Femtosekundenlaser: neue Maßstäbe (nicht nur) beim Glasschnitt

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Während sich die Raumsonde Voyager anschickt, die vielzitierten unendlichen Weiten des interstellaren Raums zu erforschen, dringt im wahrsten Sinne des Wortes die experimentelle Physik sozusagen in entgegengesetzter Richtung immer weiter in den Mikrokosmos der unendlich kleinen Teilen vor. Um nun die Daten in beide Richtungen eleganter benennen zu können, kennt das metrische System sogenannte Präfixe. Während beispielsweise Micro und Nano weitestgehend schon bekannt sind, klingen Pico und Femto zunächst noch etwas gewöhnungsbedürftig. Ein Femto entspricht einem Billiardstel, das ist in Zehnerpotenzen ausgedrückt 10-15 oder dezimal 0,000000000001.

Dafür, dass das Femto jetzt noch bekannter wird und weiter ins Bewusstsein vordringt, sorgt derzeit die Firma Trumpf aus Ditzingen bei Stuttgart. Das weltweit tätige Technologie-Unternehmen stellt Werkzeugmaschinen sowie Laser und Elektronik für industrielle Anwendungen her. Mit ihren knapp 11.000 Mitarbeitern und insgesamt 60 Tochtergesellschaften ist die Gruppe in fast allen europäischen Ländern, in Nord- und Südamerika wie auch in Asien vertreten. Trumpf forscht, entwickelt und vertreibt innovative Produkte für den industriellen Bereich. Dazu gehört auch der sogenannte Femtosekundenlaser und damit eine hochinnovative Technologie, die es über ultrakurz gepulstes Laserlicht ermöglicht, Gläser und grundsätzlich alle Materialklassen einschließlich spröder und niedrig schmelzender Werkstoffe sauber und effizient zu trennen.

Femtosekundenlaser schafft scheinbar Unmögliches

Moment mal: mit Licht Glas trennen? Das mutet auf den ersten Blick völlig irrwitzig an, gehört doch die Lichtdurchlässgkeit zu den bekanntesten Eigenschaften von Glas, und entsprechend gehen auch die meisten infraroten Strahlen von Festkörperlasern durch Glasscheiben hindurch. Anders verhält sich das alles jedoch bei ultrakurz gepulstem Laserlicht im Pico- oder Femtosekundenbereich: Denn hier verändert die hohe räumliche und zeitliche Photonendichte in den Pulsen den Absorptionsmechanismus des transparenten Materials. Im Ergebnis lässt sich via Femtosekundenlaser Glas (übrigens beispielsweise auch Saphir) geradezu perfekt mit Laserstrahlen bearbeiten. Gerade die Elektronikindustrie macht sich diese Ultrakurzpulslaser schon länger zunutze, um solche transparenten Materialien wie Glas zu schneiden, etwa für den ständig wachsenden Bedarf an Smartphone- und Tablet-Displays.

Das Prinzip klingt utopisch und ist doch vergleichsweise simpel: Statt auf konventionellem Wege das Material ablativ zu schneiden und sich Stück für Stück durch das Material zu arbeiten, wird es bei dem Verfahren mit Femtosekundenlasern durch optische Einwirkung gezielt modifiziert. Die ultrakurz gepulsten Strahlen des Femtosekundenlasers erreichen das Innere des Glases und verändern dort punktgenau eine schmale Zone entlang der gewünschten Trennlinie. Diese Veränderung wiederum erzeugt eine intrinsische Spannung, die das Glas mit Hilfe des Femtosekundenlasers sehr kontrolliert und zudem spiegelglatt auf den Hundertstelmillimeter genau reißen lässt. Die so erzielte extrem hohe Qualität der Schnittkanten hält gut und gerne Schritt mit der polierter Glaskanten, zumal es bei dem Prozess zu keinen Mikrorissen und schon gar nicht zu Glassplittern kommt. Darüber hinaus handelt es sich um ein „kaltes“ Verfahren, bei dem faktisch keine Erwärmung auftritt, die das bearbeitete Material beschädigen könnte.

Dieses schon einige Jahre bekannte und auch industriell genutzte Prinzip der Ultrapräzisionsbearbeitung von Glas durch den Femtosekundenlaser hat Trumpf jetzt entscheidend weiterentwickelt. Und das mit deutlichen Verbesserungen für die Prozessabläufe: Die industriellen Vorgänge beschleunigen sich um das Hundertfache.

