Zkoumání současného stavu a potenciálu laserového zpracování skla

Technologie laserové výroby zaznamenala v posledním desetiletí rychlý rozvoj, přičemž jejím hlavním využitím je laserové zpracování kovových materiálů. Laserové řezání, laserové svařování a laserové plátování kovů patří mezi nejdůležitější procesy v laserovém zpracování kovů. S rostoucí koncentrací se však homogenizace laserových produktů stala závažnou, což omezuje růst trhu s lasery. Aby se laserové aplikace prosadily, musí se proto rozšířit do nových materiálových oblastí. Mezi nekovové materiály vhodné pro laserové aplikace patří tkaniny, sklo, plasty, polymery, keramika a další. Každý materiál zahrnuje několik průmyslových odvětví, ale existují již vyspělé techniky zpracování, takže laserová náhrada není snadný úkol.

Pro vstup do pole nekovových materiálů je nutné analyzovat, zda je interakce laseru s materiálem proveditelná a zda dojde k nežádoucím reakcím. V současné době se sklo řadí mezi hlavní oblasti s vysokou přidanou hodnotou a potenciálem pro dávkové laserové zpracování.

Velký prostor pro řezání skla laserem

Sklo je důležitý průmyslový materiál používaný v různých odvětvích, jako je automobilový průmysl, stavebnictví, lékařství a elektronika. Jeho aplikace sahají od malých optických filtrů měřících mikrometry až po velkoformátové skleněné panely používané v průmyslových odvětvích, jako je automobilový průmysl nebo stavebnictví.

Sklo lze rozdělit na optické sklo, křemenné sklo, mikrokrystalické sklo, safírové sklo a další. Významnou charakteristikou skla je jeho křehkost, která představuje značné výzvy pro tradiční metody zpracování. Tradiční metody řezání skla obvykle používají nástroje z tvrdých slitin nebo diamantů, přičemž proces řezání je rozdělen do dvou kroků. Nejprve se na povrchu skla vytvoří trhlina pomocí diamantového nástroje nebo brusného kotouče z tvrdé slitiny. Za druhé, k oddělení skla podél linie trhliny se používají mechanické prostředky. Tyto tradiční postupy však mají zjevné nevýhody. Jsou relativně neefektivní, což vede k nerovným hranám, které často vyžadují sekundární leštění, a produkují velké množství nečistot a prachu. Navíc pro úkoly, jako je vrtání otvorů uprostřed skleněných panelů nebo řezání nepravidelných tvarů, jsou tradiční metody poměrně náročné. Zde se projeví výhody laserového řezání skla V roce 2022 dosáhly tržby z prodeje sklářského průmyslu v Číně přibližně 744,3 miliardy juanů. Míra rozšíření technologie laserového řezání ve sklářském průmyslu je stále v počáteční fázi, což naznačuje značný prostor pro její uplatnění jako náhrady.

Řezání skla laserem: Od mobilních telefonů dále

Řezání skla laserem často využívá Bézierovu zaostřovací hlavu pro generování laserových paprsků s vysokým špičkovým výkonem a hustotou uvnitř skla. Zaostřením Bézierova paprsku dovnitř skla se materiál okamžitě odpaří a vytvoří se odpařovací zóna, která se rychle rozpíná a vytváří praskliny na horním a spodním povrchu. Tyto trhliny tvoří řeznou část složenou z nespočtu drobných pórů, čímž se dosahuje prořezání vnějšími napěťovými frakturami.

S významným pokrokem v laserové technologii se zvýšily i úrovně výkonu. Nanosekundový zelený laser s výkonem přes 20 W dokáže efektivně řezat sklo, zatímco pikosekundový ultrafialový laser s výkonem přes 15 W bez námahy řeže sklo o tloušťce menší než 2 mm. Existují čínské podniky, které dokáží řezat sklo o tloušťce až 17 mm. Laserové řezání skla se vyznačuje vysokou účinností. Například řezání kusu skla o průměru 10 cm na 3mm silné sklo trvá laserem pouze asi 10 sekund ve srovnání s několika minutami u mechanických nožů. Laserem řezané hrany jsou hladké s přesností zářezu až 30 μm, což eliminuje potřebu sekundárního obrábění u běžných průmyslových výrobků.

