Εξερευνώντας την Τρέχουσα Κατάσταση και τις Δυνατότητες της Επεξεργασίας Γυαλιού με Λέιζερ

Η τεχνολογία κατασκευής με λέιζερ έχει γνωρίσει ραγδαία ανάπτυξη την τελευταία δεκαετία, με κύρια εφαρμογή την επεξεργασία με λέιζερ για μεταλλικά υλικά. Η κοπή με λέιζερ, η συγκόλληση με λέιζερ και η επένδυση μετάλλων με λέιζερ είναι από τις πιο σημαντικές διεργασίες στην επεξεργασία μετάλλων με λέιζερ. Ωστόσο, καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση, η ομογενοποίηση των προϊόντων λέιζερ έχει γίνει σοβαρή, περιορίζοντας την ανάπτυξη της αγοράς λέιζερ. Επομένως, για να διεισδύσουν, οι εφαρμογές λέιζερ πρέπει να επεκταθούν σε νέους τομείς υλικών. Μη μεταλλικά υλικά κατάλληλα για εφαρμογή με λέιζερ περιλαμβάνουν υφάσματα, γυαλί, πλαστικά, πολυμερή, κεραμικά και άλλα. Κάθε υλικό εμπλέκει πολλαπλές βιομηχανίες, αλλά υπάρχουν ήδη ώριμες τεχνικές επεξεργασίας, γεγονός που καθιστά την υποκατάσταση με λέιζερ μη εύκολη υπόθεση.

Για να εισέλθουμε σε ένα πεδίο μη μεταλλικών υλικών, είναι απαραίτητο να αναλύσουμε εάν η αλληλεπίδραση λέιζερ με το υλικό είναι εφικτή και εάν θα εμφανιστούν ανεπιθύμητες αντιδράσεις. Επί του παρόντος, το γυαλί ξεχωρίζει ως ένας σημαντικός τομέας με υψηλή προστιθέμενη αξία και δυνατότητες για εφαρμογές επεξεργασίας με λέιζερ σε παρτίδες.

Μεγάλος χώρος για κοπή με λέιζερ γυαλιού

Το γυαλί είναι ένα σημαντικό βιομηχανικό υλικό που χρησιμοποιείται σε διάφορους κλάδους όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, οι κατασκευές, η ιατρική και η ηλεκτρονική. Οι εφαρμογές του κυμαίνονται από οπτικά φίλτρα μικρής κλίμακας που μετρούν μικρόμετρα έως γυάλινα πάνελ μεγάλης κλίμακας που χρησιμοποιούνται σε βιομηχανίες όπως η αυτοκινητοβιομηχανία ή οι κατασκευές.

Το γυαλί μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε οπτικό γυαλί, χαλαζιακό γυαλί, μικροκρυσταλλικό γυαλί, ζαφειρένιο γυαλί και άλλα. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του γυαλιού είναι η ευθραυστότητά του, η οποία θέτει σημαντικές προκλήσεις για τις παραδοσιακές μεθόδους επεξεργασίας. Οι παραδοσιακές μέθοδοι κοπής γυαλιού χρησιμοποιούν συνήθως εργαλεία από σκληρό κράμα ή διαμάντι, με τη διαδικασία κοπής να χωρίζεται σε δύο βήματα. Αρχικά, δημιουργείται μια ρωγμή στην επιφάνεια του γυαλιού χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο με διαμαντένια άκρη ή έναν τροχό λείανσης από σκληρό κράμα. Δεύτερον, χρησιμοποιούνται μηχανικά μέσα για τον διαχωρισμό του γυαλιού κατά μήκος της γραμμής ρωγμής. Ωστόσο, αυτές οι παραδοσιακές διαδικασίες έχουν σαφή μειονεκτήματα. Είναι σχετικά αναποτελεσματικά, με αποτέλεσμα ανομοιόμορφες άκρες που συχνά απαιτούν δευτερεύον γυάλισμα, και παράγουν πολλά υπολείμματα και σκόνη. Επιπλέον, για εργασίες όπως το άνοιγμα οπών στη μέση γυάλινων πάνελ ή η κοπή ακανόνιστων σχημάτων, οι παραδοσιακές μέθοδοι είναι αρκετά απαιτητικές. Εδώ γίνονται εμφανή τα πλεονεκτήματα της κοπής γυαλιού με λέιζερ Το 2022, τα έσοδα από πωλήσεις της βιομηχανίας γυαλιού στην Κίνα ήταν περίπου 744,3 δισεκατομμύρια γιουάν. Ο ρυθμός διείσδυσης της τεχνολογίας κοπής με λέιζερ στη βιομηχανία γυαλιού βρίσκεται ακόμη σε αρχικό στάδιο, γεγονός που υποδηλώνει σημαντικό χώρο για την εφαρμογή της τεχνολογίας κοπής με λέιζερ ως υποκατάστατο.

