Ziel der Entwicklung
Gläser und Glaskeramiken sind eine der wichtigsten industriellen Stoffgruppen mit vielseitigen Eigenschaften und Anwendungen. Zu ihren Eigenschaften gehört die optische Transparenz, eine hohe chemische Beständigkeit, Oberflächenhärte, elektrische Isolation und in einem weiten Bereich veränderbare thermische Ausdehnungskoeffizienten und Brechungsindizes. Daher kommen Gläser und Glaskeramiken in der Optik, der Sensorik und Messtechnik, der Medizin und Pharmazeutik sowie der Elektronik- und Konsumproduktfertigung sehr oft zur Anwendung.
Daher wurden Schweißverbindungen an Gläsern und Glaskeramiken mit Ultrakurzpulslasern systematisch untersucht. Die wissenschaftlichen Veröffentlichungen zu dem Thema sind zwar zahlreich, befassen sich aber immer mit Laboraufbauten, einzeln gefertigten Proben und Untersuchungen einzelner Einflussparameter. Bis auf einzelne Ausnahmen sind auch nur Proben geschweißt worden, die vorher optisch kontaktiert wurden. Diese Kontaktierung ist zwar im Labormaßstab unproblematisch, aber für industrielle Prozesse mit einem enormen Aufwand verbunden. Im beantragten Projekt sollten reproduzierbar Verbindungen ohne Aufwand bezüglich Nahtvorbereitung hergestellt werden.
Außerdem wurden Mikro-Glas-Schweißungen bisher mit Mikroskopobjektiven durchgeführt, was den Prozess langsam macht und nur geringe Werkstückdicken zulässt. Diese Limitationen sollten überwunden werden.
Ziel des Projektes war die Erarbeitung eines Laserprozesses, mit dem sich Glas fügen lässt, ohne es makroskopisch zu erwärmen oder zu verformen. Dieser Prozess sollte große Arbeitsabstände und Werkstückdicken zulassen und der Aufwand zur Nahtvorbereitung sollte reduziert werden.
Vorteile und Lösungen
Das Schweißen mit Ultrakurzpulslasern ermöglicht einen Energieeintrag und ein Aufschmelzen von Gläsern mit Durchmessern von einigen Mikrometern. Da ein Schmelzbad dieser geringen Größe innerhalb von Millisekunden erzeugt werden kann, lassen sich mit einem beweglichen Laserstrahl innerhalb von Minuten Werkstücke von mehreren Zentimetern Größe verschweißen. Weil das Schmelzbad so klein ist, wird das Werkstück außerhalb der Naht kaum erwärmt. Vorteilhaft ist auch, dass sich durch transparente Gläser innenliegende Grenzflächen schweißen lassen, die geometrisch nicht zugänglich sind. Sie müssen nur von außen sichtbar sein.
Zum Erreichen der Ziele wurde der UKP-Schweißprozess von Mikroskopobjektiven auf die in der Lasermaterialbearbeitung übliche Fokussierlinsen übertragen. Der Strahl kann nun mit Galvoscannern schnell über das Werkstück gelenkt werden und die höheren Brennweiten erlauben Arbeitsabstände bzw. Werkstückdicken von mehreren Zentimetern. Dadurch ist die Justage des Lasers zum Werkstück auch deutlich einfacher.
Die Experimente wurden an Quarz, Zerodur und BK-7 durchgeführt. Dabei wurde auch untersucht, welche Oberflächenqualität wirklich nötig ist, um die Fügeverbindung zu etablieren. Wie sich herausgestellt hat, ist für den Nullspalt keine Nanometer-Politur oder herausragende Ebenheit notwendig. Auch Gläser mit einer „schlechten“ Politur von SD 80-60 und Unebenheiten von L/2 konnten gefügt werden.
Die verschweißten Proben wurden Zugtests unterzogen und zeigten eine Belastbarkeit, die in der gleichen Größenordnung liegt wie das ursprünglichen Glas.
Zielgruppe und Zielmarkt
Mit der entwickelten Technologie können Glasverbindungen hergestellt werden, die frei von Zusatzmaterialien, gasdicht und langzeitstabil sind. Dies eignet sich beispielsweise für das Fügen von Optikbaugruppen, Mikrofluidik-Chips, Sensor-Kapselung, Mikrotechnik, Glasapparatebau, und Pharmazie.
Interessenten können sich am ifw Jena den Prozess ansehen und eigene Anwendungen mit uns diskutieren. Im Rahmen von bilateraler Zusammenarbeit kann der Prozess anwendungsspezifisch angepasst werden. Des Weiteren bietet das ifw Jena auch die Lohnfertigung mit diesem Prozess an und forscht im Rahmen öffentlich geförderter Projekte weiter am Prozess, um verbleibende Herausforderungen zu lösen.
