V pozvánce na International Laser Technology Congress AKL´16, se u oceňovaných exponátů v rámci této akce v soutěži Innovation Award Laser Technology ukazuje i na význam laserových technologií při opracování skla. První cenu získal tým Dr. Ralfa Preu z Fraunhoferova institutu pro solární energetické systémy ISE za využití technologie Laser Fired Contact LFC při výrobě vysoce efektivních křemíkových solárních článků. A to s účinností 19,5 % i v rámci sériové výroby. Oceněn byl i tým z Eindhoven University of Technology za stolní femtosekundový laserový systém pro 3D subtraktivní technologii mikro- a nanoopracování skla (obr. 1, obr. 2). Sklo je svou strukturou a stupněm absorpce laserového paprsku pro zpracování laserem odlišným materiálem, než jak je tomu u kovů nebo plastů. Ale i tady nachází laser a zvláště pak laser s ultrakrátkou délkou pulzu řadu svých možností a nových aplikací. Včetně jejich uplatnění i při tak hromadné výrobě, jakou dnes představuje např. opracování tvrzeného skla pro displeje komunikační techniky, tablety nebo LCD systémy, ať už jde o řezání či v poslední době zvláště bezodpadové dělení dílů. Sklo se tak stává stále žádanějším konstrukčním materiálem a rozšiřuje se i rozsah jeho použití. V následujícím textu proto přinášíme a zároveň tím odpovídáme i na řadu individuálních dotazů, alespoň výběr z novinek vývoje jeho zpracovatelských laserových technologií podle posledních poznatků předních řešitelských pracovišť. Bezodpadové dělení skleněných dílů a jiných podobných křehkých nebo transparentních materiálů, jako jsou např. safír nebo keramika, patří v současné době vůbec k vrcholům vývoje laserových technologií a právě tady svou podstatnou roli hraje možnost užití ps a fs laserů s ultrakrátkou délkou pulzu paprsku. Jeden z předních výrobců laserové techniky, firma TRUMPF, po vývoji laseru vhodného k řezání skla, „zelené“ variantě laseru TruMicro 5070 – tentokrát s označením 5270, vlnovou délkou 515 nm a výkonem 60 W šla ještě dále a představila technologii TOP Cleave Optics. Využila modifikace skla při jeho ozáření laserem s ultrakrátkými pulzy. Běžně sklem, jako transparentním materiálem, infračervené paprsky laseru procházejí. Vytvořením liniové fokusace paprsku podél předpokládané kontury dělení dochází při ultrakrátké délce paprsku s vysokou hustotou fotonů ale v liniové struktuře skla k takové změně, jejímž následkem je vznik vnitřního pnutí ve skle s následným lomem. Přesnost dělení je v setinách mm, a to i při různě tvarovaných konturách, postup dělení je až 100násobně rychlejší oproti dosavadní technologii. TRUMPF představil systém ve spojení s výkonným laserem TruMicro 5080 a s možností dělení až do tloušťky skla 1 mm (obr. 3). Bezodpadovou technologii dělení skla uvádí i firma Rofin se svým technologicky obdobným systémem Smart Cleave FI, tentokrát pro tloušťku děleného skla od 100 μm až do 10 mm. Řezná rychlost je tu ≥300 mm/s při dosažené drsnosti řezu Ra< 1 μm. Laserový zdroj ps StarPico s 15 ps přináší výkon 50 W. Dělit lze i povlakovaná skla nebo skleněné trubky (obr. 4). Je ale i řada jiných úkolů spojených se sklem, kde laser může dosavadní technologii podstatně zefektivnit. Častým úkolem je i pouzdření elektronických prvků hybridních systémů nebo medicínské techniky k zajištění dlouhodobé hermetičnosti. I tady existuje několik postupů. Ty nejjednodušší s lepením nepřináší spolehlivé výsledky. Na řadu pak přichází pájení skla laserem, a to při nižších teplotách, kdy se ještě nenarušuje citlivost chráněných prvků. Používá se při něm pájecí pasta se strukturou