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. Въпреки това, с увеличаването на концентрацията, хомогенизацията на лазерните продукти става сериозна, което ограничава растежа на лазерния пазар. Следователно, за да се постигне пробив, 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 усъвършенствани техники за обработка, което прави лазерното заместване нелека задача.

За да се влезе в поле от неметален материал, е необходимо да се анализира дали е възможно лазерно взаимодействие 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 пакетна 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 стъклената повърхност се създава пукнатина с помощта на инструмент с диамантен връх или шлифовъчно колело от твърда сплав. Второ, се използват механични средства за отделяне на стъклото по линията на пукнатината. Тези традиционни процеси обаче имат очевидни недостатъци. Те са сравнително 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 стават очевидни предимствата на лазерното рязане на стъкло През 2022 г. приходите от продажби на стъкларската промишленост в 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 ѝ 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, образувайки пукнатини по горната и долната повърхност. Тези пукнатини образуват режещото сечение, съставено 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. Лазерно изрязаните ръбове са гладки, с точност на прореза до 30μm, което елиминира необходимостта от вторична обработка за общи промишлени продукти.

Лазерното рязане на стъкло е сравнително скорошно изобретение, започнало преди около шест до седем години. Производствената индустрия за мобилни телефони беше сред първите, които използваха лазерно рязане на стъклени капаци на камери и преживя бум с въвеждането на устройство за лазерно рязане, което прави рязането невидимо. С популярността на смартфоните с пълен екран, прецизното лазерно рязане на цели стъклени панели с голям екран значително увеличи капацитета за обработка на стъкло. Лазерното рязане е станало 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 стъкла за 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 автомобила, 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 екрани за управление. Интелигентните системи са станали стандарт в автомобилите, като големите и множество екрани, както и 3D извитите екрани, постепенно се превръщат в основен пазарен тренд. Стъклените покривни панели за екрани, монтирани в автомобили, са широко използвани 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 му.

Стъклените екрани, монтирани на автомобили, изискват висока прецизност, а допустимите отклонения на сглобените структурни компоненти са много малки. Големите грешки в размерите по време на рязането на квадратни/прътови сита могат да доведат до проблеми при сглобяването. Традиционните методи за обработка включват множество стъпки, като например рязане на колела, ръчно рязане, CNC оформяне и скосяване, наред с други. Тъй като се обработва механично, то страда от проблеми като ниска ефективност, лошо качество, нисък добив и висока цена. След рязане на колела, CNC обработката на стъкления капак на централното управление на един автомобил 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 продукция.

Други приложения на лазерите в стъклото

Кварцовото стъкло има уникална структура, което го прави трудно да се раздели и реже с лазери, но фемтосекундните лазери могат да се използват за ецване върху кварцово стъкло. Това е приложение на фемтосекундни 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 микрометър до нанометър върху различни материални повърхности.  Технологията за лазерно охлаждане варира в зависимост от променящите се пазарни изисквания. Като опитен производител на чилъри, който актуализира нашите воден охладител  В съответствие с пазарните тенденции, ултрабързите лазерни охладители CWUP от серията C на производителя на чилъри 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, която се появи през последните две-три години, първоначално в Германия. В момента само няколко звена в Китай, като Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics и Harbin Hit Weld Technology, са пробили 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.  След заваряване, залепеното стъкло е много здраво и вече е възможно да се постигне плътно заваряване между стъкла 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.