Κοπή με λέιζερ γυαλιού: Από κινητά τηλέφωνα και μετά

Η κοπή με λέιζερ γυαλιού συχνά χρησιμοποιεί μια κεφαλή εστίασης Bezier για να παράγει δέσμες λέιζερ υψηλής μέγιστης ισχύος και πυκνότητας μέσα στο γυαλί. Εστιάζοντας τη δέσμη Bezier μέσα στο γυαλί, εξατμίζει ακαριαία το υλικό, δημιουργώντας μια ζώνη εξάτμισης, η οποία επεκτείνεται γρήγορα σχηματίζοντας ρωγμές στις άνω και κάτω επιφάνειες. Αυτές οι ρωγμές σχηματίζουν το τμήμα κοπής που αποτελείται από αμέτρητα μικροσκοπικά σημεία πόρων, επιτυγχάνοντας κοπή μέσω εξωτερικών καταγμάτων τάσης.

Με τις σημαντικές εξελίξεις στην τεχνολογία λέιζερ, τα επίπεδα ισχύος έχουν επίσης αυξηθεί. Ένα πράσινο λέιζερ νανοδευτερολέπτων με ισχύ άνω των 20W μπορεί να κόψει αποτελεσματικά γυαλί, ενώ ένα υπεριώδες λέιζερ πικοδευτερολέπτων με ισχύ άνω των 15W κόβει αβίαστα γυαλί πάχους κάτω των 2 mm. Υπάρχουν κινεζικές επιχειρήσεις που μπορούν να κόψουν γυαλί πάχους έως και 17 mm. Η κοπή γυαλιού με λέιζερ διαθέτει υψηλή απόδοση. Για παράδειγμα, η κοπή ενός τεμαχίου γυαλιού διαμέτρου 10 cm σε ένα γυαλί πάχους 3 mm διαρκεί μόνο περίπου 10 δευτερόλεπτα με κοπή με λέιζερ σε σύγκριση με αρκετά λεπτά με μηχανικά μαχαίρια. Οι ακμές που κόβονται με λέιζερ είναι λείες, με ακρίβεια εγκοπής έως και 30μm, εξαλείφοντας την ανάγκη για δευτερογενή κατεργασία για γενικά βιομηχανικά προϊόντα.

Η κοπή γυαλιού με λέιζερ είναι μια σχετικά πρόσφατη εξέλιξη, η οποία ξεκίνησε πριν από περίπου έξι έως επτά χρόνια. Η βιομηχανία κατασκευής κινητών τηλεφώνων ήταν από τους πρώτους που την υιοθέτησαν, χρησιμοποιώντας κοπή με λέιζερ σε γυάλινα καλύμματα φωτογραφικών μηχανών και γνώρισε μια άνοδο με την εισαγωγή μιας συσκευής κοπής αορατότητας με λέιζερ. Με τη δημοτικότητα των smartphone πλήρους οθόνης, η ακριβής κοπή με λέιζερ ολόκληρων γυάλινων πάνελ μεγάλης οθόνης έχει ενισχύσει σημαντικά την ικανότητα επεξεργασίας γυαλιού. Η κοπή με λέιζερ έχει γίνει συνηθισμένη στην επεξεργασία γυάλινων εξαρτημάτων για κινητά τηλέφωνα. Αυτή η τάση οφείλεται κυρίως στον αυτοματοποιημένο εξοπλισμό για την επεξεργασία με λέιζερ του γυαλιού κάλυψης κινητών τηλεφώνων, στις συσκευές κοπής με λέιζερ για φακούς προστασίας καμερών και στον έξυπνο εξοπλισμό για τη διάτρηση με λέιζερ γυάλινων υποστρωμάτων.

Το ηλεκτρονικό γυαλί οθόνης που τοποθετείται σε αυτοκίνητο υιοθετεί σταδιακά την κοπή με λέιζερ

Οι οθόνες που τοποθετούνται σε αυτοκίνητα καταναλώνουν πολλά γυάλινα πάνελ, ειδικά για οθόνες κεντρικού ελέγχου, συστήματα πλοήγησης, κάμερες αυτοκινήτου κ.λπ. Στις μέρες μας, πολλά νέα ενεργειακά οχήματα είναι εξοπλισμένα με έξυπνα συστήματα και υπερμεγέθεις κεντρικές οθόνες ελέγχου. Τα έξυπνα συστήματα έχουν γίνει στάνταρ στα αυτοκίνητα, με μεγάλες και πολλαπλές οθόνες, καθώς και τρισδιάστατες καμπύλες οθόνες να γίνονται σταδιακά το κυρίαρχο στοιχείο της αγοράς. Τα γυάλινα πάνελ κάλυψης για οθόνες τοποθετημένες σε αυτοκίνητα χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών τους, και ένα υψηλής ποιότητας καμπύλο γυαλί οθόνης μπορεί να προσφέρει μια πιο ολοκληρωμένη εμπειρία για την αυτοκινητοβιομηχανία. Ωστόσο, η υψηλή σκληρότητα και η ευθραυστότητα του γυαλιού αποτελούν πρόκληση για την επεξεργασία.

