Istraživanje trenutnog stanja i potencijala laserske obrade stakla

Tehnologija laserske proizvodnje doživjela je brz razvoj u posljednjoj deceniji, a njena primarna primjena je laserska obrada metalnih materijala. Lasersko rezanje, lasersko zavarivanje i lasersko oblaganje metala spadaju među najvažnije procese u laserskoj obradi metala. Međutim, kako se koncentracija povećava, homogenizacija laserskih proizvoda postaje ozbiljna, što ograničava rast tržišta lasera. Stoga, da bi se postigao proboj, laserske primjene moraju se proširiti na nove materijalne domene. Nemetalni materijali pogodni za lasersku primjenu uključuju tkanine, staklo, plastiku, polimere, keramiku i drugo. Svaki materijal uključuje više industrija, ali zrele tehnike obrade već postoje, što lasersku zamjenu čini teškim zadatkom.

Za ulazak u polje nemetalnih materijala, potrebno je analizirati da li je interakcija lasera s materijalom izvodljiva i da li će doći do neželjenih reakcija. Trenutno se staklo ističe kao glavno područje s visokom dodanom vrijednošću i potencijalom za primjenu u serijskoj laserskoj obradi.

Veliki prostor za lasersko rezanje stakla

Staklo je važan industrijski materijal koji se koristi u raznim industrijama kao što su automobilska, građevinska, medicinska i elektronika. Njegove primjene se kreću od optičkih filtera malih razmjera koji mjere mikrometre do velikih staklenih panela koji se koriste u industrijama poput automobilske ili građevinske.

Staklo se može podijeliti na optičko staklo, kvarcno staklo, mikrokristalno staklo, safirno staklo i drugo. Značajna karakteristika stakla je njegova krhkost, što predstavlja značajne izazove za tradicionalne metode obrade. Tradicionalne metode rezanja stakla obično koriste alate od tvrde legure ili dijamanta, pri čemu je proces rezanja podijeljen u dva koraka. Prvo se na staklenoj površini stvara pukotina pomoću alata s dijamantskim vrhom ili brusnog kotača od tvrde legure. Drugo, koriste se mehanička sredstva za odvajanje stakla duž linije pukotine. Međutim, ovi tradicionalni procesi imaju očite nedostatke. Relativno su neefikasni, što rezultira neravnim ivicama koje često zahtijevaju sekundarno poliranje, a proizvode i mnogo otpadaka i prašine. Štaviše, za zadatke poput bušenja rupa u sredini staklenih panela ili rezanja nepravilnih oblika, tradicionalne metode su prilično izazovne. Ovdje postaju očigledne prednosti laserskog rezanja stakla. U 2022. godini, prihod od prodaje u kineskoj industriji stakla iznosio je približno 744,3 milijarde juana. Stopa prodora tehnologije laserskog rezanja u staklarsku industriju je još uvijek u početnoj fazi, što ukazuje na značajan prostor za primjenu tehnologije laserskog rezanja kao zamjene.

Lasersko rezanje stakla: Od mobilnih telefona nadalje

Lasersko rezanje stakla često koristi Bezierovu glavu za fokusiranje kako bi se generirali laserski snopovi visoke vršne snage i gustoće unutar stakla. Fokusiranjem Bezierovog snopa unutar stakla, materijal se trenutno isparava, stvarajući zonu isparavanja koja se brzo širi i formira pukotine na gornjoj i donjoj površini. Ove pukotine formiraju presjek rezanja sastavljen od bezbroj sitnih pora, postižući rezanje kroz vanjske naponske pukotine.

Sa značajnim napretkom u laserskoj tehnologiji, nivoi snage su se također povećali. Nanosekundni zeleni laser snage preko 20 W može efikasno rezati staklo, dok pikosekundni ultraljubičasti laser snage preko 15 W bez napora reže staklo debljine manje od 2 mm. Postoje kineska preduzeća koja mogu rezati staklo debljine do 17 mm. Lasersko rezanje stakla odlikuje se visokom efikasnošću. Na primjer, rezanje komada stakla promjera 10 cm na staklu debljine 3 mm traje samo oko 10 sekundi laserskim rezanjem u usporedbi s nekoliko minuta mehaničkim noževima. Laserski rezane ivice su glatke, sa tačnošću zareza do 30μm, što eliminiše potrebu za sekundarnom mašinskom obradom za opšte industrijske proizvode.