obsahující navíc drobné skleněné mikročástice. Pájecí pasta se nejprve přes masku nanese na kryt dílu, aby po krátkodobém ohřevu v elektrické peci zeskelnatěla. Vlastní pájení následuje pak po sesazení dílů skenováním laserového paprsku obdoby kvazisimultánního postupu (obr. 5). A pokud by pro citlivé díly při zajišťování jejich hermetičnosti nebyla vhodná ani teplota pájení, řeší propojení takových skleněných dílů v ILT obvyklou technologií pro spojování dvou transparentních látek. Tady je pro nutnou absorpci laserového paprsku mezi skleněné díly vkládána absorpční mezivrstva. Osvědčil se titan. Ve skle se mohou vést i vodivé dráhy. Výrobní postup na principu laserového strukturování vyvinuli v LPKF Laser & Elektronics. Na počátku postupu, označeného TCO/TTO Processing, se na skleněnou nevodivou desku nanáší tenká vrstva speciálního vodivého materiálu, např. indium-zinnoxid, o tloušťce několika nm. Pro denní světlo opět průhledného, ale laserový paprsek absorbující. Absorbování paprsku v takovém materiálu provází pak jeho natavení nebo odpaření materiálu nebo i vytváření zvláštních chemických vazeb. Pestrost úkolů, kde se může uplatnit laser při zpracování skla, ukazuje i metoda z Fraunhoferova institutu ILT – mikroděrování sítě přesných otvorů ve skleněných fóliích, s počtem otvorů i nad 1000. Využil se tu ps Nd:YAG laser s upravenou frekvencí a galvanoskenerem. Při tloušťce fólie 50 μm dokázal vytvářet rastr i 1200 otvorů o průměru otvoru <20 μm. Obdobný postup se dá využít i při děrování 50μm hliníkových fólií, a to již od průměru otvoru 3 μm. Častým úkolem je spojování ať už skleněných dílů mezi sebou, tak i skla s jiným materiálem. Těmito úkoly se zabývá především Laser Zentrum Hannover (LZH). U většiny úkolů laser nahrazuje dřívější postup s neefektivním plynovým hořákem. Tak je tomu i při požadavku na svaření technického nebo laboratorního skla. Tady LZH volí způsob svařování laserem a skleněným práškem. Svařuje se CO2 laserem, způsob respektuje nastavení parametrů v závislosti na viskozitě skla, kontrolu bezdotykově obstará pyrometr. Pro překlenutí spár na geometrii dílu u stykových, koutových či jiných svarů přivádí se do svaru skleněný prášek, který po natavení vytváří šev s konstantní výškou návaru. LZH se podílí i na řešení úkolu spojování skleněných trubek pro solární kolektory, kde koordinátorem v rámci projektu LaFueSol je výrobce solárních systémů Herbert Arnold GmbH. Celý proces, včetně natavování skla a pnutí ve skle, sleduje a řídí IR kamera. Nový postup, a to je důležité pro budoucí sériovou výrobu, nabízí i automatizaci. Zajímavou technologií je pak i spojování skla a kovu laserem. Místo lepení, pájení nebo spojování ultrazvukem či zatepla plynovým hořákem. Při postupu s laserovým paprskem je výhodou přesné zadávání všech parametrů, potřebných pro dosažení spoje. Teploty i dráhy spoje, včetně průběžného sledování teploty pyrometrem se zpětnou vazbou na řízení procesu. Navíc i tady nabízí laserová technologie dobrou možnost automatizace celého procesu a dosahuje i vyšší produktivity při minimalizaci ztrát. Přeskočíme ale opět k institutu ILT a k metodě výroby transparentních 3D minidílů selektivním, laserem indukovaným leptáním. Díly mohou být z křemenného skla, rubínu nebo třeba safíru, určené např. pro medicínu nebo fluidiku. Jejich broušení nebo leptání spočívá většinou ještě na ruční práci. Při procesu selektivního, laserem indukovaného leptání je požadovaný tvar dílu ozářen ultrakrátkými pulzy laseru, přičemž ozářený materiál mění své chemické a fyzikální vlastnosti a