Lasin laserkäsittelyn nykytilan ja potentiaalin tutkiminen

Laservalmistustekniikka on kehittynyt nopeasti viimeisen vuosikymmenen aikana, ja sen ensisijainen sovellusalue on metallien laserkäsittely. Metallien laserleikkaus, laserhitsaus ja laserpinnoitus ovat metallien lasertyöstön tärkeimpiä prosesseja. Kuitenkin keskittymisen kasvaessa lasertuotteiden homogenisaatio on vauhdittunut, mikä rajoittaa lasermarkkinoiden kasvua. Siksi läpimurron saavuttamiseksi lasersovellusten on laajennuttava uusille materiaalialueille. Lasersovellukseen sopivia ei-metallisia materiaaleja ovat kankaat, lasi, muovit, polymeerit, keramiikka ja paljon muuta. Jokainen materiaali liittyy useisiin teollisuudenaloihin, mutta kypsiä prosessointitekniikoita on jo olemassa, joten laserin korvaaminen ei ole helppo tehtävä.

Ei-metallisten materiaalien kenttään pääsemiseksi on analysoitava, onko laserin ja materiaalin vuorovaikutus mahdollista ja esiintyykö haittavaikutuksia. Lasi erottuu tällä hetkellä merkittävänä alueena, jolla on korkea lisäarvo ja potentiaalia erälaserkäsittelysovelluksiin.

Suuri tila lasin laserleikkaukseen

Lasi on tärkeä teollisuusmateriaali, jota käytetään useilla eri teollisuudenaloilla, kuten autoteollisuudessa, rakentamisessa, lääketieteessä ja elektroniikassa. Sen sovellukset vaihtelevat pienistä mikrometriä mittaavista optisista suodattimista suuriin lasipaneeleihin, joita käytetään esimerkiksi autoteollisuudessa tai rakennusalalla.

Lasi voidaan luokitella optiseksi lasiksi, kvartsilasiksi, mikrokiteiseksi lasiksi, safiirilasiksi ja muuksi. Lasin merkittävä ominaisuus on sen hauraus, joka asettaa merkittäviä haasteita perinteisille käsittelymenetelmille. Perinteisissä lasinleikkausmenetelmissä käytetään tyypillisesti kovametalli- tai timanttityökaluja, ja leikkausprosessi on jaettu kahteen vaiheeseen. Ensin lasipintaan tehdään halkeama timanttiterällä tai kovametallihiomalaikalla. Toiseksi lasi erotetaan mekaanisesti halkeaman suuntaisesti. Näillä perinteisillä prosesseilla on kuitenkin selkeitä haittoja. Ne ovat suhteellisen tehottomia, mikä johtaa epätasaisiin reunoihin, jotka usein vaativat toissijaista kiillotusta, ja ne tuottavat paljon roskia ja pölyä. Lisäksi esimerkiksi lasilevyjen keskelle reikien poraaminen tai epäsäännöllisten muotojen leikkaaminen ovat perinteiset menetelmät melko haastavia. Tässä kohtaa laserleikkauksen edut tulevat esiin Vuonna 2022 Kiinan lasiteollisuuden myyntitulot olivat noin 744,3 miljardia yuania. Laserleikkausteknologian yleistyminen lasiteollisuudessa on vielä alkuvaiheessa, mikä osoittaa merkittävää tilaa laserleikkausteknologian soveltamiselle korvaavana tekniikana.

Lasin laserleikkaus: Matkapuhelimista eteenpäin

Lasin laserleikkauksessa käytetään usein Bezier-tarkennuspäätä, joka tuottaa suuren huipputehon ja tiheyden lasersäteitä lasin sisään. Keskittämällä Bézier-säteen lasin sisään se höyrystää materiaalin välittömästi, jolloin syntyy höyrystymisvyöhyke, joka laajenee nopeasti muodostaen halkeamia ylä- ja alapinnoille. Nämä halkeamat muodostavat lukemattomista pienistä huokospisteistä koostuvan leikkausosan, joka mahdollistaa leikkauksen ulkoisten jännitysmurtumien läpi.

Lasertekniikan merkittävän kehityksen myötä myös tehotasot ovat kasvaneet. Yli 20 W:n tehoinen nanosekunnin vihreä laser leikkaa lasia tehokkaasti, kun taas yli 15 W:n tehoinen pikosekunnin ultraviolettilaser leikkaa vaivattomasti alle 2 mm:n paksuista lasia. Kiinalaisissa yrityksissä on yrityksiä, jotka voivat leikata lasia jopa 17 mm paksuiseksi. Lasin laserleikkaus on erittäin tehokasta. Esimerkiksi 10 cm:n halkaisijan omaavan lasin leikkaaminen 3 mm paksusta lasista kestää laserleikkauksella vain noin 10 sekuntia verrattuna useisiin minuutteihin mekaanisilla veitsillä. Laserleikatut reunat ovat sileät ja niiden lovitarkkuus on jopa 30 μm, mikä poistaa toissijaisen työstön tarpeen yleisissä teollisuustuotteissa.

