بررسی وضعیت فعلی و پتانسیل پردازش لیزری شیشه

فناوری تولید لیزری در طول دهه گذشته پیشرفت سریعی داشته است و کاربرد اصلی آن پردازش لیزری مواد فلزی است. برش لیزری، جوشکاری لیزری و روکش کاری لیزری فلزات از مهمترین فرآیندهای پردازش لیزری فلزات هستند. با این حال، با افزایش غلظت، همگن‌سازی محصولات لیزری شدید شده و رشد بازار لیزر را محدود می‌کند. بنابراین، برای پیشرفت، کاربردهای لیزر باید به حوزه‌های جدید مواد گسترش یابد. مواد غیرفلزی مناسب برای کاربرد لیزر شامل پارچه، شیشه، پلاستیک، پلیمر، سرامیک و موارد دیگر هستند. هر ماده شامل صنایع متعددی است، اما تکنیک‌های پردازش بالغ از قبل وجود دارند، و جایگزینی لیزر را کار آسانی نمی‌سازند.

برای ورود به حوزه مواد غیرفلزی، لازم است بررسی شود که آیا برهمکنش لیزر با ماده امکان‌پذیر است و آیا واکنش‌های نامطلوبی رخ خواهد داد یا خیر. در حال حاضر، شیشه به عنوان یک حوزه اصلی با ارزش افزوده بالا و پتانسیل بالا برای کاربردهای پردازش لیزری دسته‌ای، برجسته است.

فضای بزرگ برای برش لیزری شیشه

شیشه یک ماده صنعتی مهم است که در صنایع مختلفی مانند خودرو، ساخت و ساز، پزشکی و الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. کاربردهای آن از فیلترهای نوری در مقیاس کوچک با اندازه گیری میکرومتر تا پنل‌های شیشه‌ای در مقیاس بزرگ مورد استفاده در صنایعی مانند خودرو یا ساخت و ساز متغیر است.

شیشه را می‌توان به شیشه نوری، شیشه کوارتز، شیشه میکروکریستالی، شیشه یاقوت کبود و موارد دیگر طبقه‌بندی کرد. ویژگی قابل توجه شیشه، شکنندگی آن است که چالش‌های قابل توجهی را برای روش‌های پردازش سنتی ایجاد می‌کند. روش‌های سنتی برش شیشه معمولاً از ابزارهای آلیاژ سخت یا الماس استفاده می‌کنند و فرآیند برش به دو مرحله تقسیم می‌شود. ابتدا، با استفاده از یک ابزار نوک الماسی یا یک چرخ سنگ‌زنی از جنس آلیاژ سخت، یک ترک روی سطح شیشه ایجاد می‌شود. دوم، از وسایل مکانیکی برای جدا کردن شیشه در امتداد خط ترک استفاده می‌شود. با این حال، این فرآیندهای سنتی دارای معایب آشکاری هستند. آنها نسبتاً ناکارآمد هستند و در نتیجه لبه‌های ناهمواری ایجاد می‌کنند که اغلب نیاز به پولیش ثانویه دارند و مقدار زیادی خرده و گرد و غبار تولید می‌کنند. علاوه بر این، برای کارهایی مانند سوراخ کردن وسط پنل‌های شیشه‌ای یا برش اشکال نامنظم، روش‌های سنتی کاملاً چالش‌برانگیز هستند. اینجاست که مزایای برش لیزری شیشه آشکار می‌شود. در سال 2022، درآمد فروش صنعت شیشه چین تقریباً 744.3 میلیارد یوان بود. نرخ نفوذ فناوری برش لیزری در صنعت شیشه هنوز در مراحل اولیه خود است، که نشان دهنده فضای قابل توجهی برای کاربرد فناوری برش لیزری به عنوان جایگزین است.

