Проучване на текущото състояние и потенциала на лазерната обработка на стъкло

Технологията за лазерно производство претърпя бързо развитие през последното десетилетие, като основното ѝ приложение е лазерната обработка на метални материали. Лазерното рязане, лазерното заваряване и лазерното плакиране на метали са сред най-важните процеси в лазерната обработка на метали. С увеличаването на концентрацията обаче хомогенизирането на лазерните продукти става сериозно, което ограничава растежа на лазерния пазар. Следователно, за да се пробие, лазерните приложения трябва да се разширят в нови материални области. Неметалните материали, подходящи за лазерно приложение, включват тъкани, стъкло, пластмаси, полимери, керамика и други. Всеки материал е свързан с множество индустрии, но вече съществуват зрели техники за обработка, което прави заместването на лазера нелесна задача.

За да се навлезе в областта на неметалните материали, е необходимо да се анализира дали е възможно взаимодействието на лазера с материала и дали ще възникнат нежелани реакции. В момента стъклото се откроява като основна област с висока добавена стойност и потенциал за приложения за партидна лазерна обработка.

Голямо пространство за лазерно рязане на стъкло

Стъклото е важен индустриален материал, използван в различни индустрии като автомобилостроенето, строителството, медицината и електрониката. Приложенията му варират от малки оптични филтри, измерващи микрометри, до големи стъклени панели, използвани в индустрии като автомобилостроенето или строителството.

Стъклото може да се категоризира в оптично стъкло, кварцово стъкло, микрокристално стъкло, сапфирено стъкло и други. Значителната характеристика на стъклото е неговата крехкост, което представлява значителни предизвикателства за традиционните методи на обработка. Традиционните методи за рязане на стъкло обикновено използват инструменти от твърда сплав или диамантени сплави, като процесът на рязане е разделен на две стъпки. Първо, върху повърхността на стъклото се създава пукнатина с помощта на инструмент с диамантен връх или шлифовъчно колело от твърда сплав. Второ, използват се механични средства за разделяне на стъклото по линията на пукнатината. Тези традиционни процеси обаче имат ясни недостатъци. Те са относително неефективни, което води до неравни ръбове, които често изискват вторично полиране, и произвеждат много отломки и прах. Освен това, за задачи като пробиване на отвори в средата на стъклени панели или рязане на неправилни форми, традиционните методи са доста трудни. Тук предимствата на лазерното рязане на стъкло стават очевидни. През 2022 г. приходите от продажби в стъкларската промишленост на Китай са били приблизително 744,3 милиарда юана. Степента на проникване на технологията за лазерно рязане в стъкларската промишленост все още е в начален етап, което показва значително пространство за прилагането на технологията за лазерно рязане като заместител.

Лазерно рязане на стъкло: от мобилни телефони нататък

Лазерното рязане на стъкло често използва фокусираща глава на Безие, за да генерира лазерни лъчи с висока пикова мощност и плътност в стъклото. Чрез фокусиране на лъча на Безие вътре в стъклото, той мигновено изпарява материала, създавайки зона на изпаряване, която бързо се разширява, за да образува пукнатини по горната и долната повърхност. Тези пукнатини образуват режещата секция, съставена от безброй малки пори, постигайки рязане през външни фрактури от напрежение.

Със значителния напредък в лазерните технологии, нивата на мощност също са се увеличили. Наносекунден зелен лазер с мощност над 20 W може ефективно да реже стъкло, докато пикосекунден ултравиолетов лазер с мощност над 15 W реже без усилие стъкло с дебелина под 2 мм. Съществуват китайски предприятия, които могат да режат стъкло с дебелина до 17 мм. Лазерното рязане на стъкло се отличава с висока ефективност. Например, рязането на стъклено парче с диаметър 10 см върху стъкло с дебелина 3 мм отнема само около 10 секунди с лазерно рязане в сравнение с няколко минути с механични ножове. Ръбовете, изрязани с лазер, са гладки, с точност на прореза до 30 μm, което елиминира необходимостта от вторична обработка за общи промишлени продукти.