TOP Cleave optimiert den Femtosekundenlaser

Wer weiß, wie eng es zugeht in der industriellen Kalkulation, dem ist klar, um welche Horizonte es beim Faktor 100 geht. Als „Turbo für Material-Modifikation im Glas“ bezeichnet Trumpf daher völlig zu Recht die im Juni 2015 zur Weltleitmesse LASER World of PHOTONICS in München vorgestellte neue Optik für Femtosekundenlaser mit der Bezeichnung TOP Cleave. Das Fachpublikum zeigte sich begeistert, ermöglicht dies doch, selbst millimeterdickes Glas mit einer bislang unvorstellbaren Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde zu trennen.

Zum Einsatz bringt Trumpf dafür mit dem TruMicro 5080 einen selbst entwickelten und äußerst leistungsstarken Femtosekundenlaser. Dieser verteilt die Intensität des Laserlichts gleichmäßig entlang der Strahlachse, wodurch der Fokus in die Länge gezogen wird: Aus dem Fleck wird sozusagen eine Fokuslinie und die Laserpulse rastern das Glas nicht mehr Ebene für Ebene durch, sondern modifizieren es äußerst effizient mit nur einer einzigen Überfahrt – je nach Pulsenergie die komplette innere Trennfläche einer bis zu 700 Mikrometer dicken Scheibe. Bei dieser Dicke schaffen es die leistungsstarken TruMicro-Laser mit der TOP-Cleave-Technologie auf eine Trenngeschwindigkeit von bis zu einem Meter pro Sekunde, also etwa einhundert Mal schneller, als es ohne sie möglich wäre!

Millimeterdickes Glas mit grüner Wellenlänge sauber und schnell trennen

Das neue Flaggschiff unter den TruMicro-Lasern von Trumpf liefert aktuell mit seinen bis zu 1.000 Kilohertz die höchste Repetitionsrate und mit den performierten maximal 500 Mikrojoule die energiereichsten Pulse in der Welt industrieller Ultrakurzpulslaser. Der Laser verfügt über 150 Watt mittlere Leistung, was ihn extrem stark in allen Anwendungen werden lässt. Die TOP-Cleave-Optik kann die hohe Leistung des TruMicro 5080 auf einer so langen Fokuslinie verteilen, dass das Laserlicht selbst Gläser mit einer Dicke von mehr als einem Millimeter modifizierend trennt. Das Lasergerät ist darüber hinaus einer der ersten Industrielaser überhaupt, die Femtopulse mit grüner Wellenlänge erzeugen können, und verbindet damit zwei entscheidende Vorteile: Zum einen tragen die Impulse der Femtosekundenlaser trotz höherer Spitzenintensitäten noch weniger thermische Energie in das Werkstück ein als Picosekundenpulse und eignen sich damit besonders zur extrem feinen Bearbeitung von Glas, Metall oder thermisch sensibler Materialien wie spezieller Folien. Zum anderen lässt sich grünes Licht sehr klein fokussieren. So haben die grünen Strahlen eine größere Rayleigh-Länge als infrarotes Licht und dadurch mehr Tiefenschärfe. Daher eignet sich der TruMicro 5080 auch besonders gut dazu, extrem feine und präzise Löcher zu bohren, so etwa für Einspritzdüsen.

Nicht zuletzt aber überzeugt der neu vorgestellte Femtosekundenlaser auch durch seine flexible und einfache Handhabung. So ist er leicht integrierbar in Industriemaschinen und lässt sich zudem sogar im Inneren der Anlagen warten; eine aufwändige Entnahme und anschließende Neujustierung des Strahlwegs entfallen dabei völlig. Dafür sorgt ein neues technisches Konzept, bei dem alle relevanten Komponenten für Wartung und Austausch wie etwa Stromleitungen, Kühlleitungen, Elektronik oder optischer Raum leicht zugänglich gehalten sind. Das wiederum senkt die Stillstandzeit der Bearbeitungsmaschine und erhöht deren Wirtschaftlichkeit beträchtlich.

Mit dem Femtosekundenlaser made in Germany hat sowohl in der herstellenden als auch in der verarbeitenden Industrie die Zukunft ein Stück weit begonnen und das nicht nur beim Glasschnitt.


Bildnachweis: © TRUMPF

Marius Beilhammer

Über 

Marius Beilhammer, Jahrgang 1969, studierte Journalismus in Bamberg. Er schreibt bereits viele Jahre für technische Fachmagazine, außerdem als freier Autor zu verschiedensten Markt- und Businessthemen. Als fränkische Frohnatur findet er bei seiner Arbeit stets die Balance zwischen Leichtigkeit und umfassendem Know-how durch seine ausgeprägte Affinität zur Technik.

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