Lasersko rezanje stakla je relativno nov razvoj, koji je započeo prije otprilike šest do sedam godina. Industrija proizvodnje mobilnih telefona bila je među prvima koji su je usvojili, koristeći lasersko rezanje na staklenim poklopcima kamera i doživjela je nagli porast popularnosti uvođenjem uređaja za lasersko rezanje koji omogućava nevidljivost. S popularnošću pametnih telefona s ekranom preko cijelog ekrana, precizno lasersko rezanje cijelih staklenih panela velikog ekrana značajno je povećalo kapacitet obrade stakla. Lasersko rezanje postalo je uobičajeno kada je u pitanju obrada staklenih komponenti za mobilne telefone. Ovaj trend je prvenstveno potaknut automatiziranom opremom za lasersku obradu zaštitnog stakla mobilnih telefona, uređajima za lasersko rezanje zaštitnih sočiva kamera i inteligentnom opremom za lasersko bušenje staklenih podloga.

Elektronsko staklo za ekrane montirano na automobile postepeno usvaja lasersko rezanje

Ekrani montirani na automobile troše mnogo staklenih ploča, posebno za ekrane centralne kontrole, navigacijske sisteme, kamere za automobil itd. Danas su mnoga vozila na novu energiju opremljena inteligentnim sistemima i predimenzioniranim centralnim kontrolnim ekranima. Inteligentni sistemi postali su standard u automobilima, a veliki i višestruki ekrani, kao i 3D zakrivljeni ekrani, postepeno postaju sveprisutni na tržištu. Staklene zaštitne ploče za ekrane montirane na automobile se široko koriste zbog svojih odličnih karakteristika, a visokokvalitetno zakrivljeno staklo ekrana može pružiti vrhunski doživljaj za automobilsku industriju. Međutim, visoka tvrdoća i krhkost stakla predstavljaju izazov za obradu.

Stakleni ekrani koji se montiraju na automobile zahtijevaju visoku preciznost, a tolerancije sastavljenih strukturnih komponenti su vrlo male. Velike dimenzijske greške tokom rezanja kvadratnih/šipkastih sita mogu dovesti do problema pri montaži. Tradicionalne metode obrade uključuju više koraka kao što su rezanje kotača, ručno lomljenje, CNC oblikovanje i zakošavanje, između ostalog. Budući da se radi o mehaničkoj obradi, pati od problema kao što su niska efikasnost, loš kvalitet, nizak prinos i visoki troškovi. Nakon rezanja kotača, CNC obrada jednog oblika staklenog poklopca centralne upravljačke ploče automobila može trajati i do 8-10 minuta. Sa ultrabrzim laserima snage preko 100 W, staklo debljine 17 mm može se rezati jednim potezom; integracija više proizvodnih procesa povećava efikasnost za 80%, gdje je 1 laser jednak 20 CNC mašina. Ovo značajno poboljšava produktivnost i smanjuje troškove obrade jedinica.

Druge primjene lasera u staklu

Kvarcno staklo ima jedinstvenu strukturu, što ga otežava cijepanje i rezanje laserima, ali femtosekundni laseri se mogu koristiti za nagrizanje kvarcnog stakla. Ovo je primjena femtosekundnih lasera za preciznu obradu i nagrizanje kvarcnog stakla. Femtosekundna laserska tehnologija je brzo razvijajuća napredna tehnologija obrade u posljednjih nekoliko godina, s izuzetno visokom preciznošću i brzinom obrade, sposobna za nagrizanje i obradu na mikrometarskom do nanometarskom nivou na različitim materijalnim površinama.  Tehnologija laserskog hlađenja varira u skladu s promjenjivim zahtjevima tržišta. Kao iskusni proizvođač rashladnih uređaja koji ažurira naše hladnjak vode  U skladu s tržišnim trendovima, ultrabrzi laserski hladnjaci CWUP serije proizvođača rashladnih uređaja TEYU mogu pružiti efikasna i stabilna rješenja za hlađenje pikosekundnih i femtosekundnih lasera snage do 60 W.

Lasersko zavarivanje stakla je nova tehnologija koja se pojavila u posljednje dvije do tri godine, prvobitno u Njemačkoj. Trenutno, samo nekoliko jedinica u Kini, kao što su Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics i Harbin Hit Weld Technology, uspjelo je da razvije ovu tehnologiju. Pod djelovanjem lasera velike snage i ultrakratkih impulsa, talasi pritiska koje generišu laseri mogu stvoriti mikropukotine ili koncentracije napona u staklu, što može pospješiti vezivanje između dva komada stakla.  Zalijepljeno staklo nakon zavarivanja je vrlo čvrsto i već je moguće postići čvrsto zavarivanje između stakla debljine 3 mm. U budućnosti, istraživači će se fokusirati i na preklapajuće zavarivanje stakla s drugim materijalima. Trenutno, ovi novi procesi još nisu široko primijenjeni u serijama, ali kada se razviju, nesumnjivo će igrati važnu ulogu u nekim vrhunskim područjima primjene.