v následném mokrém procesu jej lze odleptat. Neosvitnutý materiál zůstává stálý. Postup je reprodukovatelný a využitelný i pro sériovou výrobu (obr. 6). A zase zpět k Laser Zentrum Hannover a úkolu matování povrchu plochého skla. Dosud se provádělo leptáním nebo otryskáním vhodným křemičitým materiálem. Obě tyto technologie však na sebe vážou různé další materiály a ke svému průběhu potřebují řadu přípravných i dokončovacích prací. Nový postup se skenováním laserového paprsku dokáže povrchovou vrstvu skla podle zadaného programu odpařit, a tím matovat, dokonce s volbou určitého stupně průhlednosti či průsvitnosti. Přes počítačovou grafiku je možné matováním vytvářet i různé plošné obrazce. Rychlost matování je až 10 m2/h, výrobní proces se dá automatizovat. Postup lze využít ale i opačně, a to tehdy, když je třeba původně matované sklo opět učinit průhledným. Přitom nezáleží na tom, jakým způsobem proběhlo předchozí matování. A od matování není daleko k laserové metodě leštění skla, které podle prací v ILT a Laser- -Laboratorium Göttingen výhodně nahrazuje manuální leštění. I tady závisí správná volba typu laseru na struktuře skla s odchylkami v absorpci laserového paprsku. Při leštění křemičitého skla, které má vynikající optické, mechanické a chemické vlastnosti, se většinou používá CO2 laser. Při leštění se natavují povrchové vrstvy skla, aniž by se odpařovaly. Povrchovým pnutím ve skle se povrch zároveň vyhlazuje a odstraňují se tak rysky. Většímu tepelnému pnutí zabraňuje volba správného předehřevu. Zvláštní postup leštění skla CO2 laserem vyvinuli v ILT pro samotné odhrotování hran až po jejich zaoblení. Může se použít pro všechny druhy skel, včetně plochého tabulového. Při leštění dosahuje teplota skla na vnějším povrchu hodnoty těsně pod bod odpaření a klesá tedy i jeho viskozita. Materiál se ztekucuje a redukuje se drsnost povrchu. V protikladu ke konvenčnímu leštění tu nedochází k žádnému úběru materiálu. Na závěr je povrch hrany ještě leštěn pro lesk zaoblení a jen minimální mikrodrsnost. Leštit laserem se dá i sklo pro optické systémy. Tady je z hlediska absorpce paprsku laseru vhodnější používat CO2 laser. Je však třeba dávat pozor na to, aby nadměrným tepelným působením laseru nedošlo k poškození geometrie povrchu leštěné čočky. V LZH vyvinuli proto pro laserové leštění vysoce přesných asférických čoček hybridní, pyrometrem sledovanou laserovou metodu s předehřevem celé čočky vysokofrekvenčním mikrovlnným zářičem. Předehřev snižuje při působení laseru a následném chladnutí povrchu teplotní gradienty a zabraňuje tak jak změnám struktury materiálu, tak i narušení geometrie. A na závěr ještě jedna příznivá zpráva pro všechny, kdo nosí brýle. Možná, že v krátké době budou levnější, a to i ty zatím nejdražší. Zásluhu by na tom měl úkol FoPoLas, Formgebung und Politur optischer Glaskomponenten durch Abtragen und Umschmelzen mit Laserstrahlung, řešený v ILT. Jde o vývoj nové ekonomicky příznivější laserové metody výroby nesférické optiky. Spočívá v postupu, kdy od počátečního ohřevu polotovaru z křemenného skla CO2 laserem na teplotu přes 2230 °C s odpařením nepotřebné části materiálu následuje další laserový ohřev, ale už jen na teplotu pod bod odpaření, kdy dochází ke změně viskozity, povrchová vrstva se stává tvárnější a povrchové napětí potlačuje drsnost. Pak už se jen sklo po ochlazení doleští a případně laserem při jemném odběru tvar ještě koriguje. Celý tento proces trvá několik minut a probíhá při řízení podle počítačových dat, která umožňují vytvarovat jakýkoliv profil čočky. /jš/