Οι γυάλινες οθόνες που τοποθετούνται σε αυτοκίνητα απαιτούν υψηλή ακρίβεια και οι ανοχές των συναρμολογημένων δομικών στοιχείων είναι πολύ μικρές. Μεγάλα σφάλματα διαστάσεων κατά την κοπή τετραγωνικών/ράβδων οθονών μπορούν να οδηγήσουν σε προβλήματα συναρμολόγησης. Οι παραδοσιακές μέθοδοι επεξεργασίας περιλαμβάνουν πολλαπλά βήματα όπως κοπή τροχών, χειροκίνητο σπάσιμο, διαμόρφωση CNC και λοξοτομή, μεταξύ άλλων. Δεδομένου ότι πρόκειται για μηχανική επεξεργασία, αντιμετωπίζει προβλήματα όπως χαμηλή απόδοση, κακή ποιότητα, χαμηλό ποσοστό απόδοσης και υψηλό κόστος. Μετά την κοπή του τροχού, η κατεργασία CNC ενός κεντρικού καλύμματος γυαλιού ελέγχου ενός μόνο αυτοκινήτου μπορεί να διαρκέσει έως και 8-10 λεπτά. Με εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ άνω των 100W, ένα γυαλί 17 mm μπορεί να κοπεί με μία κίνηση. Η ενσωμάτωση πολλαπλών διαδικασιών παραγωγής αυξάνει την απόδοση κατά 80%, όπου 1 λέιζερ ισοδυναμεί με 20 μηχανές CNC. Αυτό βελτιώνει σημαντικά την παραγωγικότητα και μειώνει το κόστος επεξεργασίας ανά μονάδα.

Άλλες εφαρμογές των λέιζερ σε γυαλί

Το γυαλί χαλαζία έχει μια μοναδική δομή, γεγονός που καθιστά δύσκολη την κοπή σε φασματικό βαθμό με λέιζερ, αλλά τα femtosecond λέιζερ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για χάραξη σε γυαλί χαλαζία. Αυτή είναι μια εφαρμογή των femtosecond λέιζερ για κατεργασία ακριβείας και χάραξη σε γυαλί χαλαζία. Η τεχνολογία femtosecond laser είναι μια ταχέως αναπτυσσόμενη προηγμένη τεχνολογία επεξεργασίας τα τελευταία χρόνια, με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια και ταχύτητα επεξεργασίας, ικανή για χάραξη και επεξεργασία σε επίπεδο μικρομέτρου έως νανομέτρου σε διάφορες επιφάνειες υλικών.  Η τεχνολογία ψύξης με λέιζερ ποικίλλει ανάλογα με τις μεταβαλλόμενες απαιτήσεις της αγοράς. Ως έμπειρος κατασκευαστής ψυκτικών συγκροτημάτων που ενημερώνει ψύκτης νερού  Οι γραμμές παραγωγής, σύμφωνα με τις τάσεις της αγοράς, οι υπερταχείς ψύκτες λέιζερ σειράς CWUP της TEYU Chiller Manufacturer μπορούν να παρέχουν αποτελεσματικές και σταθερές λύσεις ψύξης για λέιζερ πικοδευτερολέπτων και φεμτοδευτερολέπτων με ισχύ έως και 60W.

Η συγκόλληση γυαλιού με λέιζερ είναι μια νέα τεχνολογία που έχει εμφανιστεί τα τελευταία δύο με τρία χρόνια, αρχικά στη Γερμανία. Προς το παρόν, μόνο λίγες μονάδες στην Κίνα, όπως η Huagong Laser, το Ινστιτούτο Οπτικής και Λεπτής Μηχανικής του Xi'an και η Harbin Hit Weld Technology, έχουν αξιοποιήσει αυτήν την τεχνολογία. Υπό την επίδραση λέιζερ υψηλής ισχύος, εξαιρετικά βραχέων παλμών, τα κύματα πίεσης που παράγονται από τα λέιζερ μπορούν να δημιουργήσουν μικρορωγμές ή συγκεντρώσεις τάσης στο γυαλί, γεγονός που μπορεί να προωθήσει τη συγκόλληση μεταξύ δύο τεμαχίων γυαλιού.  Το συγκολλημένο γυαλί μετά τη συγκόλληση είναι πολύ σταθερό και είναι ήδη δυνατό να επιτευχθεί σφιχτή συγκόλληση μεταξύ γυαλιού πάχους 3 mm. Στο μέλλον, οι ερευνητές επικεντρώνονται επίσης στην επικαλυπτόμενη συγκόλληση γυαλιού με άλλα υλικά. Προς το παρόν, αυτές οι νέες διαδικασίες δεν έχουν ακόμη εφαρμοστεί ευρέως σε παρτίδες, αλλά μόλις ωριμάσουν, αναμφίβολα θα διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο σε ορισμένους τομείς εφαρμογών υψηλής τεχνολογίας.