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

Η τεχνολογία κατασκευής 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. Τα μη μεταλλικά υλικά που είναι κατάλληλα για εφαρμογή με λέιζερ περιλαμβάνουν υφάσματα, γυαλί, πλαστικά, πολυμερή, κεραμικά και άλλα. Κάθε υλικό περιλαμβάνει πολλαπλές βιομηχανίες, αλλά υπάρχουν ήδη ώριμες τεχνικές επεξεργασίας, γεγονός που καθιστά την υποκατάσταση με λέιζερ δύσκολη.

Για να εισέλθουμε σε έναν τομέα μη μεταλλικών υλικών, είναι απαραίτητο να αναλύσουμε εάν η αλληλεπίδραση λέιζερ με το υλικό είναι εφικτή και εάν θα προκύψουν 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 διάφορες βιομηχανίες 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, γυαλί χαλαζία, μικροκρυσταλλικό γυαλί, γυαλί ζαφειριού και άλλα. Το σημαντικό χαρακτηριστικό του γυαλιού είναι η ευθραυστότητά του, η οποία θέτει σημαντικές προκλήσεις για τις παραδοσιακές μεθόδους επεξεργασίας. Οι παραδοσιακές μέθοδοι κοπής γυαλιού συνήθως χρησιμοποιούν εργαλεία από σκληρό κράμα ή διαμάντι, με τη διαδικασία κοπής να χωρίζεται σε δύο βήματα. Πρώτον, δημιουργείται μια ρωγμή στην επιφάνεια του γυαλιού χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο με διαμάντι 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 αναποτελεσματικές, με αποτέλεσμα ανομοιόμορφες άκρες που συχνά απαιτούν δευτερογενή στίλβωση, και παράγουν πολλά υπολείμματα και σκόνη. Επιπλέον, για εργασίες όπως η διάτρηση 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 τις πωλήσεις της βιομηχανίας γυαλιού της Κίνας ήταν περίπου 744,3 δισεκατομμύρια γιουάν. Ο ρυθμός διείσδυσης της τεχνολογίας κοπής λέιζερ στη βιομηχανία γυαλιού βρίσκεται ακόμη στο αρχικό του στάδιο, υποδεικνύοντας ένα σημαντικό χώρο για την εφαρμογή της τεχνολογίας κοπής 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 ρωγμών 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 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 30 μm, εξαλείφοντας την ανάγκη για δευτερογενή κατεργασία για γενικά βιομηχανικά προϊόντα.

Η κοπή γυαλιού με λέιζερ είναι μια σχετικά πρόσφατη εξέλιξη, που 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 καλύμματα γυαλιού 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 όσον αφορά την επεξεργασία γυάλινων εξαρτημάτων για κινητά τηλέφωνα. Αυτή η τάση οφείλεται κυρίως στον αυτοματοποιημένο εξοπλισμό για την επεξεργασία με λέιζερ του καλύμματος γυαλιού κινητών τηλεφώνων, στις συσκευές κοπής με λέιζερ για φακούς προστασίας φωτογραφικών μηχανών και στον έξυπνο εξοπλισμό για τη διάτρηση γυάλινων υποστρωμάτων με λέιζερ.

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. Σήμερα, πολλά οχήματα νέας ενέργειας είναι εξοπλισμένα με έξυπνα συστήματα και υπερμεγέθεις οθόνες κεντρικού ελέγχου. Τα έξυπνα συστήματα έχουν γίνει στάνταρ στα αυτοκίνητα, με μεγάλες και πολλαπλές οθόνες, καθώς και τρισδιάστατες καμπύλες οθόνες να γίνονται σταδιακά το mainstream της αγοράς. Τα γυάλινα πάνελ κάλυψης για οθόνες που τοποθετούνται σε αυτοκίνητα χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών τους και ένα υψηλής ποιότητας καμπύλο γυαλί οθόνης μπορεί να προσφέρει μια πιο απόλυτη εμπειρία για την αυτοκινητοβιομηχανία. Ωστόσο, η υψηλή σκληρότητα και η ευθραυστότητα του γυαλιού αποτελούν πρόκληση για την επεξεργασία.

Τα γυάλινα κόσκινα 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 κόσκινων μπορούν να οδηγήσουν σε προβλήματα συναρμολόγησης. Οι παραδοσιακές μέθοδοι επεξεργασίας περιλαμβάνουν πολλαπλά βήματα, όπως κοπή με τροχό, χειροκίνητο σπάσιμο, διαμόρφωση CNC και λοξότμηση, μεταξύ άλλων. Δεδομένου ότι πρόκειται για μηχανική επεξεργασία, αντιμετωπίζει προβλήματα όπως χαμηλή απόδοση, κακή ποιότητα, χαμηλό ποσοστό απόδοσης και υψηλό κόστος. Μετά την κοπή με τροχό, η κατεργασία CNC ενός μόνο σχήματος γυάλινου καλύμματος κεντρικού ελέγχου 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 ισούται με 20 μηχανές CNC. Αυτό βελτιώνει σημαντικά την παραγωγικότητα και μειώνει το κόστος επεξεργασίας ανά μονάδα.

Άλλες εφαρμογές των λέιζερ σε γυαλί

Το χαλαζιακό γυαλί έχει μια μοναδική δομή, γεγονός που καθιστά δύσκολη την κοπή σε φεμτοδευτερόλεπτα με λέιζερ, αλλά τα femtosecond λέιζερ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για χάραξη σε χαλαζιακό γυαλί. Πρόκειται για μια εφαρμογή των femtosecond λέιζερ για κατεργασία ακριβείας και χάραξη σε χαλαζιακό γυαλί. Η τεχνολογία femtosecond λέιζερ 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 ψυκτών που ενημερώνει τις γραμμές παραγωγής ψυκτών νερού σύμφωνα με τις τάσεις της αγοράς, οι υπερταχείς ψύκτες λέιζερ CWUP-Series της TEYU Chiller Manufacturer μπορούν να παρέχουν αποτελεσματικές και σταθερές λύσεις ψύξης για picosecond και femtosecond λέιζερ με ισχύ έως και 60W.

Η συγκόλληση γυαλιού με λέιζερ είναι μια νέα τεχνολογία που έχει αναδυθεί τα τελευταία δύο με τρία χρόνια, αρχικά στη Γερμανία. Προς το παρόν, μόνο λίγες μονάδες στην Κίνα, όπως η Huagong Laser, το Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics και η Harbin Hit Weld Technology, έχουν διεισδύσει σε 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 τάσεων στο γυαλί, οι οποίες μπορούν να προωθήσουν τη συγκόλληση μεταξύ δύο τεμαχίων γυαλιού. Το συγκολλημένο γυαλί μετά τη συγκόλληση είναι πολύ σκληρό και είναι ήδη δυνατό να επιτευχθεί σφιχτή συγκόλληση μεταξύ γυαλιού πάχους 3 mm. Στο μέλλον, οι ερευνητές επικεντρώνονται επίσης στη συγκόλληση επικάλυψης 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.