Лазерното рязане на стъкло е сравнително скорошно развитие, започнало преди около шест до седем години. Производствената индустрия за мобилни телефони беше сред първите, които го внедриха, използвайки лазерно рязане върху стъклени капаци на камери и преживявайки бум с въвеждането на устройство за лазерно рязане с невидим ефект. С популярността на смартфоните с цял екран, прецизното лазерно рязане на цели стъклени панели с голям екран значително увеличи капацитета за обработка на стъкло. Лазерното рязане стана често срещано явление, когато става въпрос за обработка на стъклени компоненти за мобилни телефони. Тази тенденция се дължи главно на автоматизирано оборудване за лазерна обработка на стъклени капаци на мобилни телефони, устройства за лазерно рязане на защитни лещи за камери и интелигентно оборудване за лазерно пробиване на стъклени субстрати.

Електронното екранно стъкло, монтирано в автомобил, постепенно приема лазерно рязане

Екраните, монтирани в автомобили, консумират много стъклени панели, особено за централни контролни екрани, навигационни системи, видеорегистратори и др. В днешно време много превозни средства с нова енергия са оборудвани с интелигентни системи и големи централни контролни екрани. Интелигентните системи са се превърнали в стандарт в автомобилите, като големите и многоекранни екрани, както и 3D извитите екрани, постепенно се превръщат в масов пазар. Стъклените покривни панели за екрани, монтирани в автомобили, се използват широко поради отличните си характеристики, а висококачественото извито стъкло за екран може да осигури по-върховно изживяване за автомобилната индустрия. Високата твърдост и крехкост на стъклото обаче представляват предизвикателство за обработката.

Стъклените екрани, монтирани на автомобили, изискват висока прецизност, а допустимите отклонения на сглобените структурни компоненти са много малки. Големите размерни грешки по време на рязането на квадратни/прътови екрани могат да доведат до проблеми при сглобяването. Традиционните методи за обработка включват множество стъпки, като например рязане с колела, ръчно късане, CNC оформяне и скосяване, наред с други. Тъй като това е механична обработка, тя страда от проблеми като ниска ефективност, лошо качество, нисък рандеман и висока цена. След рязане с колела, CNC обработката на единична стъклена форма на капака на централното управление на автомобила може да отнеме до 8-10 минути. С ултрабързи лазери с мощност над 100 W, стъкло с дебелина 17 мм може да бъде изрязано с един ход; интегрирането на множество производствени процеси увеличава ефективността с 80%, където 1 лазер е равен на 20 CNC машини. Това значително подобрява производителността и намалява разходите за обработка на единица продукт.

Други приложения на лазерите в стъклото

Кварцовото стъкло има уникална структура, което го прави трудно за разделяне и рязане с лазери, но фемтосекундните лазери могат да се използват за ецване върху кварцово стъкло. Това е приложение на фемтосекундните лазери за прецизна обработка и ецване върху кварцово стъкло. Фемтосекундната лазерна технология е бързо развиваща се усъвършенствана технология за обработка през последните години, с изключително висока прецизност и скорост на обработка, способна на ецване и обработка от микрометрово до нанометрово ниво върху различни материални повърхности. Технологията за лазерно охлаждане варира в зависимост от променящите се пазарни изисквания. Като опитен производител на охладители, който актуализира своите производствени линии за охладители на вода в съответствие с пазарните тенденции, ултрабързите лазерни охладители CWUP серия на производителя на охладители TEYU могат да осигурят ефективни и стабилни решения за охлаждане на пикосекундни и фемтосекундни лазери с мощност до 60 W.

Лазерното заваряване на стъкло е нова технология, появила се през последните две-три години, първоначално в Германия. В момента само няколко предприятия в Китай, като Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics и Harbin Hit Weld Technology, са разработили тази технология. Под действието на мощни лазери с ултракъси импулси, генерираните от лазерите вълни на налягане могат да създадат микропукнатини или концентрации на напрежение в стъклото, което може да насърчи свързването между две парчета стъкло. Залепеното стъкло след заваряване е много твърдо и вече е възможно да се постигне плътно заваряване между стъкло с дебелина 3 мм. В бъдеще изследователите ще се фокусират и върху наслагването на стъкло с други материали. В момента тези нови процеси все още не са широко прилагани на партиди, но след като узреят, те несъмнено ще играят важна роля в някои области на високотехнологично приложение.