Smart Cleave-Laserschneiden: Ein klarer Gewinner für die Präzisionsglasherstellung

Glas umgibt uns buchstäblich überall, und das schon seit weit über 5.000 Jahren. Daher wird leicht übersehen, dass es sich um ein einzigartiges Material mit einer sehr nützlichen Kombination physikalischer Eigenschaften handelt. Das offensichtlichste davon und eines der wertvollsten ist, dass es transparent ist.

Aber Glas ist auch mechanisch stark und relativ kratzfest. Außerdem reagiert es nicht mit den meisten Chemikalien – sogar mit vielen starken Säuren. Und weder Flüssigkeiten noch Gase können hindurchtreten. Glas ist sogar biokompatibel, was bedeutet, dass sterilisiertes Glas sicher in den menschlichen Körper implantiert werden kann.

Aus diesen und weiteren Gründen hat sich die Verwendung von Glas weit über die uns allen bekannten Architektur- und Automobilfenster hinaus auf immer raffiniertere Produkte ausgeweitet. Es ist bereits weit verbreitet in medizinischen Geräten, Life-Science-Instrumenten, Halbleiterwerkzeugen und Unterhaltungselektronik. In letzterem wird es für Bildschirme in Telefonen, Laptops, Tablets und Fernsehern verwendet.

Die alten Wege können es nicht schneiden

Bei vielen dieser Hightech-Anwendungen gibt es einen anhaltenden Druck, Produkte immer ausgeklügelter, aber auch physisch kleiner und leichter zu machen. In Bezug auf die Verwendung von Glas bedeutet dies normalerweise, dass dünnere Teile benötigt werden, oft mit gebogenen Kanten oder Ausschnitten. Ein Beispiel dafür könnte ein Handy-Display sein, das eine Aussparung für den Home-Button hat.

Aber diese Forderung schafft eine Herausforderung. Das liegt daran, dass herkömmliche Glasschneidemethoden – wie das gute, altmodische mechanische Schneiden mit einem Hartmetallwerkzeug oder das Wasserstrahlschneiden – nicht einfach mit wirklich dünnen Glasstücken arbeiten oder diese Art von Merkmalen erzeugen können – insbesondere enge Kurven. Zumindest nicht innerhalb der erforderlichen Kosten- und Produktionszeitbeschränkungen. Selbst die üblichen Laser-Glasschneideverfahren können dies nicht kosteneffektiv bei marketingfähigen Geschwindigkeiten tun.

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Außerdem erzeugen diese älteren Glasschneideverfahren sehr kleine Risse und Eigenspannungen im Glas. Dadurch wird das Glas sehr viel anfälliger für Bruch bei der späteren Handhabung und Verwendung. Denn seltsamerweise stellt sich heraus, dass bei einem Glasbruch der Riss fast immer am äußeren Rand beginnt, selbst wenn die Kraft in der Mitte darauf einwirkt.

Bei den meisten Glasschneideprozessen entstehen normalerweise auch kleine Späne und Ablagerungen sowie eine Schnittkante, die nicht unbedingt senkrecht zur Glasoberfläche verläuft. Aus diesem Grund können verschiedene zusätzliche Schritte wie Schleifen oder Polieren der Schnittfläche erforderlich sein.

Für den Hersteller bedeuten alle zusätzlichen Verarbeitungsschritte, die nach dem Schneiden erforderlich sind, eine erhöhte Produktionszeit und -kosten. Außerdem können sie negative Auswirkungen auf die Umwelt haben, wenn sie schwer zu entsorgende Abfälle erzeugen oder viel Wasser zur Reinigung benötigen.

SmartCleave beschleunigt das präzise Laserglasschneiden

Eine neue Schneidmethode namens „Filamentation“ wurde speziell entwickelt, um den wachsenden Bedarf an präzisem, spannungsfreiem, rückstandsfreiem Freiformschneiden von Dünnglas zu decken. Die Filamentierung erfordert einen Ultrakurzpulslaser (USP), da nur dieser die sehr hohe Spitzenleistung erzeugen kann, auf die diese Technik angewiesen ist.

Bei der Filamentation wird der USP-Laser auf Glas fokussiert, um eine Reihe mikroskopisch kleiner Hohlräume (oder Filamente) zu erzeugen, die mehrere Millimeter tief sein können. Um einen kontinuierlichen Schnitt auszuführen, wird der Laserstrahl im gewünschten Muster relativ zum Glas bewegt und eine Reihe von sehr eng beabstandeten Filamenten erzeugt. Je nach Glasdicke und -typ trennt sich das Teil entweder direkt entlang des Schnitts oder kann durch Erhitzen getrennt werden.

Die Filamentierung ermöglicht das Hochgeschwindigkeitsschneiden von Rundungen und Einsätzen (ohne Verjüngung) in Glas mit einer Dicke von 0,05 mm bis 10 mm. Und es funktioniert sogar mit chemisch verstärktem Glas, das häufig in Touchscreen-Displays verwendet wird.

Coherent hat unsere eigene Form des Filamentschneidens namens SmartCleave entwickelt. Diese Methode nutzt speziell die einzigartigen Eigenschaften unserer USP-Laser der HyperRapid-Serie. Einer davon ist der sogenannte „Burst Mode“-Betrieb, bei dem der Laser eine schnelle Impulsfolge abgibt. Dies erzeugt am Ende ein sanfteres Erwärmungsprofil als eine Folge von Impulsen mit der gleichen Gesamtenergie, die jedoch über einen längeren Zeitraum geliefert wird.

Die Vorteile von SmartCleave sind eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit um den Faktor zwei. Es erzeugt auch Löcher, die glatter und gerader sind als andere Filament-Schneidverfahren. Darüber hinaus hinterlässt SmartCleave eine Schnittkante, die frei von Mikrorissen, Spänen und Ablagerungen ist. All dies verbessert den Produktionsdurchsatz und senkt die Kosten durch den Wegfall von Nachbearbeitungsschritten. Und es ergibt ein mechanisch stärkeres fertiges Glasteil.