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

La tecnología de fabricación por láser ha experimentado un rápido desarrollo durante la última década, siendo su principal aplicación el procesamiento por láser de materiales metálicos. El corte por láser, la soldadura por láser 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 vuelto severa, lo que limita el crecimiento del mercado del láser. Por lo tanto, para abrirse paso, las aplicaciones del láser deben expandirse a nuevos dominios materiales. Los materiales no metálicos adecuados para la aplicación láser incluyen telas, vidrio, plásticos, polímeros, cerámicas y más. Cada material involucra múltiples industrias, pero ya existen técnicas de procesamiento maduras, lo que hace que la sustitución del láser no sea una tarea fácil.

Para ingresar al campo de materiales no metálicos, es necesario analizar si la interacción del láser con el material es factible y si se producirán reacciones adversas. En la actualidad, el vidrio se destaca como un área importante con alto valor agregado y potencial para aplicaciones de procesamiento láser por lotes.

Gran espacio para corte láser de vidrio

El vidrio es un material industrial importante utilizado en diversas industrias, como la automotriz, la construcción, la medicina y la electrónica. Sus aplicaciones van desde filtros ópticos de pequeña escala que miden micrómetros hasta paneles de vidrio de gran escala utilizados 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. La característica más importante del vidrio es su fragilidad, lo que plantea desafíos importantes para los métodos de procesamiento tradicionales. Los métodos tradicionales de corte de vidrio generalmente utilizan herramientas de aleación dura o de 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 grieta. Sin embargo, estos procesos tradicionales tienen claros inconvenientes. Son relativamente ineficientes, lo que genera bordes irregulares que a menudo requieren un pulido secundario y producen una gran cantidad de residuos y polvo. Además, para tareas como perforar agujeros en el medio de los paneles de vidrio o cortar formas irregulares, los métodos tradicionales son todo un desafío. Aquí es donde se hacen evidentes las ventajas del corte láser de vidrio. En 2022, los ingresos por ventas de la industria del vidrio de China fueron de aproximadamente 744,3 mil 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 por láser de vidrio a menudo utiliza un cabezal de enfoque Bezier para generar rayos láser de alta densidad y potencia máxima dentro del vidrio. Al enfocar el haz de Bézier dentro del vidrio, vaporiza instantáneamente el material, creando una zona de vaporización, que se expande rápidamente para formar grietas en las superficies superior e inferior. Estas grietas forman la sección de corte compuesta por innumerables puntos porosos diminutos, logrando el corte 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 eficazmente, 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 posee una alta eficiencia. Por ejemplo, cortar una pieza de vidrio de 10 cm de diámetro en un vidrio de 3 mm de espesor toma sólo alrededor de 10 segundos con corte láser, en comparación con varios minutos con cuchillos mecánicos. Los bordes cortados con láser son suaves, con una precisión de muesca de hasta 30 μm, lo que elimina la necesidad de mecanizado secundario para productos industriales generales.

El corte de vidrio con láser es un desarrollo relativamente reciente, que comenzó hace unos seis o siete años. La industria de fabricación de teléfonos móviles estuvo entre las primeras en adoptar esta tecnología, 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 por láser invisible. Con la popularidad de los teléfonos inteligentes de pantalla completa, el corte láser preciso de paneles de vidrio de pantalla grande enteros ha aumentado significativamente la capacidad de procesamiento de vidrio. El corte por láser se ha vuelto común cuando se trata del procesamiento de componentes de vidrio para teléfonos móviles. Esta tendencia ha sido impulsada principalmente por equipos automatizados para el procesamiento láser de vidrios de cubiertas de 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 montadas en el automóvil consumen una gran cantidad de paneles de vidrio, especialmente para las pantallas de control central, sistemas de navegación, dashcams, etc. Hoy en día, muchos vehículos de nueva energía están equipados con sistemas inteligentes y pantallas de control centrales 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 gradualmente se están convirtiendo en la corriente principal del mercado. Los paneles de cubierta de vidrio para pantallas montadas en automóviles se utilizan ampliamente debido a sus excelentes características, y un vidrio de pantalla curvo de alta calidad puede brindar una experiencia más completa para la industria automotriz. Sin embargo, la elevada dureza y fragilidad del vidrio suponen un desafío para su procesamiento.

Las pantallas de vidrio montadas en el automóvil requieren una alta precisión y las tolerancias de los componentes estructurales ensamblados son muy pequeñas. Los grandes errores dimensionales durante el corte de pantallas cuadradas/de barras pueden provocar problemas de montaje. Los métodos de procesamiento tradicionales implican múltiples pasos, como corte de ruedas, rotura manual, modelado CNC y biselado, entre otros. Dado que es un procesamiento mecánico, presenta problemas como baja eficiencia, mala calidad, baja tasa de rendimiento y alto costo. Después del corte de la rueda, el mecanizado CNC de la forma del vidrio de la cubierta del control central de un solo automóvil puede demorar entre 8 y 10 minutos. Con láseres ultrarrápidos de más de 100W se puede cortar un vidrio de 17mm de un solo golpe; la integración de múltiples procesos de producción aumenta la eficiencia en un 80%, donde 1 láser equivale a 20 máquinas CNC. Esto mejora enormemente la productividad y reduce los costos unitarios de procesamiento.

Otras aplicaciones del láser en el vidrio

El vidrio de cuarzo tiene una estructura única, lo que hace que sea difícil cortarlo con láser, pero se pueden utilizar láseres de femtosegundos para grabar en vidrio de cuarzo. Esta es una aplicación de los láseres de femtosegundos para el mecanizado de precisión y el grabado en vidrio de cuarzo. La tecnología láser de femtosegundo es una tecnología de procesamiento avanzada que se ha desarrollado rápidamente en los últimos años, con una precisión y velocidad de procesamiento extremadamente altas, capaz de grabar y procesar a nivel micrométrico a nanométrico en diversas superficies de materiales.  La tecnología de enfriamiento por láser varía según las cambiantes demandas del mercado. Como fabricante de enfriadores experimentado que actualiza nuestra enfriador de agua  En consonancia con las líneas de producción en línea con las tendencias del mercado, los enfriadores láser ultrarrápidos de la serie CWUP del fabricante TEYU Chiller 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, apareciendo inicialmente en Alemania. En la actualidad, solo unas pocas unidades en China, como Huagong Laser, el Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Xi'an y Harbin Hit Weld Technology, han logrado avanzar 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 puede promover la unión entre dos piezas de vidrio.  El vidrio adherido después de la soldadura queda muy firme, pudiendo ya conseguirse una soldadura firme entre vidrios de 3 mm de espesor. En el futuro, los investigadores se centrarán también en la soldadura por superposición de vidrio con otros materiales. Actualmente, estos nuevos procesos aún 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.