بررسی وضعیت فعلی و پتانسیل پردازش لیزری شیشه

فناوری تولید لیزری در طول دهه گذشته شاهد توسعه سریعی بوده است و کاربرد اصلی آن پردازش لیزری مواد فلزی است. برش لیزری، جوشکاری لیزری و روکش 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 دستیابی به موفقیت، 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 دارد و جایگزینی لیزر را کار آسانی نمی‌کند.

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. در مرحله اول، با استفاده از یک ابزار نوک الماس یا یک چرخ سنگ‌زنی آلیاژ سخت، ترکی روی سطح شیشه ایجاد می‌شود. در مرحله 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 منجر به لبه‌های ناهمواری می‌شوند که اغلب نیاز به صیقل ثانویه دارند و مقدار زیادی زباله و گرد و غبار تولید می‌کنند. علاوه بر این، برای کارهایی مانند سوراخ کردن در وسط پنل‌های شیشه‌ای یا برش اشکال نامنظم، روش‌های سنتی بسیار چالش برانگیز هستند. اینجاست که مزایای برش لیزری شیشه آشکار می‌شود. در سال 2022، درآمد فروش صنعت شیشه چین تقریباً 744.3 میلیارد یوان بود. میزان نفوذ فناوری برش لیزری در صنعت شیشه هنوز در مرحله 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 سر متمرکزکننده Bezier برای تولید پرتوهای لیزر با حداکثر توان و چگالی بالا در داخل 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 منافذ ریز بی‌شماری را تشکیل می‌دهند و برش را از طریق شکستگی‌های ناشی از تنش خارجی انجام می‌دهند.

با پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری لیزر، سطح توان نیز افزایش یافته است. یک لیزر سبز نانوثانیه‌ای با توان بیش از 20 وات می‌تواند شیشه را به طور مؤثر 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 شیشه‌هایی تا ضخامت 17 میلی‌متر را برش دهند. برش لیزری شیشه از راندمان بالایی برخوردار است. به عنوان 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 چندین دقیقه طول می‌کشد. لبه‌های برش لیزری صاف هستند و دقت بریدگی آنها 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 می‌کرد و با معرفی دستگاه برش نامرئی لیزری، جهشی را تجربه کرد. با محبوبیت گوشی‌های هوشمند تمام صفحه، برش لیزری دقیق کل پنل‌های شیشه‌ای صفحه بزرگ، ظرفیت پردازش شیشه را به طور قابل توجهی افزایش داده است. برش لیزری در پردازش اجزای شیشه‌ای برای تلفن‌های همراه رایج شده است. این روند در درجه اول توسط تجهیزات خودکار برای پردازش لیزری پوشش شیشه 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

صفحه نمایش‌های نصب شده روی خودرو، به ویژه برای صفحه نمایش‌های کنترل مرکزی، سیستم‌های ناوبری، دوربین‌های داشبورد و غیره، پنل‌های شیشه‌ای زیادی مصرف می‌کنند. امروزه بسیاری از وسایل نقلیه با انرژی جدید به سیستم‌های هوشمند و صفحه نمایش‌های کنترل مرکزی بزرگ مجهز شده‌اند. 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 صفحه نمایش‌های نصب شده روی خودرو به دلیل ویژگی‌های عالی خود به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند و یک شیشه صفحه نمایش منحنی با کیفیت بالا می‌تواند تجربه‌ای بی‌نظیرتر را برای صنعت خودرو فراهم کند. با این حال، سختی و شکنندگی بالای شیشه، چالشی برای پردازش ایجاد می‌کند.

شیشه‌های نصب‌شده روی خودرو به دقت بالایی نیاز دارند و تلرانس اجزای سازه‌ای مونتاژ شده بسیار کم است. خطاهای ابعادی بزرگ در طول برش شیشه‌های مربعی/میله‌ای می‌تواند منجر به مشکلات مونتاژ شود. روش‌های پردازش سنتی شامل مراحل متعددی مانند برش چرخ، برش دستی، شکل‌دهی CNC و پخ‌زنی و موارد دیگر است. از آنجایی که این پردازش مکانیکی است، از مشکلاتی مانند راندمان پایین، کیفیت پایین، نرخ بازده پایین و هزینه بالا رنج می‌برد. پس از برش چرخ، ماشینکاری CNC یک شیشه با شکل پوشش کنترل مرکزی خودرو می‌تواند تا 8 تا 10 دقیقه طول بکشد. با لیزرهای فوق سریع بیش از 100 وات، می‌توان یک شیشه 17 میلی‌متری را در یک حرکت برش داد. ادغام چندین فرآیند تولید، راندمان را 80 درصد افزایش می‌دهد، به طوری که 1 لیزر معادل 20 دستگاه CNC است. این امر بهره‌وری را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد و هزینه‌های پردازش واحد را کاهش می‌دهد.

کاربردهای دیگر لیزر در شیشه

شیشه کوارتز ساختار منحصر به فردی دارد که برش شکافتن 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 در سال‌های اخیر است که به سرعت در حال توسعه است و با دقت و سرعت پردازش بسیار بالا، قادر به حکاکی و پردازش در سطح میکرومتر تا نانومتر روی سطوح مختلف مواد است. فناوری خنک‌کننده لیزری با توجه به تقاضای متغیر بازار تغییر می‌کند. چیلرهای لیزری فوق سریع سری CWUP شرکت TEYU Chiller Manufacturer، به عنوان یک تولیدکننده چیلر باتجربه که خطوط تولید چیلر آبی خود را مطابق با روند بازار به‌روزرسانی می‌کند، می‌توانند راه‌حل‌های خنک‌کننده کارآمد و پایداری را برای لیزرهای پیکوثانیه و فمتوثانیه با حداکثر 60 وات ارائه دهند.

جوشکاری لیزری شیشه، فناوری جدیدی است که در دو تا سه سال گذشته ظهور کرده و ابتدا در آلمان پدیدار شد. در حال حاضر، تنها چند واحد در چین، مانند Huagong Laser، موسسه اپتیک و مکانیک ظریف شیان و Harbin Hit Weld Technology، این فناوری را به طور کامل توسعه داده‌اند. تحت تأثیر 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 پیوند یافته پس از جوشکاری بسیار محکم است و در حال حاضر 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 می‌کنند. 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.