Řezání skla laserem je relativně nový vývoj, který začal zhruba před šesti až sedmi lety. Průmysl výroby mobilních telefonů patřil k prvním uživatelům, kteří laserové řezání začali používat na skleněné kryty fotoaparátů a zaznamenal prudký nárůst s uvedením laserového řezacího zařízení pro neviditelnost. S popularitou chytrých telefonů s celou obrazovkou výrazně zvýšilo přesné laserové řezání celých skleněných panelů s velkou obrazovkou kapacitu zpracování skla. Řezání laserem se stalo běžnou praxí, pokud jde o zpracování skleněných součástek pro mobilní telefony. Tento trend je primárně poháněn automatizovanými zařízeními pro laserové zpracování krycích skel mobilních telefonů, laserovými řezacími zařízeními pro ochranné čočky fotoaparátů a inteligentními zařízeními pro laserové vrtání skleněných substrátů.

Elektronické sklo montované do auta postupně přijímá laserové řezání

Obrazovky montované v autě spotřebovávají hodně skleněných panelů, zejména u obrazovek centrálního ovládání, navigačních systémů, palubních kamer atd. V dnešní době je mnoho vozidel na nová paliva vybaveno inteligentními systémy a nadrozměrnými centrálními ovládacími obrazovkami. Inteligentní systémy se staly standardem v automobilech a velké a vícenásobné obrazovky, stejně jako 3D zakřivené obrazovky, se postupně stávají hlavním proudem na trhu. Krycí skleněné panely pro obrazovky montované do automobilů jsou široce používány díky svým vynikajícím vlastnostem a vysoce kvalitní zakřivené sklo obrazovky může poskytnout dokonalý zážitek pro automobilový průmysl. Vysoká tvrdost a křehkost skla však představuje výzvu pro zpracování.

Skleněné zástěny montované do automobilů vyžadují vysokou přesnost a tolerance montovaných konstrukčních prvků jsou velmi malé. Velké rozměrové chyby během řezání čtvercových/tyčových sít mohou vést k problémům s montáží. Tradiční metody zpracování zahrnují několik kroků, jako je mimo jiné řezání kotoučem, ruční lámání, CNC obrábění a srážení hran. Vzhledem k mechanickému zpracování trpí problémy, jako je nízká účinnost, nízká kvalita, nízký výtěžek a vysoké náklady. Po vyřezání kola může CNC obrábění tvaru krycího skla centrálního ovládání jednoho vozu trvat až 8–10 minut. S ultrarychlými lasery o výkonu přes 100 W lze řezat 17mm sklo jedním tahem; integrace více výrobních procesů zvyšuje efektivitu o 80 %, kde 1 laser se rovná 20 CNC strojům. To výrazně zvyšuje produktivitu a snižuje náklady na zpracování jednotek.

Další aplikace laserů ve skle

Křemenné sklo má jedinečnou strukturu, díky které je obtížné ho dělit a řezat lasery, ale femtosekundové lasery lze použít k leptání křemenného skla. Jedná se o aplikaci femtosekundových laserů pro přesné obrábění a leptání křemenného skla. Femtosekundová laserová technologie je v posledních letech rychle se rozvíjející pokročilá technologie zpracování s extrémně vysokou přesností a rychlostí zpracování, schopná leptání a zpracování v mikrometrových až nanometrových rozměrech na různých materiálových površích.  Technologie laserového chlazení se mění s měnícími se požadavky trhu. Jako zkušený výrobce chladičů, který aktualizuje naše vodní chladič  Výrobní linky v souladu s tržními trendy, ultrarychlé laserové chladiče řady CWUP od výrobce chladičů TEYU mohou poskytovat efektivní a stabilní chladicí řešení pro pikosekundové a femtosekundové lasery s výkonem až 60 W.

Laserové svařování skla je nová technologie, která se objevila v posledních dvou až třech letech, nejprve v Německu. V současné době se s touto technologií podařilo prorazit jen několik jednotek v Číně, jako například Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics a Harbin Hit Weld Technology. Působením vysoce výkonných laserů s ultrakrátkými pulzy mohou tlakové vlny generované lasery vytvářet mikrotrhliny nebo koncentrace napětí ve skle, což může podpořit spojení dvou kusů skla.  Slepené sklo je po svaření velmi pevné a je již možné dosáhnout těsného svaru mezi skly o tloušťce 3 mm. V budoucnu se vědci zaměří také na svařování skla s jinými materiály. V současné době tyto nové procesy ještě nebyly široce používány v dávkách, ale jakmile dospějí, budou nepochybně hrát důležitou roli v některých oblastech špičkových aplikací.