_ Die Bearbeitung von Glas mithilfe des Lasers ist längst aus einem Nischendasein herausgetreten. Doch wo stehen wir aktuell?
Es gibt heute bei der Laserentwicklung und beim Einsatz von Lasern in der Glasbranche eine große Vielfalt: So stehen diverse Laserquellen zur Verfügung, die in der Glasbearbeitung sowie bei der Veredlung eingesetzt werden können.
Neben dem CO2 Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 bzw. 9,3 µm sind auch CO Laser (5-6 µm) industriell verfügbar. Beide unsichtbaren im Infrarotbereich liegende Wellenlängen werden von Glas in der Regel an der Oberfläche absorbiert, wobei der CO Laser mit der etwas kürzeren Wellenlänge eine höhere Eindringtiefe besitzt. Damit eignen sich solche Laser hervorragend zum Laserritzen oder zum Sublimatonsschneiden (Quarzglas).
Weiter gibt es Laserquellen im „grünen“ Bereich (532 nm), im nahen infraroten Bereich (1030/1064 nm) sowie im ultavioletten Bereich des Spektrums. Diese lassen sich zu weiteren Bearbeitungen wie Bohren, Schneiden, Be- und Entschichten, etc. einsetzen.
Darüber hinaus kann der Laserstrahl noch modifiziert werden, um spezielle Ergebnisse zu erreichen, die im Prozess gewünscht sind: Das sogenannte Pulsen im Nanosekunden-, Picosekunden- und Femtosekunden-Bereich. Pulsen bedeutet das Ein- und Ausschalten des Lasers in kurzen Abständen, was beispielsweise einen Materialabtrag ohne nennenswerte Erwärmung des Werkstücks erlaubt. Damit lassen sich höhere Qualitäten in der Kante des Glases erreichen, als bei Verwendung eines Dauerstrahls.
Zudem lassen sich auch Materialien bearbeite, die ohne Pulsen durch die Einwirkung des Laserstrahls zerstört würden. Die Kombination von verschieden langen Pulsen ermöglicht es zudem, höhere Geschwindigkeiten in der Materialbearbeitung mit hohen Qualitäten zu kombinieren.
Weiter besteht heute die Möglichkeit, auch die Geometrie des Strahls aktiv sowie passiv so zu beeinflussen, damit die gewünschte Bearbeitung wirtschaftlich in gewünschter Qualität entsteht.
Simulation – ein wichtiges Tool
Auch mithilfe von vorgestellten Simulationswerkzeugen kann man die Bearbeitung von Glaswerkstoffen mit dem Laser weiterentwickeln. Dabei spielen sowohl periphere Prozesse, wie die Vorwärmung eines Werkstücks, als auch direkt induzierte Einflussgrößen wie Spannungen beim Schweißen oder Bohren eine Rolle.
Ebenso lässt sich eine Berechnung zur optimalen Formung des Laserstahls durchführen. Die Simulation von derartigen Prozessen ist eine gute Unterstützung in der Entwicklung neuer, angepasster Prozesse zur Bearbeitung von Glas. Versuche lassen sich so auf ein Minimum reduzieren, inklusive Zeit- und Kostenersparnis.
Schweißen von Glas und weitere Anwendungsfelder
Die Möglichkeiten und Anwendungsentwicklungen in der Glasbearbeitung mittels Laser sind insgesamt sehr weit gefasst.
Das Schweißen als Verbindungsmethode als Ergänzung zu bekannten Verfahren wie mechanisches Haltern, Kleben, Löten, optisches Ansprengen und Diffusionsbonden ist inzwischen schon sehr weit entwickelt. Allerdings sind hier die Hauptmaterialien immer noch Quarzgläser.
Zudem sind auch hybride Bearbeitungsverfahren (Kombination von Plasma und Laser) im Kommen. Dadurch lassen sich zum einen bessere Qualitäten in der Bearbeitung und höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten erzielen, zum anderen auch Prozesse in Gang bringen, die mit einem Verfahren allein nicht möglich wären.
