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 probili, laserske primjene se moraju proširiti na nove domene materijala. 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 čini zamjenu laserom teškim zadatkom.

Za ulazak u područje 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, medicina i elektronika. Njegova primjena se kreće od optičkih filtera malog obima, veličine mikrometara, do staklenih panela velikih dimenzija 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, pukotina se stvara na površini stakla pomoću alata s dijamantskim vrhom ili brusnog točka od tvrde legure. Drugo, koriste se mehanička sredstva za odvajanje stakla duž linije pukotine. Međutim, ovi tradicionalni procesi imaju jasne nedostatke. Relativno su neefikasni, što rezultira neravnim rubovima koji često zahtijevaju sekundarno poliranje, a proizvode i mnogo krhotina i prašine. Štaviše, za zadatke poput bušenja rupa u sredini staklenih panela ili rezanja nepravilnih oblika, tradicionalne metode su prilično izazovne. Tu postaju očigledne prednosti laserskog rezanja stakla. U 2022. godini, prihod od prodaje u kineskoj industriji stakla iznosio je približno 744,3 milijarde juana. Stopa prodiranja tehnologije laserskog rezanja u industriju stakla još uvijek je 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 generirala laserske zrake 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 dio za rezanje sastavljen od bezbroj sitnih pora, čime se postiže rezanje kroz vanjske pukotine uzrokovane naponom.

Značajnim napretkom u laserskoj tehnologiji, povećali su se i nivoi snage. 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 može se pohvaliti visokom efikasnošću. Na primjer, rezanje komada stakla promjera 10 cm na staklu debljine 3 mm traje samo oko 10 sekundi laserskim rezanjem u poređenju s nekoliko minuta mehaničkim noževima. Laserski rezane ivice su glatke, s tačnošću zareza do 30 μm, što eliminira potrebu za sekundarnom obradom za opće industrijske proizvode.

Lasersko rezanje stakla je relativno nov razvoj, započet prije otprilike šest do sedam godina. Industrija proizvodnje mobilnih telefona bila je među prvima koji su ga usvojili, koristeći lasersko rezanje na staklenim poklopcima kamera i doživjela je nagli porast uvođenjem uređaja za lasersko rezanje nevidljivosti. S popularnošću pametnih telefona s punim ekranom, 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 stakla zaštitnih sočiva kamera i inteligentnom opremom za lasersko bušenje staklenih podloga.

Elektronsko staklo za ekrane montirano na automobile postepeno usvaja lasersko rezanje

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

Stakleni ekrani montirani na automobile zahtijevaju visoku preciznost, a tolerancije sastavljenih strukturnih komponenti su vrlo male. Velike dimenzijske greške tokom rezanja kvadratnih/šipkastih ekrana mogu dovesti do problema sa montažom. Tradicionalne metode obrade uključuju više koraka kao što su rezanje točkova, 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 točkova, CNC obrada jednog oblika stakla centralnog kontrolnog poklopca automobila može trajati i do 8-10 minuta. Sa ultrabrzim laserima od preko 100 W, staklo od 17 mm može se izrezati u jednom potezu; integracija više proizvodnih procesa povećava efikasnost za 80%, gdje je 1 laser jednak 20 CNC mašina. Ovo značajno poboljšava produktivnost i smanjuje troškove obrade po jedinici.

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 posljednjih godina, s izuzetno visokom preciznošću i brzinom obrade, sposobna za nagrizanje i obradu na mikrometarskom do nanometarskom nivou na različitim površinama materijala. Tehnologija laserskog hlađenja varira ovisno o promjenjivim zahtjevima tržišta. Kao iskusni proizvođač hladnjaka koji ažurira svoje proizvodne linije hladnjaka vode u skladu s tržišnim trendovima, TEYU CWUP-serija ultrabrzih laserskih hladnjaka može 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 se pojavljujući 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, probili su ovu tehnologiju. Pod djelovanjem lasera velike snage, ultrakratkih pulseva, valovi pritiska koje generiraju laseri mogu stvoriti mikropukotine ili koncentracije napona u staklu, što može potaknuti lijepljenje između dva komada stakla. Spojeno staklo nakon zavarivanja je vrlo čvrsto i već je moguće postići čvrsto zavarivanje između stakla debljine 3 mm. U budućnosti će se istraživači 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.