Zkoumání současného stavu a potenciálu laserového zpracování skla

Technologie laserové výroby zaznamenala v posledním desetiletí rychlý rozvoj, přičemž jejím primárním využitím je laserové zpracování kovových materiálů. Laserové řezání, laserové svařování a laserové plátování kovů patří mezi nejdůležitější procesy v oblasti laserového zpracování kovů. S rostoucí koncentrací se však homogenizace laserových produktů stává závažnou, což omezuje růst trhu s lasery. Aby se tedy laserové aplikace mohly prorazit, musí se rozšířit do nových materiálových oblastí. Mezi nekovové materiály vhodné pro laserové aplikace patří tkaniny, sklo, plasty, polymery, keramika a další. Každý materiál zahrnuje mnoho odvětví, ale již existují vyspělé techniky zpracování, takže nahrazení laserem není snadný úkol.

Pro vstup do oblasti nekovových materiálů je nutné analyzovat, zda je interakce laseru s materiálem proveditelná a zda dojde k nežádoucím reakcím. V současné době se sklo vyznačuje jako hlavní oblast 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 použití sahá od malých optických filtrů měřících mikrometry až po velkoplošné 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. Za prvé, na povrchu skla se pomocí diamantového nástroje nebo brusného kotouče z tvrdých slitin vytvoří trhlina. Za druhé, k oddělení skla podél linie trhliny se používají mechanické prostředky. Tyto tradiční procesy 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 u úkolů, jako je vrtání otvorů uprostřed skleněných panelů nebo řezání nepravidelných tvarů, jsou tradiční metody poměrně náročné. Zde se projevují výhody laserového řezání skla. V roce 2022 činily tržby z prodeje v čínském sklářském průmyslu přibližně 744,3 miliardy juanů. Míra pronikání technologie laserového řezání ve sklářském průmyslu je stále v počáteční fázi, což naznačuje značný prostor pro uplatnění technologie laserového řezání jako náhrady.

Řezání skla laserem: Od mobilních telefonů dále

Řezání skla laserem často využívá Bézierovu zaostřovací hlavu, která generuje laserové paprsky s vysokým špičkovým výkonem a hustotou uvnitř skla. Zaostřením Bézierova paprsku uvnitř skla se materiál okamžitě odpaří a vytvoří se odpařovací zóna, která se rychle rozpíná a vytváří trhliny na horním a spodním povrchu. Tyto trhliny tvoří řeznou část složenou z nespočtu drobných pórů, čímž se dosahuje řezání skrz vnější lomy způsobené napětím.

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. Řezání skla laserem se pyšní vysokou účinností. Například řezání kusu skla o průměru 10 cm na sklo o tloušťce 3 mm trvá laserem pouze asi 10 sekund ve srovnání s několika minutami u mechanických nožů. Laserem řezané hrany jsou hladké s přesností vrubu 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 využívali na skleněných krytech fotoaparátů a zaznamenal prudký nárůst s uvedením zařízení pro laserové řezání neviditelným laserem. S popularitou chytrých telefonů s celoobrazovkovým displejem výrazně zvýšilo přesné laserové řezání celých skleněných panelů s velkou obrazovkou kapacitu zpracování skla. Laserové řezání se stalo běžným, pokud jde o zpracování skleněných komponentů pro mobilní telefony. Tento trend je primárně poháněn automatizovaným zařízením pro laserové zpracování krycích skel mobilních telefonů, laserovými řezacími zařízeními pro ochranné čočky fotoaparátů a inteligentním zařízením pro laserové vrtání skleněných substrátů.

Elektronické sklo montované do auta postupně přijímá laserové řezání

Obrazovky montované do automobilů spotřebovávají hodně skleněných panelů, zejména pro centrální ovládací obrazovky, navigační systémy, palubní kamery atd. V dnešní době je mnoho vozidel s novými energetickými systémy 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 běžnou součástí trhu. Krycí skleněné panely pro obrazovky montované do automobilů jsou široce používány díky svým vynikajícím vlastnostem a vysoce kvalitní zakřivené sklo obrazovky může poskytnout automobilovému průmyslu dokonalý zážitek. Vysoká tvrdost a křehkost skla však představuje výzvu pro zpracování.

Skleněné stěny 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 více kroků, jako je mimo jiné řezání kol, ruční lámání, CNC tvarování a zkosení. Vzhledem k tomu, že se jedná o mechanické zpracování, trpí problémy, jako je nízká účinnost, nízká kvalita, nízká výtěžnost a vysoké náklady. Po řezání kol může CNC obrábění jednoho tvaru skla centrálního řídicího panelu automobilu trvat až 8–10 minut. S ultrarychlými lasery o výkonu přes 100 W lze řezat 17mm sklo jedním tahem; integrace více výrobních procesů zvyšuje účinnost o 80 %, kde 1 laser se rovná 20 CNC strojům. To výrazně zlepšuje produktivitu a snižuje náklady na zpracování jednotky.

Další aplikace laserů ve skle

Křemenné sklo má jedinečnou strukturu, díky které je obtížné jej 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. Technologie femtosekundového laseru 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 v závislosti na měnících se požadavcích trhu. Jako zkušený výrobce chladičů, který modernizuje své výrobní linky vodních chladičů v souladu s tržními trendy, mohou ultrarychlé laserové chladiče řady CWUP od výrobce chladičů TEYU 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 a nejprve se objevila v Německu. V současné době se s touto technologií potýkají jen některé jednotky 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 ve skle mikrotrhliny nebo koncentrace napětí, což může podpořit spojení dvou kusů skla. Spojené sklo je po svaření velmi pevné a již nyní je možné dosáhnout těsného svaru mezi 3mm silným sklem. V budoucnu se vědci zaměřují také na překryvné svařování skla s jinými materiály. V současné době tyto nové procesy ještě nebyly široce používány v dávkách, ale jakmile dozrají, budou nepochybně hrát důležitou roli v některých špičkových aplikačních oblastech.