Glasbearbeitung per Laser

Durch produktiven Laserschnitt zum günstigeren Weinglas

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Ein Hoch auf den optischen Kerr-Effekt

Für das Filamentschneiden mittels Smartcleave wird der Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers

(Frequenz über 15 Pikosekunden) auf einen kleinen Punkt im Glassubstrat fokussiert. Die sehr hohe Laserstrahlintensität bewirkt eine Selbstfokussierung des Strahls im Glas (optischer Kerr-Effekt). Diese Selbstfokussierung erhöht die Leistungsdichte soweit, bis ab einem bestimmten Schwellenwert ein Plasma mit niedriger Dichte im Material entsteht. Dieses Plasma senkt den Materialbrechungsindex in der Mitte des Strahlenganges und bewirkt, dass der Strahl defokussiert wird. Wenn die Strahlfokussieroptik richtig konfiguriert ist, kann dieser Fokussierungs- respektive Defokussierungseffekt ausgeglichen werden, um sich periodisch zu wiederholen und sich selbst zu erhalten. So entsteht ein stabiles Filament, das heißt, eine Reihe winziger Hohlräume, die sich über mehrere Millimeter tief in das Glas hinein erstrecken. Der typische Filamentdurchmesser liegt im Bereich von 0,5 bis 1 μm.

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Unterschiedliche Maßnahmen bei transparenten Werkstoffen nötig

Beim Schneiden wird das Glas quer zum Strahl bewegt. So entsteht eine Reihe von engen Filamenten dieser Art. Je nach Materialstärke und gewünschter Schnittgeometrie kann eine Bewegungsgeschwindigkeit von 100 mm/s bis 2 m/s eingestellt werden. Bei chemisch oder thermisch gehärtetem Glas führt die innere Spannung im Bauteil dann zu einer spontanen Separation, ohne zusätzlichen Bearbeitungsschritt. Bei nicht gehärteten Gläsern und anderen transparenten Materialien, wie etwa Saphir, ist nach dem Smartcleave-Prozess jedoch noch ein zusätzlicher Schritt zum Separieren nötig – entweder durch geringe mechanische Kraft oder durch thermische Spannung geschehen. Letzteres wird beispielsweise oft durch Erhitzen mit einem CO2- oder CO-Laser oder auch einer Flamme erreicht.

Der Ultrakurzpuls-Laser ist die Lösung

Ein Schlüsselfaktor für die praktische Umsetzung des Smartcleave-Schneidens ist der Einsatz eines UKP-Lasers, der den sogenannten "Burst-Modus" ermöglicht, wie beispielsweise der Coherent Hyper-Rapid NX. Im Burst-Modus liefert der Laser eine Reihe von Pulsen in engem zeitlichem Abstand. Ist der Zeitpunkt zwischen den nachfolgenden Pulsen im Burst kürzer als die Wärmediffusionszeit des Materials, baut sich im Glassubstrat Wärme auf, was die Glasverformbarkeit erhöht. Dadurch entsteht ein sanfteres und somit spannungsärmeres lokales Aufheizprofil als bei einer Reihe von Impulsen mit äquivalenter Energie, die über einen längeren Zeitraum abgegeben werden. Dieser schonendere Wärmezyklus bringt mehrere wichtige Vorteile mit sich. Erstens erhöht er die Schnittgeschwindigkeit um bis zu Faktor zwei. Des Weiteren entstehen Löcher, die glatter und gerader sind als beim Einzelpuls-Filamentschneiden. Zudem gibt es keine Mikrorisse an den Lochrändern, was die Stabilität des Glases sehr erhöht.

Bis zu 80 Gläser pro Minute bearbeiten – rund um die Uhr

Das Unternehmen iprotec hat ein vollautomatisches System entwickelt und zur Marktreife gebracht, welches das Smartcleave-Verfahren zur Entfernung des Überglases nutzt. Im Einsatz ist dort ein Coherent Power-Line Smartcleave Sub-System, das auf einem Hyperrapid NX Laser mit 50 W durchschnittlicher Ausgangsleistung und einer Wellenlänge von 1064 nm basiert. Das Subsystem beinhaltet auch mehrere optische Komponenten, Strahlweichen, Sensoren und Elektronik. Alles wird durch die Lasersteuerung von Coherent gemanagt, einschließlich eines Laserschutzkonzepts, das sich problemlos in das Sicherheitskonzept des iprotec-Systems integrieren lässt. Je nach Konfiguration und Einsatz der Anlage können bis zu 80 Gläser pro Minute bearbeitet werden.

Das System ist außerdem die erste mit Smartcleave-Technik ausgestattete Trinkglas-Schneidanlage auf dem Markt. Die Anwender profitieren von einer Senkung des Energiebedarfs bei gleichzeitiger Ertragssteigerung und minimiertem Ausschuss. Das System hat sich bereits im praktischen Einsatz bewährt und gewährleistet die von großen Trinkglasherstellern geforderte 24/7-Zuverlässigkeit.

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