Das Trennen von Gläsern als Rohr- oder Flachmaterial stellt hohe Anforderungen

Trennen von Glas mit Laserstrahlung

Autor: Dipl.-Ing. Thomas Schmidt, Dr. Hartmut Müller, ifw-Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH Jena und tibb e.V. Koblenz

Anlass: Referat am Deutschen Schneidkongress® 17.04.2018 in Essen

Ausgangssituation

Glas ist einer der am weitesten verbreiteten Werkstoffe unserer Zeit. Er findet Einsatz bei der Gebäudeverglasung, im Automobilbau, als Verpackungsmaterial, in der Lebensmittelindustrie, der Medizintechnik, im Haushalt oder bei Elektronikprodukten. Dementsprechend vielfältig sind die Bearbeitungsmethoden dieses Werkstoffes, um ihn in die gewünschte Form zu bringen. Dabei stellt das Trennen nach wie vor eine sehr große Herausforderung dar, da Glas als sprödharter Werkstoff aufgrund der fehlenden plastischen Verformbarkeit im Vergleich zu den metallischen Werkstoffen sehr schnell zum Bruch neigt. 

Das Trennen von Gläsern als Rohr- oder Flachmaterial stellt hohe Anforderungen an den Trennprozess. Gerade bei sprödharten Materialien kann eine mangelhafte Prozesssicherheit sehr schnell zur Beschädigung oder auch kompletten Zerstörung des Bauteils führen. Die derzeit bekanntesten herkömmlichen Verfahren sind Ritzen/Brechen, Sägen, Absprengen oder Abschmelzen.

Prinzipiell kann überall dort, wo ein Gasbrenner zum Trennen der Gläser eingesetzt wird, die Flamme durch einen Laserstrahl ersetzt werden. Das Sprengen oder auch das warmweiche Abschmelzen sind Beispiele, bei dem der Laserstrahl zudem noch zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität und der Reproduzierbarkeit führt. Außerdem gibt es mittlerweile Gläser bei dem das Lasertrennen nahezu alternativlos ist. Dies ist vor allem bei Dünnglas, wie es millionenfach in Smartphones und Tablets zum Einsatz kommt, der Fall.

Zielsetzung

Im Folgenden werden eine Reihe an Trennmethoden vorgestellt, bei denen die Lasertechnik zum Einsatz kommt und es wird gezeigt wie die werkstofftechnischen Herausforderungen gemeistert und prozesstechnisch zunutze gemacht werden können.

Lösungsansatz

Dieser Beitrag stellt Lasertrennverfahren für Gläser vor und vergleicht sie mit den derzeit industriell eingesetzten Prozessen. Dabei wird vor allem auf den CO2-Laser eingegangen, der mit seiner Wellenlänge von 10,6µm am Glas nahezu 100% Absorption aufweist und somit für dieses Material hervorragend geeignet ist. Mittels verschiedener Strahlführungs- und Strahlformungsmethoden kann der Laserstrahl optimal auf das jeweilige Trennverfahren angepasst werden. Betrachtet wird auch ein neuartiger Kurzpuls-CO2-Laser, mit dem eine nahezu kalte Lasermaterialbearbeitung möglich wird. Weiterhin wird die zum Trennen notwendige System- und Anlagentechnik vorgestellt. Mess- und Analysesysteme, zur Qualifizierung der Laserverfahren und der Verdeutlichung der Unterschiede zu den bekannten Verfahren, runden den Beitrag ab.

Folgende Prozesse werden betrachtet:

  1. Schmelzschneiden mit dem CO2-Laser 
  2. Warmweichtrennen
  3. Thermisch induziertes Lasertrennen
  4. Filamentieren
  5. Trennen durch Abtragen

Trennen von Glas mit Laserstrahlung

Schmelzschneiden:

