Piko- und Femtosekundenlaser

Kalt geschnitten mit heißem Strahl

Nachhaltige Energieerzeugung und -speicherung, Displays und Geräte für globale Kommunikationsbedürfnisse sowie die E-Mobilität gehören zum Tagesgeschäft von Manz. Der Hightech-Anbieter von Produktionssystemen gewährte SCOPE-Chefredakteur Hajo Stotz einen Einblick in seine Displayfertigung. Mit von der Partie: die Tru Micro Serie 5000 von Trumpf, deren Pikosekunden- und die noch schneller taktenden Femtosekunden-Laser am sensiblen Werkstück Glas nur das wegnehmen, was weg muss. Eine glasklare Erfolgsgeschichte.

Obwohl der Laser heißer als die Sonne ist, ist durch den extrem kurzen Kontakt eine kalte Bearbeitung möglich.

Stabiler, leichter, genauer, härter. Ob beim Auto, in der IT, der Medizintechnik oder der Energietechnik – die Entwicklung der Werkstoffe schreitet rasant voran. Dabei reicht das Spektrum von hochfesten Stählen über Legierungen, Kunststoffe und Faserverbundwerkstoffe bis hin zu Glas.

Moment mal – Glas? Ist das nicht dieses Material, das immer häufiger durch Kunststoffe abgelöst wird? Ganz und gar nicht. Das Material hat im Gegenteil eine glänzende Zukunft. Wann Glas zum ersten Mal hergestellt wurde, ist nicht bekannt. Die frühesten Funde sind fast 6.000 Jahre alt. Doch Glas gab es schon vor dem Menschen. Es entsteht auf natürliche Weise, wenn durch Hitze Quarzsand geschmolzen wird, zum Beispiel durch Vulkane oder Blitzeinschläge über sandigen Gebieten. Das Besondere an dem Material ist: Nach dem Erkalten kristallisiert Glas nicht, sondern bleibt eine „erstarrte Flüssigkeit“. Die so entstandenen glasigen Gesteine wurden bereits vom Steinzeitmensch als Schneidewerkzeug benutzt.

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Heute ist Glas ein unverzichtbarer Werkstoff in vielen Branchen und wird in immer mehr Anwendungen genutzt. Als Displays etwa für Smartphones und Tablets werden täglich weltweit zigtausende Gläser hergestellt, die früher unmögliche Eigenschaften in sich vereinigen: leicht und dünn, hart und kratzfest, biegsam und berührungsempfindlich.

„Je hochwertiger die Gläser, desto schwieriger wird es, sie in hoher Verarbeitungsqualität in einem stabilen Prozess herzustellen.“ Dr. Dimitrij Walter, Leiter der Entwicklung Laser & Optical Devices bei der Manz AG.

„Je hochwertiger die Gläser, desto schwieriger wird es, sie in hoher Verarbeitungsqualität in einem stabilen Prozess herzustellen“, weiß Dr. Dimitrij Walter, Leiter der Entwicklung Laser & Optical Devices bei der Manz AG in Reutlingen. Der Maschinenbauer mit Sitz im baden-württembergischen Reutlingen ist einer der weltweit führenden Hightech-Anbieter von Produktionssystemen für nachhaltige Energieerzeugung und -speicherung, E-Mobilität sowie Displays und Geräte für globale Kommunikationsbedürfnisse.

Nachdem früher die Maschinen für die Solarmodulproduktion den Löwenanteil am Umsatz ausmachten, kommen Manz-Anlagen zur Laserbearbeitung, Automatisierung, Vakuumbeschichtung aber auch aus den Bereichen Messtechnik, Drucken und Nasschemie heute vorwiegend bei der Herstellung von Smartphones und Tablets zum Einsatz. Die hochpräzisen Maschinen sind auf der ganzen Welt gefragt.

Dr. Dimitrij Walter: „Die Herausforderung bei der Herstellung von Displays für Smartphones und Tablets liegt darin, das Bauteil in höchster Qualität in Sekunden herzustellen – und dass dieser Prozess über Millionen Gläser stabil läuft, die auf solchen Maschinen produziert werden.“

Ausschlaggebend für die Qualität ist es dabei, Abplatzung und Risse am Schnittrand zu vermeiden. „Das sind Mikrorisse, die man eigentlich nur unterm Rasterelektronenmikroskop wirklich sieht“, erklärt Walter. „Diese sogenannten Chippings an der Bearbeitungskante schädigen das Material enorm. Die Biegefestigkeit geht dann drastisch in den Keller. Das ist quasi die Keimzelle, wenn es unter Belastung zum Riss kommt.“

Die Laser der Tru Micro Serie 5000 sind Ultrakurzpulslaser. Ihre extrem kurzen Pulse von weniger als 10 Pikosekunden verdampfen nahezu jedes Material so schnell, dass keine Wärmeeinflusszone erkennbar ist.

Ein entscheidendes Bauteil der Anlage, die die Displays schneidet, ist deshalb der Laser. Hier setzt Manz unter anderem die Tru Micro Serie 5000 mit Pikosekunden-Laser von Trumpf ein. Die Ultrakurzpulslaser (UKP Laser), zu denen die Pikosekunden- und die noch mal um den Faktor 1.000 kürzeren Pulsdauern der Femtosekunden-Laser zählen, revolutionieren mit ihrer Präzision die Lasermaterialbearbeitung im µm und sub-µm Bereich.

