Klaaslaseriga töötlemise praeguse olukorra ja potentsiaali uurimine

Laseritootmistehnoloogia on viimase kümnendi jooksul kiiresti arenenud, kusjuures selle peamine rakendusala on metallmaterjalide lasertöötlus. Laserlõikus, laserkeevitus ja metallide laserkatmine on metallide lasertöötluse ühed olulisemad protsessid. Kontsentratsiooni suurenedes on aga lasertoodete homogeniseerimine muutunud tõsiseks, mis piirab laserituru kasvu. Seetõttu peavad laserrakendused läbimurdeks laienema uutele materjalivaldkondadele. Laserrakendusteks sobivad mittemetallilised materjalid hõlmavad kangaid, klaasi, plaste, polümeere, keraamikat ja palju muud. Iga materjali puhul on tegemist mitme tööstusharuga, kuid küpsed töötlemistehnikad on juba olemas, mistõttu laseri asendamine pole lihtne ülesanne.

Mittemetalliliste materjalide valdkonda sisenemiseks on vaja analüüsida, kas laseri interaktsioon materjaliga on teostatav ja kas tekivad kõrvaltoimed. Praegu paistab klaas silma kui peamine valdkond, millel on kõrge lisandväärtus ja potentsiaal partii-lasertöötlusrakenduste jaoks.

Suur ruum klaasi laserlõikuseks

Klaas on oluline tööstusmaterjal, mida kasutatakse erinevates tööstusharudes, näiteks autotööstuses, ehituses, meditsiinis ja elektroonikas. Selle rakendused ulatuvad väikestest mikromeetrite mõõtmetega optilistest filtritest kuni suurte klaaspaneelideni, mida kasutatakse sellistes tööstusharudes nagu autotööstus või ehitus.

Klaasi saab liigitada optiliseks klaasiks, kvartsklaasiks, mikrokristalseks klaasiks, safiirklaasiks ja muuks. Klaasi oluline omadus on selle rabedus, mis tekitab traditsioonilistele töötlemismeetoditele olulisi väljakutseid. Traditsioonilised klaasilõikusmeetodid kasutavad tavaliselt kõvasulamist või teemanttööriistu, kusjuures lõikeprotsess on jagatud kahte etappi. Esiteks tekitatakse klaasi pinnale teemantotsaga tööriista või kõvasulamist lihvketta abil pragu. Teiseks kasutatakse klaasi eraldamiseks praojoone ääres mehaanilisi vahendeid. Nendel traditsioonilistel protsessidel on aga selged puudused. Need on suhteliselt ebaefektiivsed, mille tulemuseks on ebaühtlased servad, mis vajavad sageli teistkordset poleerimist, ning need tekitavad palju prahti ja tolmu. Lisaks on traditsioonilised meetodid üsna keerulised selliste ülesannete puhul nagu aukude puurimine klaaspaneelide keskele või ebakorrapäraste kujundite lõikamine. Siin ilmnevad laserlõikuse klaasi eelised. 2022. aastal oli Hiina klaasitööstuse müügitulu ligikaudu 744,3 miljardit jüaani. Laserlõikustehnoloogia levik klaasitööstuses on alles algstaadiumis, mis näitab märkimisväärset ruumi laserlõikustehnoloogia rakendamiseks asendajana.

Klaasist laserlõikus: alates mobiiltelefonidest edasi

Klaasi laserlõikusel kasutatakse sageli Bezieri fokuseerimispead, et tekitada klaasi sisse suure tippvõimsuse ja -tihedusega laserkiiri. Bezieri kiire fokuseerimine klaasi sisse aurustab materjali koheselt, luues aurustumisvööndi, mis laieneb kiiresti, moodustades ülemisele ja alumisele pinnale pragusid. Need praod moodustavad lõikeosa, mis koosneb lugematutest pisikestest pooridest, saavutades lõikamise läbi väliste pingepragude.

Lasertehnoloogia märkimisväärse arenguga on suurenenud ka võimsus. Nanosekundiline roheline laser võimsusega üle 20 W suudab klaasi tõhusalt lõigata, samas kui pikosekundiline ultraviolettlaser võimsusega üle 15 W lõikab vaevata alla 2 mm paksust klaasi. Hiinas on ettevõtteid, mis suudavad lõigata kuni 17 mm paksust klaasi. Klaasi laserlõikus on väga tõhus. Näiteks 10 cm läbimõõduga klaasitüki lõikamine 3 mm paksusele klaasile võtab laserlõikusega vaid umbes 10 sekundit, võrreldes mehaaniliste nugadega mitme minutiga. Laserlõikega servad on siledad ja sälgu täpsusega kuni 30 μm, mis välistab vajaduse teise töötlemise järele üldiste tööstustoodete puhul.