Das Laserschmelzschneiden ist bei der Blechverarbeitung weit verbreitet. Dabei wird ein Laserstrahl durch eine Düse hindurch auf das Material fokussiert. Dadurch schmilzt der Werkstoff auf. Ein durch die Düse strömendes Schneidgas treibt die Schmelze aus dem Schnittspalt. Prinzipiell kann dieses Verfahren auch bei Gläsern angewendet werden, jedoch mit der Einschränkung, dass dies nur bei Quarzglas und nur mit dem CO2-Laser möglich ist. Ursachen dafür sind die geringe thermische Ausdehnung des Quarzglases von 0,5∙10-6 1/K und laserseitig die hohe Absorption der Wellenlänge von 10,6 µm. Wegen der geringen Wärmeleitung von Gläsern handelt es sich bei diesem Prozess meistens um ein Sublimierschneiden, da der Großteil des Materials aus dem Schnittspalt verdampft. Das ist, neben der höheren thermischen Ausdehnung, vor allem der Grund, weshalb dieser Prozess bei anderen Gläsern nicht funktioniert. Sie bestehen nicht nur aus SiO2, wie das Quarzglas, sondern auch aus verschiedenen anderen Inhaltsstoffen wie Bor, Eisen, Natrium oder Kalium. Diese Bestandteile verdampfen unterschiedlich schnell, was dazu führt, dass sich direkt an der Schnittkante eine andere Glaszusammensetzung als im Grundmaterial einstellt. Die resultierende Kante entspricht einer anderen Glasart mit unterschiedlichen Eigenschaften. Für Quarzglas allerdings ist dieser Prozess ein weit verbreitetes Verfahren, mit dem beliebige zwei- als auch dreidimensionale Konturen erzeugt werden können. Das Trennen bis zu 10 mm Materialdicke ist dabei realisierbar. Das wesentliche Merkmal dieses Schneidprozesses ist die feuerpolierte Schnittkante, die optisch transparent und frei von Mikrorissen ist.

 

Quarzglasschneiden, ProzessExemplarisches Rohrsegment

Abb.1: Quarzglasschneiden, Prozess und exemplarisches Rohrsegment

 

Warmweichtrennen:

Gläser höherer Ausdehnung, wie z.B. Borosilikatglas (3,3∙10-6 1/K) oder Kalk-Natron-Glas (9∙10-6 1/K) lassen sich auch trennen, wenn dies unterhalb der Sublimationsschwelle erfolgt. Dabei wird das Glas, ebenfalls wieder mit dem CO2-Laser und angepasster Strahlformung, lokal bis zur Erweichungstemperatur erwärmt und anschließend einer mechanischen Verformung unterzogen. Recht häufig wird diese Methode beim Glasrohrtrennen angewandt, sie findet aber auch bei der Trinkglasherstellung oder Pharmaverpackungen Anwendung. Ein rotierendes Glasrohr wird am Umfang in einem schmalen Bereich aufgeschmolzen. Durch anschließendes Strecken des Rohres wird dieses in diesem Bereich auseinander gezogen. Mit einem direkt nachfolgenden Aufschmelzen entsteht ein feuerpolierter C-Schliff, der ein sehr homogenes Erscheinungsbild hat und der nicht dicker als die Wandung des Glasrohres ist. Da hier keinerlei Beschädigungen vorhanden sind, trägt diese Form der Trennkante wesentlich zur Stabilität des ganzen Glasproduktes bei. Begrenzt ist dieses Verfahren in der Materialdicke. Da das Glas nur durch Wärmeleitungsprozesse durchgewärmt werden kann, ist die maximale Stärke auf ca. 5 mm begrenzt.

Problematisch ist dieses Verfahren bei Flachglas. Im Gegensatz zu Rundmaterial kommt es hier zu keiner rotationssymmetrischen Spannungsverteilung und führt daher meist zum Bruch. Abhilfe schafft bei diesem Verfahren die homogene Erwärmung des Glases auf Werte nahe der Transformationstemperatur. Die Schwierigkeit besteht nun wiederum beim Handling, dem Strecken und Umschmelzen des Glases, das ebenfalls unter diesen Bedingungen durchgeführt werden muss.

 

Thermographieaufnahme Warmweichtrennen GlasTrennkante Glas

Abb. 2: Thermographieaufnahme Warmweichtrennen, Trennkante

 

 

Thermisch induziertes Lasertrennen:

Eine weitere Methode, Gläser höherer Ausdehnung zu trennen, ist das thermisch induzierte Trennen, auch Absprengen genannt. Dies funktioniert sowohl bei Rund- als auch Flachmaterial. Wiederum mit einem CO2-Laser wird das Glas am Rohrumfang oder entlang einer Linie lokal erwärmt. Dabei bewegt sich die Glastemperatur in Bereichen von max. etwa 500 °C. Wichtig ist, dass es nicht zum Aufschmelzen des Glases kommt. Dieser lokale Wärmeeintrag führt zur Ausbildung lokaler Spannungen. Durch einen Initialriss wird der Trennprozess eingeleitet. Der Riss folgt exakt der vorher mit dem Laser eingebrachten Spannungsspur. Die Kanten haben ein sehr sauberes Erscheinungsbild, sind frei von Mikrorissen, aber auch sehr scharfkantig. Der große Vorteil dieses Verfahrens sind die sehr hohen Trenngeschwindigkeiten.

