Klaaslaseriga töötlemise praeguse olukorra ja potentsiaali uurimine

Laseritehnoloogia on viimase kümnendi jooksul kiiresti arenenud, selle peamine rakendusala on metallmaterjalide lasertöötlus. Metallide laserlõikus, laserkeevitus ja laserkatmine on metallide lasertöötluse ühed olulisemad protsessid. Kuid kontsentratsiooni suurenedes on lasertoodete homogeniseerimine muutunud tõsiseks, mis piirab laserituru kasvu. Seetõttu peavad laserrakendused läbimurde saavutamiseks laienema uutele materjalivaldkondadele. Laseriga töötlemiseks sobivate mittemetalliliste materjalide hulka kuuluvad kangad, klaas, plast, polümeerid, keraamika ja palju muud. Iga materjali puhul on tegemist mitme tööstusharuga, kuid küpsed töötlemistehnikad on juba olemas, mistõttu laseriga 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 väikesemahulistest mikromeetrit mõõtvatest optilistest filtritest kuni suuremahuliste 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. Traditsioonilistes klaasilõikusmeetodites kasutatakse tavaliselt kõvasulamist või teemanttööriistu, kusjuures lõikamisprotsess on jagatud kahte etappi. Esiteks tekitatakse klaasi pinnale teemantotsaga tööriista või kõvasulamist lihvketta abil pragu. Teiseks kasutatakse klaasi pragude joone mööda eraldamiseks mehaanilisi vahendeid. Neil traditsioonilistel protsessidel on aga selged puudused. Need on suhteliselt ebaefektiivsed, mille tulemuseks on ebaühtlased servad, mis vajavad sageli teistkordset poleerimist, ning tekitavad palju prahti ja tolmu. Lisaks on traditsioonilised meetodid üsna keerulised selliste ülesannete jaoks nagu klaaspaneelide keskele aukude puurimine või ebakorrapäraste kujundite lõikamine. Siin ilmnevad laserlõikusega 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 teravustamispead, et tekitada klaasis suure tippvõimsuse ja tihedusega laserkiiri. Bézieri kiire fokuseerimisega klaasi sisse aurustub see materjali hetkega, luues aurustumisvööndi, mis laieneb kiiresti, moodustades pragusid ülemisele ja alumisele pinnale. Need praod moodustavad lugematutest pisikestest pooridest koosneva lõikeosa, saavutades lõikamise läbi väliste pingepragude.

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

Klaasi laserlõikus on suhteliselt uus areng, mis sai alguse umbes kuus kuni seitse aastat tagasi. Mobiiltelefonide tootmistööstus oli üks esimesi kasutuselevõtjaid, kasutades laserlõikust kaameraklaasidel ja kogedes hüppelist kasvu laserlõikusseadme kasutuselevõtuga. Täisekraaniga nutitelefonide populaarsuse kasvades on tervete suure ekraaniga klaaspaneelide täpne laserlõikus klaasi töötlemise võimsust märkimisväärselt suurendanud. Laserlõikus on mobiiltelefonide klaaskomponentide töötlemisel muutunud tavaliseks. 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

Autosse paigaldatud ekraanid, eriti keskjuhtimispuldid, navigatsioonisüsteemid, videoregistraatorid jne, kasutavad palju klaaspaneele. Tänapäeval on paljud uued energiasõidukid varustatud intelligentsete süsteemide ja ülisuurte keskjuhtimisekraanidega. Intelligentsed süsteemid on autodes standardiks saanud, kusjuures suured ja mitmed ekraanid, aga ka 3D-kõverad ekraanid on järk-järgult turul peavoolu jõudmas. Autodele paigaldatavate ekraanide klaasist kattepaneelid on oma suurepäraste omaduste tõttu laialdaselt kasutusel ning kvaliteetne kumer ekraaniklaas võib pakkuda autotööstusele ülima kogemuse. Klaasi kõrge kõvadus ja rabedus tekitavad aga töötlemisele probleeme.

Autodele paigaldatavad klaasekraanid nõuavad suurt täpsust ja kokkupandud konstruktsioonielementide tolerantsid on väga väikesed. Ruudukujuliste/latt-sõelte lõikamisel esinevad suured mõõtmevead võivad põhjustada montaažiprobleeme. Traditsioonilised töötlemismeetodid hõlmavad mitmeid etappe, nagu rataste lõikamine, käsitsi purustamine, CNC-vormimine ja kaldlõikamine. Kuna tegemist on mehaanilise töötlemisega, on sellel probleeme nagu madal efektiivsus, halb kvaliteet, madal saagikuse määr ja kõrge hind. Pärast velje lõikamist võib ühe auto keskjuhtimispaneeli katteklaasi kuju CNC-töötlus võtta kuni 8-10 minutit. Ülikiirete, üle 100 W laseritega saab 17 mm klaasi lõigata ühe tõmbega; 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 femtosekundilisi lasereid saab kasutada kvartsklaasi söövitamiseks. See on femtosekundiliste laserite rakendus kvartsklaasi täppistöötluseks ja söövitamiseks. Femtosekundiline lasertehnoloogia on viimastel aastatel kiiresti arenev täiustatud töötlemistehnoloogia, millel on äärmiselt kõrge töötlemistäpsus ja -kiirus ning mis on võimeline mikromeetri ja nanomeetri tasemel söövitama ja töötlema erinevaid materjalipindu.  Laserjahutustehnoloogia varieerub vastavalt muutuvatele turunõudlustele. Kogenud jahutite tootjana, kes ajakohastab oma veejahuti  Turusuundumustega kooskõlas olevad tootmisliinid pakuvad TEYU jahutite tootja CWUP-seeria ülikiired laserjahutid 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 tehnoloogiaga hakkama saanud 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 klaasis tekitada mikropragusid või pingekontsentratsioone, mis soodustavad kahe klaasitüki vahelist sidumist.  Pärast keevitamist on liimitud klaas väga tugev ja juba 3 mm paksuse klaasi vahel on võimalik saavutada tihe keevitamine. Tulevikus keskenduvad teadlased ka klaasi ja teiste materjalide vahelisele keevitamisele. Praegu pole neid uusi protsesse veel partiidena laialdaselt rakendatud, kuid kui need on küpseks saanud, mängivad need kahtlemata olulist rolli mõnes tipptasemel rakendusvaldkonnas.