Klaasi laserlõikus on suhteliselt uus areng, mis sai alguse umbes kuus kuni seitse aastat tagasi. Mobiiltelefonide tootmistööstus oli üks esimesi kasutuselevõtjaid, kasutades laserlõikust kaameraklaaside katetel ja kogedes hüppelist kasvu laserlõikusseadme kasutuselevõtuga. Täisekraaniga nutitelefonide populaarsuse kasvades on tervete suurte ekraanidega klaaspaneelide täpne laserlõikus oluliselt suurendanud klaasi töötlemise võimsust. Laserlõikus on muutunud tavaliseks mobiiltelefonide klaaskomponentide töötlemisel. Seda suundumust on peamiselt soodustanud mobiiltelefonide katteklaaside lasertöötluse automatiseeritud seadmed, kaamerakaitseläätsede laserlõikusseadmed ja klaaspindade laserpuurimise intelligentsed seadmed.

Autosse paigaldatav elektrooniline ekraaniklaas võtab järk-järgult kasutusele laserlõikuse

Autodele paigaldatud ekraanid kasutavad palju klaasi, eriti keskjuhtimisekraanid, navigatsioonisüsteemid, armatuurlauad jne. Tänapäeval on paljud uued energiatarbega sõidukid varustatud intelligentsete süsteemide ja ülisuurte keskjuhtimisekraanidega. Intelligentsed süsteemid on autodes muutunud standardiks, kusjuures suured ja mitmed ekraanid, samuti 3D-kumerad ekraanid, on järk-järgult turul peavooluks saamas. Autodele paigaldatud ekraanide klaasist kattepaneelid on oma suurepäraste omaduste tõttu laialdaselt kasutusel ning kvaliteetne kumer ekraaniklaas võib pakkuda autotööstusele ülimat kogemust. Klaasi kõrge kõvadus ja rabedus tekitavad aga töötlemisel väljakutse.

Autodele paigaldatavad klaasekraanid nõuavad suurt täpsust ja kokkupandud konstruktsioonielementide tolerantsid on väga väikesed. Suured mõõtmevead ruudukujuliste/latt-ekraanide lõikamisel võivad põhjustada montaažiprobleeme. Traditsioonilised töötlemismeetodid hõlmavad mitut etappi, näiteks rataste lõikamist, käsitsi purustamist, CNC-vormimist ja kaldlõikamist. Kuna tegemist on mehaanilise töötlemisega, on sellel probleeme nagu madal efektiivsus, halb kvaliteet, madal saagis ja kõrge hind. Pärast rataste lõikamist võib ühe auto keskjuhtimispaneeli katteklaasi kuju CNC-töötlus võtta kuni 8–10 minutit. Üle 100 W ülikiirete laseritega saab 17 mm klaasi lõigata ühe töökäiguga; mitme tootmisprotsessi integreerimine suurendab efektiivsust 80%, kus 1 laser võrdub 20 CNC-masinaga. See parandab oluliselt tootlikkust ja vähendab ühiku töötlemiskulusid.

Laserite muud rakendused klaasis

Kvartsklaasil on ainulaadne struktuur, mis raskendab laseritega lõikamist, kuid femtosekundlasereid saab kasutada kvartsklaasi söövitamiseks. See on femtosekundlaserite rakendus kvartsklaasi täppistöötluseks ja söövitamiseks. Femtosekundlasertehnoloogia on viimastel aastatel kiiresti arenev täiustatud töötlemistehnoloogia, millel on äärmiselt kõrge töötlemistäpsus ja -kiirus ning mis on võimeline söövitama ja töötlema mikromeetri- kuni nanomeetri tasemel erinevatel materjalipindadel. Laserjahutustehnoloogia varieerub vastavalt muutuvatele turunõudlustele. Kogenud jahutitootjana, kes ajakohastab oma veejahutite tootmisliine vastavalt turusuundumustele, saavad TEYU jahutitootja CWUP-seeria ülikiired laserjahutid pakkuda tõhusaid ja stabiilseid jahutuslahendusi pikosekundilistele ja femtosekundilistele laseritele kuni 60 W võimsusega.

Klaasi laserkeevitus on uus tehnoloogia, mis on tekkinud viimase kahe-kolme aasta jooksul, algselt Saksamaal. Praegu on Hiinas selle tehnoloogia läbimurde teinud vaid mõned üksused, näiteks Huagong Laser, Xi'ani Optika ja Peenmehaanika Instituut ning Harbini Hit Weld Technology. Suure võimsusega ülilühikeste impulsslaserite toimel võivad laserite tekitatud rõhulained klaasi tekitada mikropragusid või pingekontsentratsioone, mis soodustavad kahe klaasitüki vahelist sidumist. Pärast keevitamist on liimitud klaas väga tugev ja juba on võimalik saavutada tihe keevitamine 3 mm paksuse klaasi vahel. Tulevikus keskenduvad teadlased ka klaasi ja teiste materjalide vahelisele pealiskeevitusele. Praegu pole neid uusi protsesse veel laialdaselt partiidena rakendatud, kuid küpsena mängivad need kahtlemata olulist rolli mõnes tipptasemel rakendusvaldkonnas.