Explorando el estado actual y el potencial del procesamiento láser del vidrio

La tecnología de fabricación láser ha experimentado un rápido desarrollo en la última década, siendo su principal aplicación el procesamiento láser de materiales metálicos. El corte, la soldadura y el revestimiento láser de metales se encuentran entre los procesos más importantes en el procesamiento láser de metales. Sin embargo, a medida que aumenta la concentración, la homogeneización de los productos láser se ha agravado, lo que limita el crecimiento del mercado láser. Por lo tanto, para abrirse paso, las aplicaciones láser deben expandirse a nuevos dominios de materiales. Los materiales no metálicos aptos para la aplicación láser incluyen telas, vidrio, plásticos, polímeros, cerámica, entre otros. Cada material involucra a múltiples industrias, pero ya existen técnicas de procesamiento consolidadas, lo que dificulta la sustitución del láser.

Para entrar en el campo de los materiales no metálicos, es necesario analizar si la interacción láser con el material es factible y si se producirán reacciones adversas. Actualmente, el vidrio destaca como un área importante con alto valor añadido y potencial para aplicaciones de procesamiento láser por lotes.

Gran espacio para corte láser de vidrio

El vidrio es un material industrial importante que se utiliza en diversas industrias, como la automotriz, la construcción, la medicina y la electrónica. Sus aplicaciones abarcan desde pequeños filtros ópticos que miden micrómetros hasta paneles de vidrio de gran tamaño en industrias como la automotriz o la construcción.

El vidrio se puede clasificar en vidrio óptico, vidrio de cuarzo, vidrio microcristalino, vidrio de zafiro y más. Una característica importante del vidrio es su fragilidad, lo que plantea importantes desafíos para los métodos de procesamiento tradicionales. Los métodos tradicionales de corte de vidrio suelen utilizar herramientas de aleación dura o diamante, y el proceso de corte se divide en dos pasos. En primer lugar, se crea una grieta en la superficie del vidrio utilizando una herramienta con punta de diamante o una muela de aleación dura. En segundo lugar, se emplean medios mecánicos para separar el vidrio a lo largo de la línea de la grieta. Sin embargo, estos procesos tradicionales presentan claras desventajas. Son relativamente ineficientes, lo que resulta en bordes irregulares que a menudo requieren un pulido secundario, y generan una gran cantidad de residuos y polvo. Además, para tareas como perforar agujeros en el centro de los paneles de vidrio o cortar formas irregulares, los métodos tradicionales son bastante desafiantes. Aquí es donde se hacen evidentes las ventajas del corte de vidrio por láser. En 2022, los ingresos por ventas de la industria del vidrio en China fueron de aproximadamente 744.300 millones de yuanes. La tasa de penetración de la tecnología de corte por láser en la industria del vidrio todavía se encuentra en su etapa inicial, lo que indica un espacio significativo para la aplicación de la tecnología de corte por láser como sustituto.

Corte láser de vidrio: desde los teléfonos móviles en adelante

El corte láser de vidrio suele emplear un cabezal de enfoque Bézier para generar rayos láser de alta potencia y densidad dentro del vidrio. Al enfocar el rayo Bézier dentro del vidrio, vaporiza instantáneamente el material, creando una zona de vaporización que se expande rápidamente y forma grietas en las superficies superior e inferior. Estas grietas forman la sección de corte, compuesta por innumerables poros diminutos, que permiten cortar a través de fracturas por tensión externa.

Con los avances significativos en la tecnología láser, los niveles de potencia también han aumentado. Un láser verde de nanosegundos con más de 20 W de potencia puede cortar vidrio con eficacia, mientras que un láser ultravioleta de picosegundos con más de 15 W de potencia corta sin esfuerzo vidrio de menos de 2 mm de espesor. Existen empresas chinas que pueden cortar vidrio de hasta 17 mm de espesor. El corte de vidrio por láser ofrece una alta eficiencia. Por ejemplo, cortar una pieza de vidrio de 10 cm de diámetro en un vidrio de 3 mm de espesor toma solo unos 10 segundos con el corte láser, en comparación con varios minutos con cuchillas mecánicas. Los bordes cortados por láser son lisos, con una precisión de entalla de hasta 30 μm, lo que elimina la necesidad de mecanizado secundario para productos industriales generales.