Obwohl der Laserstrahl heißer als die Sonne ist, ist durch den extrem kurzen Kontakt eine kalte Bearbeitung möglich. „Das Werkstück merkt gar nicht, wie heiß es wird“, erläutert Jan Wieduwilt, Branchenmanager Mikrobearbeitung bei Trumpf. Mit kalter Materialbearbeitung erschließen sich UKP-Laser deshalb immer neue Anwendungen.

Etwa bei der Bearbeitung von Saphirglas, der Königsdisziplin der Display-Herstellung. Saphirglas besteht aus hochreinem Aluminiumoxyd und hat mit dem Grundmaterial Glas, welches aus Quarzsand besteht, technisch nichts gemeinsam. Gewöhnliches Mineralglas hat Härte 6,5 bis 7, ein Saphirglas hingegen hat Härtegrad 9 wie der Edelstein Saphir. Härte 10 kann nur der Diamant, der Anführer der Härteskala, als einziges Material der Welt aufweisen.

Das Werkstück merkt gar nicht, wie heiß es wird.“ Jan Wieduwilt, Branchenmanager Mikrobearbeitung bei Trumpf.

Saphirglas ist daher besonders gefragt, wenn es um extrem kratz- und stoßfeste und dabei sogar flexible Deckgläser geht. Schon lange wird es für Uhrengläser oder als Cover- oder Filtergläser für Kameralinsen benutzt, zunehmend auch für Handy-Displays. Mit seinen Eigenschaften bietet Saphirglas gegenüber dem in der Displayindustrie oft eingesetzten chemisch gehärteten Glas Vorteile. Wirtschaftlich lassen sich Displays aus dem extrem spröden Material Saphir aber erst dank Laserbearbeitung herstellen.

Denn bei einem Pikosekundenlaser verdampft das Material direkt, es wird keine Wärme an das Umfeld abgegeben und somit können auch keine thermischen Schädigungen auftreten. Eine aufwendige Nachbearbeitung der Displays entfällt damit.

Schonender arbeitet die jüngste Lasergeneration, deren Pulslänge nur einige 100 Femtosekunden ist (10-15). Eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer Sekunde. Ein Lichtstrahl benötigt von der Erde zum Mond etwa eine Sekunde - in 100 Femtosekunden schafft er nicht mal einen halben Haardurchmesser.

„Es reicht nicht aus, eine schöne Schnittkante hin zu bekommen.“ In-Jea Lee, Vice President Sales Solar bei Manz

Bei Manz sind die schnellen Pulser bereits im Prototypen-Einsatz. Dr. Walter: „Wir haben bei einem Kunden eine Femtosekunden-Maschine aufgestellt. Bei seinen Prozessen haben wir eindeutige Vorteile festgestellt. Beschädigungen im Material, die mit Pikosekunden-Impulsen entstanden sind, aber nicht aktzeptabel waren, konnten wir so eindeutig vermeiden.

Die Prozessqualität ist deutlich besser.“ Und Trumpf-Spezialist Wieduwilt bestätigt: „Wir können durchaus einen Femtosekunden Hype feststellen, denn für einige Materialien lohnt sich der Einsatz.“

Doch nicht nur der Laser ist für die Qualität der Displays entscheidend, sondern auch das Be- und Entladekonzept. „Es reicht ja nicht aus, eine schöne Schnittkante hin zu bekommen, aber die Chippings entstehen dann beim Entnehmen des Substrats oder Separieren von dem eigentlichen Substrat“, erläutert In-Jea Lee, Vice President Sales Solar bei Manz. „Dann ist die gesamte Arbeit, um den Laserprozess zu optimieren, völlig umsonst. Beim Glashandling haben wir teilweise Substrate mit einer Fläche von 2,2 mal 2,6 Meter bei 0,4mm Dicke. Die müssen natürlich entsprechend gehandelt werden.“ Manz setzt dabei kein Standardhandlingsystem ein, sondern entscheidet applikationsbezogen, ob mit Pickmaterialien, mit Ultraschall oder mit Vakuumgrippern gearbeitet wird. Lee: „Im Solarbereich haben wir vor einigen Jahren den Speedpicker in den Markt gebracht. Ein Kohlefaserarm, der, montiert auf einer Linearachse, sehr schnell und sehr akkurat arbeitet. Den setzen wir heute auch ein, um Displayglas zu handeln.“

Und Entwicklungsleiter Dr. Walter ergänzt: „Diese Kombination aus Know-how von Trumpf, in Bezug auf Laserquelle, und Optik sowie die Manz-Expertise in Handhabung, Vision-Technologie und das gemeinsame Prozess-Know-how stellen sicher, dass beim Kunden im Produktionsbetrieb dann auch diese tausende von Stückzahlen pro Stunde prozesssicher hergestellt werden können. Das macht unsere Anlagen weltweit so erfolgreich.“ Dieser Meinung ist offenbar auch einer der führenden Smartphone-Hersteller. Apple vertraut seit Jahren auf das Know-How aus Reutlingen und beschreibt die Zusammenarbeit mit seinem schwäbischen Partner in einer Pressemitteilung so: „Manz unterstützt uns dabei, die unglaublich feine Legierung sowie den Glasschnitt zu ermöglichen, die für die nahtlosen Einfassungen unserer Produkte erforderlich sind. Ihre technische Ausrüstung war ein wichtiger Beitrag für Apples Durchbruch in der Display-Technologie.“ Hajo Stotz

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