 

Kantenvergleich Laser-Diamant [Quelle: Jenoptik] beim Schneiden von Glas[Quelle: Jenoptik] Abgesprengte Glasrohre

Abb. 3: Kantenvergleich Laser-Diamant [Quelle: Jenoptik], abgesprengte Glasrohre

 

 

Filamentieren:

Ebenfalls eine Art des thermisch induzierten Lasertrennens ist das Filamentieren. Verwendet wird hier aber eine kürzere Laserwellenlänge im Bereich von 1 µm oder darunter. In diesem Bereich ist das Glas eigentlich transparent. Hier werden sogenannte nichtlinear-optische Effekte genutzt: Durch ultrakurze Laserpulse wird im Laserfokus eine Schwellintensität überschritten und es kommt zur Absorption der Laserstrahlung. Beim Filamentieren erfolgt dies im Volumen. Das bedeutet, es entsteht entlang der zu trennenden Kontur eine Art Spannungsvorhang, an dem das Glas bricht. Wie auch beim thermisch induzierten Lasertrennen funktioniert dieses Verfahren am besten mit Gläsern höherer Ausdehnung, da eingebrachte lokale Spannungen schneller zum gezielten Bruch führen.

 

 

Trennen durch Abtragen:

Die bisher vorgestellten Trennverfahren beruhen alle mehr oder weniger auf einem lokalen Wärmeeintrag, um entweder das Glas zu Sublimieren, zu Schmelzen oder nur zu Erhitzen. Es gibt aber auch noch die Möglichkeit das Glas mit dem Laser ohne nennenswerten Wärmeeintrag zu trennen. Notwendig dazu sind Laserstrahlquellen, die sehr kurze Pulse im Piko- oder Femtosekundenbereich erzeugen können. Diese Ultrakurzpuls-Laserstrahlen werden auf die Glasoberfläche fokussiert. Das so bestrahlte Volumenelement wird, aufgrund der sehr hohen Energiedichten, die bis in den Gigawattbereich gehen können, schlagartig ablatiert. Dabei tritt aufgrund der Kürze des Pulses keine Wärmeleitung auf. Mit diesem Ansatz können beliebige Konturen abtragenderweise erzeugt werden. Beschränkt ist diese Trennmethodik hinsichtlich der Glasdicke. Verfahrensbedingt entstehen hier keine senkrechten Schnittkanten. Durch die sehr kleinen Brennfleckdurchmesser bis in den einstelligen Mikrometerbereich können sehr filigrane Strukturen bei sehr hohen Genauigkeiten erreicht werden. Nach diesem Verfahrensprinzip existiert aber auch eine Methode dickere Glasmaterialien zu trennen. Dabei wird der Laserstrahl an die Unterseite des Glases fokussiert. So erfolgt der Materialabtrag von unten nach oben. Damit werden senkrechte Trennkanten ermöglicht. Aber auch mit der CO2-Laser-Wellenlänge sind abtragende Trennschnitte möglich. Mit einer neuartigen Kurzpuls-Laserquelle, deren Pulse um den Faktor 1000 kürzer sind als bei herkömmlichen Laserquellen, kann auch mit 10,6 µm Wellenlänge ein Glasabtrag erfolgen. Der Vorteil dieser Wellenlänge ist die hohe Absorption am Werkstoff Glas.

 

Bohrungen mit UKP-Laser (Ø 1mm), Dünnglastrennen mit KP-CO2-LaserBohrungen mit UKP-Laser (Ø 1mm), Dünnglastrennen mit KP-CO2-Laser

Abb. 4: Bohrungen mit UKP-Laser (Ø 1mm), Dünnglastrennen mit KP-CO2-Laser

 

Fazit:

 

 

Für das Trennen von Gläsern mit Laserstrahlung gibt es verschiedene Trennmethoden, sowohl für den Mikro- als auch den Makrobereich. Dabei gibt es Verfahren, die bestehende Trenntechniken ersetzen können. Es gibt durch die Lasertechnik aber auch Methoden, die völlig neue Fertigungsstrategien und Konstruktionsmöglichkeiten eröffnen. Sicher sind einerseits die Anschaffungskosten für eine Laserquelle und deren Anlagenperipherie hoch, aber als verschleißfreies Werkzeug mit einem sehr hohen Automatisierungsgrad lohnt sich eine Investition in die Lasertechnik nachhaltig.

 

Curriculum Vitae: Dr.-Ing. Hartmut Müller, ifw Günther-Köhler-Institut, Jena

Dr.-Ing. Hartmut Müller, ifw Günther-Köhler-Institut, Jena
Dr.-Ing. Hartmut Müller, ifw Günther-Köhler-Institut, Jena

 

Beruflicher Werdegang

09/1966  -  08/1973 Diplomingenieurstudium, FSU Jena, Fachrichtung Technologie für den Wissenschaftlichen Gerätebau

1973 Diplomarbeit „ Untersuchungen zum Absprengverhalten beim Glas mittels Laser“

09/1973 -  08/1989 wiss. Mitarbeiter, FSU Jena, Sektion Technologie Wissenschaftsbereich Fertigungsprozesstechnik

