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

 

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