Wunder-Werkzeug Laser

In der Glasbearbeitung gibt der Laser vielfältige Impulse. Und SCHOTT entwickelt sein Prozess-Know-how kontinuierlich weiter. Das Ergebnis: hochpräzise, maßgeschneiderte Produktlösungen, die Trends insbesondere in der Digitalisierung mit voranbringen.

Laserbasierte Verfahren schaffen neue Glas-Funktionalitäten, die ohne Laser undenkbar wären.

In der Glasbearbeitung gibt der Laser vielfältige Impulse. Und SCHOTT entwickelt sein Prozess-Know-how kontinuierlich weiter. Das Ergebnis: hochpräzise, maßgeschneiderte Produktlösungen, die Trends insbesondere in der Digitalisierung mit voranbringen.

Die Fans des Blockbusters „Star Wars“ denken beim Stichwort Laser sofort an eines: die Licht- bzw. Laser-Schwerter von Darth Vader & Co. Was in der Fiktion fasziniert, begeistert als konstruktives Werkzeug auch im industriellen Bereich. Bereits während George Lucas sein Weltraum-Abenteuer Mitte der 1970er Jahre produzierte, waren Laserwerkzeuge längst Industrie-Realität: Verbesserte CO2-Laser und die Entwicklung neuer Lasertypen ermöglichten erste Anwendungen in der Metallbearbeitung, insbesondere im Automobil- und Flugzeugbau.

„In der Glasbearbeitung konnten sich Laser erst allmählich durchsetzen“, erklärt Bernd Hoppe, Leiter des Kompetenzfeldes Laser- und Post Processing bei SCHOTT. „Mittlerweile sind sie robust, zuverlässig und wirtschaftlich einsetzbar. Bei Spezialgläsern leisten sie extrem gute Arbeit, mit sehr reproduzierbaren Ergebnissen im 24/7 Einsatz, hoher Flexibilität und ohne Verschleiß.“ Der Verfahrenstechnik-Ingenieur weiß, wovon er spricht. Seit über zwei Jahrzehnten arbeitet er intensiv an glasbasierten Laserprozessen und ist an über 75 Patenten zu neuartigen Glasbearbeitungstechnologien beteiligt. Das Aufgabengebiet seines 15-köpfigen Expertenteams sind Entwicklungsprojekte mit Lasereinsatz – von der ersten Prozessidee bis zur erfolgreichen und serientauglichen Produktionsüberführung.

Die Infrastruktur in der sogenannten Experimentierhalle des Forschungszentrums ist immer up-to-date: Sie beherbergt seit einigen Monaten auch eine Glasbearbeitungsanlage mit dem derzeit leistungsstärksten kommerziell erhältlichen Ultrakurzpulslaser für industrielle Anwendungen. Entwickelt werden damit partikelfreie Schneidprozesse, flexible Strukturierungsprozesse sowie innovative optische Konzepte zur Glasbearbeitung. Die Bearbeitungsfläche der Anlage beträgt 600 Millimeter mal 1.200 Millimeter. „Wir erzielen mit dem neuen Tool extreme Spezifikationen. Konkret: Toleranzen von zehn Mikrometer oder weniger“, erklärt Michael Kluge, Anlagenverantwortlicher und Projektleiter Post Processing. Seine Aufgabe ist es, die Produktionstechnologie am Markt erhältlicher Laserwerkzeuge für die Glasbearbeitung bei SCHOTT verfügbar zu machen, weiterzuentwickeln und die Einsatzbereitschaft für die Entwicklungsprojekte sicherzustellen.

Laser und Glas in Interaktion

Beim konventionellen Schneiden und Ritzen entstehen Splitter und Partikel, beim Brechen kommt es zum Chipping an der Kante. Die verwendeten Diamantwerkzeuge nutzen sich ab und müssen ersetzt werden, individualisierte Produkte erfordern eine aufwendige und zeitintensive Prozessabfolge. Demgegenüber bieten Laserverfahren viele Vorteile: Komplexe Geometrien können einfach durch direktes Einlesen der Konstruktionszeichnung in die Maschine in kurzer Zeit realisiert werden. Das berührungslos arbeitende Tool arbeitet partikelfrei, trocken und ohne Hilfsmittel. Beim Schneiden wird das Glas zuerst perforiert beziehungsweise lokal „geschädigt“ und danach durch thermisches Cleaven getrennt. SCHOTT verfügt über mehrere Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser sowie CO2-Laser verschiedener Leistungsklassen, mit denen nicht nur geschnitten, sondern auch strukturiert, markiert, dekoriert, umgeformt und gebondet wird.

Für das optimale Zusammenspiel von Glas und Laser gibt es allerdings kein universelles Rezept für alle Glastypen. Was zählt sind Erfahrung, gepaart mit spezifischem Technologie- und Material-Know-how. „Mit laserbasierten Verfahren erzielen wir neue, verbesserte Glas-Funktionalitäten und Eigenschaften, die ohne Laser undenkbar sind. Wir überschreiten damit die technologischen Grenzen konventioneller Verfahren“, erläutert Bernd Hoppe. „Unser Alleinstellungsmerkmal besteht in dem kontinuierlich optimierten Prozess-Know-how für ein breites Spezialglas-Portfolio. Und Kunden profitieren.“

Mit dem Ultrakurzpulslaser ist SCHOTT für den Technologiesprung zur „Hochratenstrukturierung“ perfekt vorbereitet.
Die strukturierten Glaswafer erreichen dank Laserbearbeitung Toleranzen von 10 Mikrometern.