Forschungsarbeit zum Schwerpunkt: „Teilefertigung mit Laser“

1981 Abschluss der Dissertation zum Thema: „Ein Beitrag zur Gestaltung von Teilefertigungsprozessen unter Verwendung von CO2- Laserstrahlen als Werkzeug“

09/1989 - 12/1991 Abteilungsleiter Technik im Forschungsbereich „Laserentwicklung“ am Physikalisch- Technischen- Institut Jena der Akademie der DDR in Jena

01/1992 - 07/1993 wiss. Mitarbeiter, FSU Jena, Technisches Institut

Aufbau des Bereiches Strahltechnik für die sich gründende ifw Jena GmbH

08/1993- 08/2006 Bereichsleiter Strahltechnik an der ifw Jena GmbH

09/2006- 11/2012 Hauptabteilungsleiter Forschung und Bereichsleiter Strahltechnik an der ifw Jena GmbH,
Forschungsschwerpunkt „Glasbearbeitung mit Laser“

Mitautor des Fachbuches „Lasermaterialbearbeitung“

2008- Vorstandsmitglied im tibb e.V., Koblenz

 

 

Curriculum Vitae: Dipl.-Ing.Thomas Schmidt, ifw-Günter-Köhler-Institut, Jena

Dipl.-Ing. Thomas Schmidt, ifw Günther-Köhler-Institut, Jena
Dipl.-Ing. Thomas Schmidt, ifw Günther-Köhler-Institut, Jena

 

Beruflicher Werdegang

09/1997 – 09/2000:
• Ausbildung zum Physiklaboranten bei der SICO Jena GmbH
• Arbeitsschwerpunkte: Qualitätssicherung, Interferometrie, 3D-Koordinaten-Messtechnik, Spektroskopie, Spannungsmessung und Beurteilung von Quarzglas und Quarzglasbauteilen

10/2000  -  10/2004
• Studium der Physikalischen Technik an der Fachhochschule Jena
• Diplomarbeit am ifw zum Aufbau einer Laser-Zweistrahlanordnung

11/2004 – heute:
• Angestellt als wissenschaftlicher Mitarbeiter am ifw
• Durchführung zahlreicher Projektarbeiten, z.B. Quarzglasschweißen, Laserstrahlpolieren, Glasrohrtrennen und –fügen, Glas-Metall-Verbindungen, Heißglastrennen, Temperaturmesstechnik und -regelung, Faserverbundwerkstoffe, Metallschneiden- und schweißen
• Halten von Vorträgen
• Verfassen von Veröffentlichungen
• Durchführung zahlreicher Applikationsuntersuchungen für Kunden
• Betreuung und Mitwirkung von Bachelor-, Master-, Diplom- und Doktorarbeiten
• Entwicklung von Fertigungsprozessen und Überführung in die industrielle Fertigung
• Aufbau und Inbetriebnahme von Lasermaschinen und Laserarbeitsplätzen
• Dienstleistungen zu verschiedenen Prozessen der Lasermaterialbearbeitung  

 

Kontakt Autoren:

Verantwortlich für diesen Beitrag:

Autoren: Dipl.-Ing. Thomas Schmidt, Dr. Hartmut Müller, ifw-Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH Jena und tibb e.V. Koblenz
E-Mail: tschmidt@ifw-jena.de, hlh.mueller@t-online.de, 
Webseite: www.ifw-jena.de

Bei weiteren Fragen, wenden Sie sich bitte direkt an die Autoren Dr.-Ing. Hartmut Müller und Dipl.-Ing. Thomas Schmidt.

Danksagung:

 

Die vorgestellten Ergebnisse entstanden in zahlreichen Forschungsvorhaben, unter anderem in:

 

  • HEIGLA – Prozessentwicklung zum Heißtrennen von Glas, Bestimmen der optimalen Laser- und Prozessparameter für das Heißtrennen von Glas; ZIM-Vorhaben KF2252509CK2
  • KRILAS – Laserbearbeiten von Kristallglaserzeugnissen; ZIM-Vorhaben KF2252510CK3
  • KOFLO – Konfektionierung von Floatglas mittels Laserstrahlung und Schneide; BMWi-Vorhaben MF140194
  • NANOMIR – Abtrags- und Schmelzverhalten bei der Materialbearbeitung mit Nanosekunden-MIR-Laser; BMWi-Vorhaben VF150013
  • PRÄZILAS – Präzise Laserbearbeitung von Glasoberflächen für Optikanwendungen; BMWi-Vorhaben MF160094
  • OLAF – Optimierung des UKP-Laserabtrages durch flexible Strahlformung; BMWi-Förderthema, Reg.-Nr.: BMWi-Vorhaben MF160078

 

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