Glasbearbeitung per Laser Durch produktiven Laserschnitt zum günstigeren Weinglas

Autor / Redakteur: Katharina Manok / Peter Königsreuther

Die sogenannte Glaskappe bei Gläsern muss entfernt werden. Neuerdings erledigt das ein Ultrakurzpulslaser in Kombination mit dem Smartcleave-Prozesses von Coherent. Warum? Das erfahren sie hier...

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Die iprotec (Innovative Process Technology) GmbH, ein Unternehmen, das Systeme zur Herstellung von Trinkgläsern entwickelt und fertigt, hat jetzt eines der modernsten verfügbaren Laserverfahren zur Entfernung der prozessbedingten Glaskappe bei solchen Gläsern entwickelt, heißt es. Mit dabei ist der Coherent-Laser Hyperrapid NX – hier beim Filamentschneiden eines Weinglases.
Die iprotec (Innovative Process Technology) GmbH, ein Unternehmen, das Systeme zur Herstellung von Trinkgläsern entwickelt und fertigt, hat jetzt eines der modernsten verfügbaren Laserverfahren zur Entfernung der prozessbedingten Glaskappe bei solchen Gläsern entwickelt, heißt es. Mit dabei ist der Coherent-Laser Hyperrapid NX – hier beim Filamentschneiden eines Weinglases.
(Bild: Coherent)

Weingläser werden seit Jahrtausenden verwendet und kaum jemand würde sie als "Hightech"-Produkte bezeichnen. Die iprotec GmbH (Innovative Process Technology), ein Unternehmen, das Produktionsanlagen zur Herstellung von Trinkgläsern entwickelt und fertigt, hat nun eines der modernsten verfügbaren Laserverfahren zur Entfernung der prozessbedingt unumgänglichen Glaskappe entwickelt. Dabei wird das Glas per Ultrakurzpuls-Lase (UKP) und Smarcleave-Prozesses von Coherent geschnitten, was zu hervorragenden Ergebnissen, reduzierten Kosten und einer umweltfreundlicheren Fertigung führt. Jetzt bietet iprotec das Ganze auch in automatisierten Systemen an.

Dabei ist iprotec das einzige Unternehmen, dessen Maschinen alle Schritte des Produktionsprozesses von Hohlgläsern (Speisen, Pressen, Blasformen, Verschmelzen, Trennen, Mundrandfeuerpolieren, Prüfen, Lasermarkieren, Verpacken et cetera) abdecken. Darüber hinaus beliefert es die Automobilindustrie etwa mit Montage-, Klebe-, Prüf- und Schweißsystemen und fertigt eine Vielzahl spezialisierter Produktionsanlagen nach spezifischen Kundenanforderungen. Eigene Design-, Beschaffungs-, Elektro-, Fertigungs- und Montageabteilungen sorgen für hohe Flexibilität und perfekten Kundenservice.

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Die üblichen Schritte der Weinglasherstellung

Wie geht das alles vor sich? Nun, ein Tropfen geschmolzenen Glases wird zunächst in eine Form appliziert. Dann wird Luft in den Tropfen geblasen, damit er sich ausdehnen und die Form ausfüllen kann. Das Glas kühlt in der hohlen Form ab, wobei produktionsbedingt eine "Glaskappe" (das sogenannte Überglas) entsteht. Diese Kappe wird in den späteren Produktionsschritten zum Halten und Handhaben des Glases benötigt – beispielsweise um Glasstiel oder -boden zu befestigen – und erst danach entfernt. Die Kante, die durch das Entfernen der Kappe entsteht, bildet letztlich den Trinkrand des fertigen Glases, an dem die Lippen ansetzen, und darf deshalb keine scharfen Ränder mehr aufweisen.

So sehen die 10 Hauptschritte der Weinglasherstellung aus: 1. Bereitstellen und Vorformen des geschmolzenen Glastropfens, 2. Einlegen in die Maschine, 3. Aufblasen (durch eine gezielte Luftzuführung füllt das Glas die Form), 4. Entnehmen des Glases aus der Maschine. 5. Zuführen des geschmolzenen Glastropfens für Stiel und Bodenplatte, 6. Pressen des Stiels und der Bodenplattel, 7. Entnehmen aus der Maschine, 8. Schneiden des Glases, 9. Mundrandfeuerpoliere, 10. Fertiges Glas.
So sehen die 10 Hauptschritte der Weinglasherstellung aus: 1. Bereitstellen und Vorformen des geschmolzenen Glastropfens, 2. Einlegen in die Maschine, 3. Aufblasen (durch eine gezielte Luftzuführung füllt das Glas die Form), 4. Entnehmen des Glases aus der Maschine. 5. Zuführen des geschmolzenen Glastropfens für Stiel und Bodenplatte, 6. Pressen des Stiels und der Bodenplattel, 7. Entnehmen aus der Maschine, 8. Schneiden des Glases, 9. Mundrandfeuerpoliere, 10. Fertiges Glas.
(Bild: Coherent)

Zwei Arten der konventionellen Überglasentfernung

Die konventionell eingesetzten Technologien zum Entfernen des Überglases lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen – die eine betrifft das Entfernen des Deckels bei heißen, die andere bei kalten Gläsern. Die Kappe kann also durch Erwärmen des Glases oder respektive durch Anritzen des Mundrandes durch einen Thermoschock abgetrennt werden. Bei letzterer Methode wird die Kappe noch mechanisch entfernt, wozu ein Luftstoß oder ein mechanischer Impuls ausreichen. Neuerdings hat der CO2-Laser die bisher verwendete Flamme zum Erwärmen des Glases abgelöst. Doch: ein weiterer Schritt zum physischen Entfernen der Kappe ist bei dieser Methode ebenfalls erforderlich.