Dazu zählt etwa Sublimationsablation an nicht Quarzgläsern wie Borosilikatglas oder Kalk-Natron-Silikatglas.
Laserschneiden von Flachglas
Für das Laserschneiden stehen heute diverse Verfahren zur Verfügung: Die Laser-Ablation, bei der das Material durch hohe Energie sublimiert wird; der Einsatz ist materialbedingt hauptsächlich auf Quarzglas beschränkt.
Ritzen des Glases und anschließendes Brechen, ein Verfahren, das z. B. mit dem CO2 Laser seit Jahren bekannt ist und jetzt immer mehr in den Bereich des Glaszuschnitts von dicken Glasstärken (4 mm und mehr) vordringt.
Im Dünnglasbereich ist das Laserschneiden inzwischen Standard. Es gibt wie beschrieben verschiedene Methoden, Dünnglas mit dem Laser zu schneiden. Die Entwicklung hier scheint noch nicht vollständig abgeschlossen.
Die Erfahrungen aus dem Schneiden von Dünnglas nehmen einige Hersteller zum Anlass, ihre Expertisen in Richtung dickere Gläser fortzuschreiben. So lassen sich bereits 10 mm dicke Gläser mittels Laser schneiden. Positiv ist hier, dass sich die dafür benötigten Zeiten immer weiter verkürzen. Gleichzeitig lassen sich immer mehr unterschiedliche Glastypen bearbeiten.
Neben dem Quarzglas, das aufgrund seiner speziellen Eigenschaften immer schon gut mit dem Laser zu bearbeiten war, kommen jetzt auch immer mehr Borosilikatgläser und Kalk-Natron-Silikatgläser in den Fokus der Bearbeitung.
Veredlung
Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Volumenmodifikation. Hier kommen Laser zum Einsatz, deren Wellenlänge nicht an der Oberfläche des Glases absorbiert wird. Hierdurch bietet sich die Möglichkeit, im Inneren des Glases Veränderungen hervorzurufen.
Und beim selektiven (Laser-)Ätzen wird das Glas so modifiziert, dass ein nachfolgender Ätzprozess das mit dem Laser behandelte Glas sehr viel schneller auflöst, als die umgebende Materialmatrix.
Oberflächenbearbeitung
In diesem Bearbeitungsfeld entwickelt sich in den Segmenten Beschichten bzw. Entschichten sowie von Schichtmodifikation ein weites Feld der Anwendungen, angefangen bei der Isolierglas-Fertigung (Entfernen der Funktionsschicht am Rand) bis hin zur Elektronikproduktion. Dabei kann man beispielsweise Schichten in ihrer Struktur und Dichte „maßschneidern“, sodass man zu neuen, definierten Eigenschaften der Leitfähigkeit oder der Licht-Absorption im Glas kommt.
Automatisierte Produktion
Die Produktion von Produkten aus Glasrohren wird zunehmend automatisiert. Dies geschieht durch die intelligente Verknüpfung von Robotern und Lasern. So gibt es bereits einen vollautomatischen Arbeitsplatz zum Verschmelzen von Glasrohren und Glasfritten zu industriellen Glasfiltern und die Beschriftung der Glasartikel in einer Station. Dies alles erfolgt dabei vollautomatisch und autonom.
Ausblick
Man darf gespannt sein, wie sich die Entwicklungen bei der Glasverarbeitung mittels Lasertechnik weiter fortsetzen, insbesondere auch beim Zuschnitt. Eine spannende neue Bearbeitungstechnik erlaubt es, thermisch vorgespanntes Glas mit dem Laser zu schneiden. Darüber werden wir in einer der kommenden Ausgabe der GLASWELT berichten.—
Nicht nur beim Flachglas, auch bei Rohrgläsern lassen sich Verarbeitungslaser einsetzen, hier vollautomatisiert.
Auch das Bohren von Löchern und Ausschneiden von Aussparungen aus Glas ist mit dem Laser möglich.