Nur so lässt sich der Laser anhaltend exakt fokussieren. Da die Bauteil­oberflächen und -genauigkeiten variieren, muss mit Hilfe aktiver Rückmeldungen kontinuierlich nachfokussiert werden. Dafür beteiligte sich die Technische Hochschule Deggendorf daran, Abstandssensoren und Steuerungsverfahren zum Verfolgen der Bauteiloberflächenkonturen zu entwickeln.

Die Gruppe der Friedrich-Alexander-Universität verwirklichte geeignete Diagnoseverfahren, um die Qualität der Laserschnitte und der geschnittenen Bauteile beurteilen zu können. So konnte mit Rasterelektronen- und Laser-Scanning-Mikroskopen die Qualität der Schnittkanten und damit die Filamentform genauer als bisher bestimmt werden. Zudem schätzte man mit Spannungsoptik- und Schwingungsspektroskopie die verbleibenden Eigenspannungen ab.

Zukunftsweisende Ergebnisse

Das Forschungsprojekt befindet sich nun in seinem dritten und letzten Jahr. Dr. Alexander Roth, Vice President and General Manager Industrial Laser Systems bei Coherent, konstatiert aktuell: «Eines der aufregendsten Ergebnisse bisher war die Entwicklung von Strahlführungsoptiken, die eine verbesserte Schnittqualität und -effizienz bieten, was dazu führt, dass um mehr als 50 Prozent dickeres Glas geschnitten werden kann als bisher möglich.» Der Fokus für das verbleibende Projektjahr liegt darauf, die Ergebnisse mit Borosilikatglas weiter zu verbessern. Angesichts des bisherigen Erfolgs rechnen der Glashersteller Flabeg und die anderen Mitglieder des Forschungskonsortiums damit, dass sich durch Optimieren der Technologie der Einsatzbereich des innovativen Laserschneidverfahrens SmartCleave beständig erweitern wird. SMM

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