Die Tücken der herkömmlichen Glasbearbeitung

Oft sind diese Trennverfahren für die geforderte Qualität am Glas nicht wirklich ideal, weshalb verschiedene Nachbearbeitungsschritte, wie mechanisches Schleifen und Facettieren, nötig werden, um die gewünschte Oberflächenqualität zu erreichen. Das kostet natürlich zusätzlichen Zeit und letztlich Geld. Das Schleifen verbraucht auch noch Wasser und hinterlässt Glasreste – beides mit negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Auch müssen die Gläser danach getrocknet werden – das erhöht den Energiebedarf bei der Glasherstellung. Zu bedenken ist auch, dass die mechanischen Kräfte beim Schleifen zum Bruch des Glases führen können. Weil die Wanddicke von Glas zu Glas variieren kann, sind beide Schneidprozesse noch nicht mal vollständig reproduzierbar.

Patentierte Filamentisierung mittels UKP-Laser

Doch es gibt auch noch die "Filamentierung", eine alternative Glastrennung mit Vorteilen im Vergleich zu thermischen respektive mechanischen Verfahren durch Flamme oder CO2-Laser. Ausgenutzt werden dabei sehr hohe Leistungsdichten, die mit einem Ultrakurzpulslaser selbst bei geringer Gesamtlaserleistung erreicht werden können.

Die patentierte Version dieses energieeffizienten Prozesses von Coherent heißt Smartcleave. Das Ver-fahren ermöglicht das Hochgeschwindigkeitsschneiden von geraden Linien, Kurven und Einsätzen ohne Schnittspalt in transparente und spröde Materialien mit einer Dicke zwischen 50 µm bis 10 mm. Smartcleave erzeugt auch glatte Oberflächen mit einer Rauheit (Ra) von unter 1 μm und Ausmuschelungen von kleiner 5 μm. Und vor allem führt es zu einer Biegefestigkeit, die den mechanischen Verfahren messbar überlegen ist. Das macht es etwa für Touchscreen-Hersteller besonders attraktiv.

Weinglaskappen entfernen – ohne Nachteile

Beim Entfernen der Weinglaskappen hebt Smartcleave praktisch alle Nachteile des Brenn- oder CO2-Laserschneidens auf. Die Laserenergie wird räumlich so präzise und begrenzt eingesetzt, dass es zu keiner Erwärmung des Glases und damit zu keiner thermischen Schädigung des Materials kommt. Es entsteht eine extrem glatte Kante ohne Grate, Risse oder Ausbrüche, wodurch sich jegliche Nachbearbeitung erübrigt. Somit entfallen alle zusätzlichen Schleif-, Wasch- und Trocknungsschritte sowie deren Energieverbrauch, Zeitaufwand, Kosten und Umweltauswirkungen (kein Staub und Nieder-schlag auf den Gläsern). Smartcleave erhöht den Ertrag, verbessert die Qualität und senkt die Produktionskosten.

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.

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.

Effektive Lasersystemanwendung ohne Experte sein zu müssen

"Wir haben schon frühzeitig bei der Entwicklung unserer aktuellen Systeme zur Glaskappenentfernung festgestellt, dass das Smartcleave-Schneiden einen enormen Nutzen für unsere Endanwender bietet", sagt Tobias Bredl, Projektleiter bei iprotec. "Wir haben Coherent als unseren Lieferanten für Lasersubsysteme ausgewählt, weil Coherent uns bei der Entwicklung des Prozesses und der Technologie unterstützen konnte und wollte." Dies ist für ihn besonders wichtig, wenn zum ersten Mal eine neue Technologie zu implementierenm ist, die man nicht kennt. Denn zum Laserexperten wollte man dort nicht werden müssen, um Smartcleave nutzen zu können. Aufgrund der Bereitschaft von Coherent, das notwendige Wissen und die entsprechenden Produktlösungen zur Verfügung zu stellen, konnten das Unternehmen die Markteinführungszeit verkürzen und die Gesamtentwicklungskosten senken. Bredl weiter: "Außerdem gefiel uns der Hyperrapid NX-Laser aus mehreren Gründen gut. Er setzt den Burst-Modus sehr effektiv um, und arbeitet zuverlässig. Auch macht sein kompaktes Design die Integration in unsere Maschinen sehr einfach. Dazu kommt, dass Coherent-Laser, Subsysteme und Hauptsysteme durch ein starkes, globales Servicenetzwerk unterstützt werden. Das ist uns wichtig, denn wir versenden unsere Anlagen in die ganze Welt."

Vom Elfenbeinturm in die uralten Industriezweige der Praxis

Die Tatsache, dass iprotec in der Lage ist, eine so anspruchsvolles Hightech für eine jahrhundertealte Lowtech-Aufgabe bereitzustellen, zeige wie einzigartige Bearbeitungsverfahren mit UKP-Lasern selbst traditionelle Industrien revolutionieren können. Dies ist auch ein Beispiel für die ausgereifte, industrielle Anwendung der UKP-Lasertechnologie, die über Jahrzehnte wissenschaftlichen Anwendungen vorbehalten war und jetzt in hochkomplexen, industriellen Prozessen Einsatz findet: von der Herstellung von Smartphone-Displays bis hin zur Serienproduktion eines bescheidenen Weinglases – eines der ältesten Konsumgüter der Menschheit. Neben vielen anderen werden auch ausgeklügelte Prozesse wie die Herstellung von Smartphone-Displays mit dieser Technik realisiert.

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