El corte por láser de vidrio es un desarrollo relativamente reciente, que comenzó hace unos seis o siete años. La industria de fabricación de teléfonos móviles fue una de las primeras en adoptarlo, utilizando el corte por láser en las cubiertas de vidrio de las cámaras y experimentando un auge con la introducción de un dispositivo de corte láser invisible. Con la popularidad de los smartphones de pantalla completa, el corte láser preciso de paneles de vidrio completos de pantalla grande ha impulsado significativamente la capacidad de procesamiento de vidrio. El corte por láser se ha vuelto común en el procesamiento de componentes de vidrio para teléfonos móviles. Esta tendencia ha sido impulsada principalmente por equipos automatizados para el procesamiento láser de cubiertas de vidrio para teléfonos móviles, dispositivos de corte láser para lentes de protección de cámaras y equipos inteligentes para la perforación láser de sustratos de vidrio.

El vidrio de la pantalla electrónica montado en el automóvil está adoptando gradualmente el corte por láser

Las pantallas de los automóviles consumen una gran cantidad de paneles de vidrio, especialmente para las pantallas de control central, los sistemas de navegación, las cámaras de tablero, etc. Hoy en día, muchos vehículos de nuevas energías están equipados con sistemas inteligentes y pantallas de control central de gran tamaño. Los sistemas inteligentes se han convertido en estándar en los automóviles, con pantallas grandes y múltiples, así como pantallas curvas 3D que se están convirtiendo gradualmente en la corriente principal del mercado. Los paneles de cubierta de vidrio para pantallas de automóviles son ampliamente utilizados debido a sus excelentes características, y un vidrio de pantalla curva de alta calidad puede brindar una experiencia superior para la industria automotriz. Sin embargo, la alta dureza y fragilidad del vidrio representan un desafío para su procesamiento.

Las pantallas de vidrio para automóviles requieren alta precisión y las tolerancias de los componentes estructurales ensamblados son muy bajas. Grandes errores dimensionales durante el corte de pantallas cuadradas o de barras pueden ocasionar problemas de ensamblaje. Los métodos de procesamiento tradicionales implican múltiples pasos, como el corte de ruedas, el corte manual, el conformado CNC y el biselado, entre otros. Al ser un procesamiento mecánico, presenta problemas como baja eficiencia, mala calidad, bajo rendimiento y alto costo. Tras el corte de ruedas, el mecanizado CNC de una sola forma de vidrio para la cubierta del control central del automóvil puede tardar entre 8 y 10 minutos. Con láseres ultrarrápidos de más de 100 W, se puede cortar un vidrio de 17 mm de una sola pasada; la integración de múltiples procesos de producción aumenta la eficiencia en un 80 %, donde un láser equivale a 20 máquinas CNC. Esto mejora considerablemente la productividad y reduce los costos unitarios de procesamiento.

Otras aplicaciones del láser en el vidrio

El vidrio de cuarzo tiene una estructura única que dificulta su corte por láser, pero los láseres de femtosegundos pueden utilizarse para grabar sobre vidrio de cuarzo. Esta es una aplicación de los láseres de femtosegundos para el mecanizado y grabado de precisión sobre vidrio de cuarzo. La tecnología láser de femtosegundos es una tecnología de procesamiento avanzada en rápido desarrollo en los últimos años, con una precisión y velocidad de procesamiento extremadamente altas, capaz de grabar y procesar a nivel micrométrico y nanométrico en diversas superficies de materiales. La tecnología de enfriamiento láser varía según las cambiantes demandas del mercado. Como fabricante experimentado enfriador que actualiza sus líneas de producción de agua enfriador de acuerdo con las tendencias del mercado, los enfriadores láser ultrarrápidos de la serie CWUP del fabricante TEYU enfriador pueden proporcionar soluciones de enfriamiento eficientes y estables para láseres de picosegundos y femtosegundos de hasta 60 W.

La soldadura láser de vidrio es una nueva tecnología que ha surgido en los últimos dos o tres años, inicialmente en Alemania. Actualmente, solo unas pocas unidades en China, como Huagong Laser, el Instituto de Óptica y Mecánica de Fibra de Xi'an y Harbin Hit Weld Technology, han logrado avances significativos en esta tecnología. Bajo la acción de láseres de pulso ultracorto de alta potencia, las ondas de presión generadas por los láseres pueden crear microfisuras o concentraciones de tensión en el vidrio, lo que facilita la unión entre dos piezas. El vidrio adherido después de la soldadura es muy firme, y ya es posible lograr una soldadura hermética entre vidrios de 3 mm de espesor. En el futuro, los investigadores también se centrarán en la soldadura por superposición de vidrio con otros materiales. Actualmente, estos nuevos procesos no se han aplicado ampliamente en lotes, pero una vez que maduren, sin duda desempeñarán un papel importante en algunos campos de aplicación de alta gama.