برش لیزری شیشه: از تلفن‌های همراه به بعد

برش لیزری شیشه اغلب از یک هد فوکوس Bezier برای تولید پرتوهای لیزر با حداکثر توان و چگالی بالا در شیشه استفاده می‌کند. با متمرکز کردن پرتو Bezier در داخل شیشه، ماده فوراً تبخیر می‌شود و یک ناحیه تبخیر ایجاد می‌شود که به سرعت گسترش می‌یابد و ترک‌هایی را در سطوح بالایی و پایینی ایجاد می‌کند. این ترک‌ها بخش برش متشکل از نقاط منفذ ریز بی‌شماری را تشکیل می‌دهند که برش را از طریق شکستگی‌های ناشی از تنش خارجی محقق می‌کنند.

با پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری لیزر، سطح توان نیز افزایش یافته است. یک لیزر سبز نانوثانیه‌ای با توان بیش از 20 وات می‌تواند به طور مؤثر شیشه را برش دهد، در حالی که یک لیزر فرابنفش پیکوثانیه‌ای با توان بیش از 15 وات، شیشه‌هایی با ضخامت کمتر از 2 میلی‌متر را به راحتی برش می‌دهد. شرکت‌های چینی وجود دارند که می‌توانند شیشه را تا ضخامت ۱۷ میلی‌متر برش دهند. برش لیزری شیشه از راندمان بالایی برخوردار است. برای مثال، برش یک قطعه شیشه به قطر 10 سانتی‌متر روی شیشه‌ای به ضخامت 3 میلی‌متر با برش لیزری تنها حدود 10 ثانیه طول می‌کشد، در حالی که با چاقوهای مکانیکی این زمان به چند دقیقه می‌رسد. لبه‌های برش لیزری صاف هستند و دقت برش تا 30 میکرومتر می‌رسد و نیاز به ماشینکاری ثانویه برای محصولات صنعتی عمومی را از بین می‌برد.

برش لیزری شیشه یک پیشرفت نسبتاً جدید است که حدود شش تا هفت سال پیش آغاز شد. صنعت تولید تلفن همراه از جمله اولین پذیرندگان این فناوری بود که از برش لیزری روی پوشش شیشه دوربین استفاده کرد و با معرفی دستگاه برش نامرئی لیزری، جهشی را تجربه کرد. با محبوبیت گوشی‌های هوشمند تمام صفحه، برش لیزری دقیق کل پنل‌های شیشه‌ای صفحه نمایش بزرگ، ظرفیت پردازش شیشه را به میزان قابل توجهی افزایش داده است. برش لیزری در پردازش اجزای شیشه‌ای گوشی‌های تلفن همراه رایج شده است. این روند در درجه اول توسط تجهیزات خودکار برای پردازش لیزری شیشه محافظ تلفن همراه، دستگاه‌های برش لیزری برای لنزهای محافظ دوربین و تجهیزات هوشمند برای سوراخکاری لیزری زیرلایه‌های شیشه‌ای هدایت شده است.

شیشه‌های الکترونیکی نصب‌شده روی خودرو به تدریج برش لیزری را می‌پذیرند

نمایشگرهای نصب‌شده روی خودرو، به‌خصوص برای نمایشگرهای کنترل مرکزی، سیستم‌های ناوبری، دوربین‌های داشبورد و غیره، پنل‌های شیشه‌ای زیادی مصرف می‌کنند. امروزه بسیاری از خودروهای انرژی نو مجهز به سیستم‌های هوشمند و صفحه نمایش‌های کنترل مرکزی بزرگ هستند. سیستم‌های هوشمند در خودروها به استاندارد تبدیل شده‌اند و صفحه نمایش‌های بزرگ و چندگانه و همچنین صفحه نمایش‌های منحنی سه‌بعدی به تدریج به جریان اصلی بازار تبدیل می‌شوند. پنل‌های پوشش شیشه‌ای برای نمایشگرهای نصب‌شده روی خودرو به دلیل ویژگی‌های عالی‌شان به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند و یک شیشه نمایشگر منحنی با کیفیت بالا می‌تواند تجربه‌ای بی‌نظیرتر را برای صنعت خودرو فراهم کند. با این حال، سختی و شکنندگی بالای شیشه، پردازش آن را با چالش مواجه می‌کند.