Revolutionäre Lösungen

Neben durch Strukturierung erzeugten Dead-Front-Effekten für besondere Lichtanzeigen in Kochflächen, dem Umformen von Lichtleitern für Dentalanwendungen, Glasscheiben mit präzisen Laserbohrungen für Duschköpfe, sind neue, höchst anspruchsvoll strukturierte flache, dünne und ultradünne Glaswafer mit Toleranzen von unter 10 Mikrometern und hohen Kantenqualitäten ein besonderes Highlight der SCHOTT Laserbearbeitung. Sie eignen sich für innovative Elektronik-, Halbleiter-, Diagnostik- und medizinische Glaslösungen. Auch die Pharmabranche profitiert vom SCHOTT Know-how. Durch die Einführung von sogenannten Smart Containern kann die Leistungsfähigkeit der maschinellen Bildverarbeitung und der Großdatenanalyse an pharmazeutischen Abfüllanlagen erschlossen werden. Jeder „smarte Behälter“ wird per Laser mit eindeutiger Kennung markiert, um erstmals die lückenlose Rückverfolgung während des gesamten Herstellungsprozesses zu ermöglichen. Der Datamatrix-Code ist bis zu 1 mm mal 1 mm klein. Die Technologie kann zur Verbesserung des Ausschussmanagements eingesetzt werden, zudem können das Verwechslungsrisiko verringert und gezielte Rückrufaktionen auf Behälterbasis reduziert werden. Diana Löber, Global Product Manager Vials, dazu: „Wir leiten eine neue Ära in der digitalisierten pharmazeutischen Produktion ein, die auf Echtzeit-Freigabe ausgerichtet ist und neueste Entwicklungen in der industriellen Bildverarbeitung und der Datenwissenschaft nutzt.“

Ultrakurzpulslaser bieten neue Möglichkeiten für das Fügen von Glaswafern ohne Einsatz von Klebstoffen. Dies ermöglicht hermetisches Abdichten mit neuen Materialkombinationen. „Mit dem Glas-Microbonding wird ein punktgenauer Dichtungsbereich, der nur wenige Mikrometer groß ist, minimaler thermischer Belastung ausgesetzt. Wir können eine hermetische Versiegelung herstellen, ohne dass das zu verkapselnde Bauteil oder die Elektronik einer potenziell schädlichen Hitze ausgesetzt und ohne dass zusätzliche Materialien benötigt werden“, erklärt der Finne Ville Hevonkorpi, Geschäftsführer von SCHOTT Primoceler Oy. Die Glas-Microbonding-Technologie ermöglicht eine Verarbeitung bei Raumtemperatur ohne Verformung oder Ausgasung. „Die Vorteile unseres Laserschweißverfahrens vervielfachen sich durch Verwendung dünnerer Materialien und größerer Wafer, was aktuellen Entwicklungstrends entgegenkommt“, fügt Hevonkorpi hinzu. Das Verfahren eignet sich für eine nahezu perfekte Spaltkontrolle in der Mikrofluidik, glasbasierte, hermetische Linsenpositionierung in der Mikrooptik, VCSEL-Arrays in der Luft- und Raumfahrt sowie 3D-Chip-Packages für Halbleiter. In Kombination mit biokompatiblen Gläsern lassen sich mit Vollglas-Gehäusen hochminiaturisierte medizinische Implantate realisieren – viele davon sind um Größenordnungen kleiner als heutige Implantate und ermöglichen völlig neue medizinische Anwendungen.

Hochratenstrukturierung

Die mittlerweile zur Verfügung stehende hohe Leistungsfähigkeit prädestiniert den Laser für den nächsten Sprung: ultraschnelle Bearbeitung großer Flächen. Das gelingt durch eine spezielle Strahlformung und parallel arbeitende Laserstrahlen mit nur einer Laserquelle. Mit großflächigen Optiken können quadratmetergroße Glasplatten in Sekundenschnelle bearbeitet und strukturiert werden. Dies eröffnet neue Funktionalitäten, schnellere Strukturierungsprozesse und dekorative Applikationen. Hoppe: „Die Hochratenstrukturierung ist einer unserer neuen Schwerpunkte. Wir sind in der technologischen Bewertung ganz vorne mit dabei und pflegen ein großes Netzwerk mit externen Partnern, um den Technologiesprung schnellstmöglich umsetzen zu können.“

Auch in der neuen Sternen-Saga von Filmproduzent J.J. Abrams haben sich die Laserschwerter nach 42 Jahren nicht nur farblich, sondern auch technologisch weiterentwickelt: In der „Star Wars“ Episode 9 gibt es erstmals ein klappbares rotes Doppel-Lichtschwert. Und an der Universität Würzburg haben sich 2018 Professor Dr. Tobias Brixner und seine „Femto Stars“ am Lehrstuhl für physikalische und theoretische Chemie mit der fiktiven Fechtwaffe auseinandergesetzt und ein Lichtschwert auf Basis von Femtosekunden-Laserpulsen realisiert.

9. Dezember 2020

Kontakt

Bernd Hoppe
Research & Development
SCHOTT AG

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