شیشه‌های نصب‌شده روی خودرو به دقت بالایی نیاز دارند و تلرانس اجزای سازه‌ای مونتاژشده بسیار کم است. خطاهای ابعادی بزرگ در طول برش صفحات مربع/میله‌ای می‌تواند منجر به مشکلات مونتاژ شود. روش‌های پردازش سنتی شامل مراحل متعددی مانند برش با چرخ، برش دستی، شکل‌دهی CNC و پخ‌زنی و موارد دیگر است. از آنجایی که این فرآیند مکانیکی است، از مشکلاتی مانند راندمان پایین، کیفیت پایین، نرخ بازده پایین و هزینه بالا رنج می‌برد. پس از برش چرخ، ماشینکاری CNC شکل شیشه پوشش کنترل مرکزی یک خودرو می‌تواند تا ۸ تا ۱۰ دقیقه طول بکشد. با لیزرهای فوق سریع بیش از ۱۰۰ وات، می‌توان یک شیشه ۱۷ میلی‌متری را با یک ضربه برش داد؛ ادغام چندین فرآیند تولید، بهره‌وری را تا ۸۰٪ افزایش می‌دهد، به طوری که ۱ لیزر معادل ۲۰ دستگاه CNC است. این امر به میزان قابل توجهی بهره‌وری را بهبود می‌بخشد و هزینه‌های پردازش واحد را کاهش می‌دهد.

کاربردهای دیگر لیزر در شیشه

شیشه کوارتز ساختار منحصر به فردی دارد که برش آن با لیزر را دشوار می‌کند، اما می‌توان از لیزرهای فمتوثانیه برای حکاکی روی شیشه کوارتز استفاده کرد. این کاربرد لیزرهای فمتوثانیه برای ماشینکاری دقیق و حکاکی روی شیشه کوارتز است. فناوری لیزر فمتوثانیه یک فناوری پردازش پیشرفته است که در سال‌های اخیر به سرعت در حال توسعه است و با دقت و سرعت پردازش بسیار بالا، قادر به حکاکی و پردازش در سطح میکرومتر تا نانومتر بر روی سطوح مختلف مواد است.  فناوری خنک‌کننده لیزر با توجه به تغییر تقاضای بازار، متفاوت است. به عنوان یک تولیدکننده چیلر باتجربه که محصولات ما را به‌روز می‌کند چیلر آب  خطوط تولید مطابق با روند بازار، چیلرهای لیزری فوق سریع سری CWUP از تولیدکننده چیلر TEYU می‌توانند راه‌حل‌های خنک‌کننده کارآمد و پایداری را برای لیزرهای پیکوثانیه و فمتوثانیه با توان تا 60 وات ارائه دهند.

جوشکاری لیزری شیشه فناوری جدیدی است که در دو تا سه سال گذشته پدیدار شده و ابتدا در آلمان ظاهر شد. در حال حاضر، تنها چند واحد در چین، مانند Huagong Laser، موسسه اپتیک و مکانیک دقیق شیان و Harbin Hit Weld Technology، این فناوری را به طور کامل توسعه داده‌اند. تحت عمل لیزرهای پالسی فوق کوتاه و پرقدرت، امواج فشاری تولید شده توسط لیزرها می‌توانند میکروترک‌ها یا تمرکز تنش را در شیشه ایجاد کنند که می‌تواند باعث اتصال بین دو قطعه شیشه شود.  شیشه پیوندی پس از جوشکاری بسیار محکم است و از قبل می‌توان به جوشکاری محکم بین شیشه‌های با ضخامت ۳ میلی‌متر دست یافت. در آینده، محققان همچنین بر روی جوشکاری روکش شیشه با سایر مواد تمرکز خواهند کرد. در حال حاضر، این فرآیندهای جدید هنوز به طور گسترده در دسته‌ها به کار گرفته نشده‌اند، اما پس از بلوغ، بدون شک نقش مهمی در برخی از زمینه‌های کاربردی سطح بالا ایفا خواهند کرد.