Lasin laserleikkaus on suhteellisen uusi kehitysaskel, ja se alkoi noin kuusi–seitsemän vuotta sitten. Matkapuhelinvalmistusteollisuus oli yksi ensimmäisistä käyttöönottajista, ja se käytti laserleikkausta kameroiden lasikuvuissa ja koki äkillisen kasvun lasernäkymättömyysleikkauslaitteen käyttöönoton myötä. Koko näytön älypuhelimien suosion myötä kokonaisten suurten näyttöjen lasipaneelien tarkka laserleikkaus on lisännyt merkittävästi lasinjalostuskapasiteettia. Laserleikkauksesta on tullut yleistä matkapuhelinten lasikomponenttien työstössä. Tätä trendiä ovat pääasiassa ajaneet matkapuhelinten lasin laserkäsittelyyn tarkoitetut automatisoidut laitteet, kameroiden suojalinssien laserleikkauslaitteet ja lasialustojen laserporaukseen tarkoitetut älykkäät laitteet.

Autoon asennettu elektroninen näyttölasi ottaa vähitellen käyttöön laserleikkauksen

Autoihin asennetut näytöt kuluttavat paljon lasipaneeleja, erityisesti keskusohjausnäytöt, navigointijärjestelmät, kojelautakamerat jne. Nykyään monet uudet energiaajoneuvot on varustettu älykkäillä järjestelmillä ja ylisuurilla keskusohjausnäytöillä. Älykkäistä järjestelmistä on tullut autoissa standardi, ja suuret ja useat näytöt sekä 3D-kaarevat näytöt ovat vähitellen yleistymässä markkinoilla. Autoihin kiinnitettävien näyttöjen lasisia peitepaneeleja käytetään laajalti niiden erinomaisten ominaisuuksien ansiosta, ja korkealaatuinen kaareva näyttölasi voi tarjota autoteollisuudelle äärimmäisen käyttökokemuksen. Lasin korkea kovuus ja hauraus asettavat kuitenkin haasteen käsittelylle.

Autoihin asennettavat lasiverkot vaativat suurta tarkkuutta, ja koottujen rakenneosien toleranssit ovat hyvin pienet. Suuret mittavirheet neliö-/palkkimuotoisten seulojen leikkauksessa voivat johtaa kokoonpano-ongelmiin. Perinteisiin käsittelymenetelmiin kuuluu useita vaiheita, kuten laikan leikkaus, manuaalinen murtaminen, CNC-muotoilu ja viisteytys. Koska kyseessä on mekaaninen käsittely, sillä on ongelmia, kuten alhainen hyötysuhde, heikko laatu, alhainen saantoaste ja korkeat kustannukset. Vanteen leikkaamisen jälkeen yksittäisen auton keskusohjausyksikön lasiprofiilin CNC-työstö voi kestää jopa 8–10 minuuttia. Yli 100 W:n huippunopeilla lasereilla 17 mm:n lasi voidaan leikata yhdellä vedolla; useiden tuotantoprosessien integrointi lisää tehokkuutta 80 %, jossa yksi laser vastaa 20 CNC-konetta. Tämä parantaa huomattavasti tuottavuutta ja alentaa yksikkökohtaisia käsittelykustannuksia.

Muita lasereiden sovelluksia lasissa

Kvartsilasilla on ainutlaatuinen rakenne, minkä vuoksi sitä on vaikea leikata lasereilla, mutta femtosekuntilasereita voidaan käyttää kvartsilasin syövytykseen. Tämä on femtosekuntilasereiden sovellus kvartsilasin tarkkuustyöstöön ja etsaukseen. Femtosekuntilaserteknologia on viime vuosina nopeasti kehittynyt edistynyt prosessointitekniikka, jolla on erittäin korkea prosessointitarkkuus ja -nopeus, ja joka pystyy mikrometri- ja nanometritason etsaukseen ja prosessointiin erilaisilla materiaalipinnoilla.  Laserjäähdytystekniikka vaihtelee markkinoiden muuttuvien vaatimusten mukaan. Kokeneena jäähdytinvalmistajana, joka päivittää vedenjäähdytin  TEYU-jäähdytinvalmistajan CWUP-sarjan ultranopeat laserjäähdyttimet voivat tarjota tehokkaita ja vakaita jäähdytysratkaisuja pikosekunti- ja femtosekuntilasereille jopa 60 W:n teholla, ja ne vastaavat markkinatrendeihin.

Lasin laserhitsaus on uusi teknologia, joka on syntynyt viimeisten kahden tai kolmen vuoden aikana ja ensi kertaa Saksassa. Tällä hetkellä vain muutamat yksiköt Kiinassa, kuten Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics ja Harbin Hit Weld Technology, ovat murtautuneet tämän teknologian läpi. Suuritehoisten, erittäin lyhyiden pulssien lasereiden vaikutuksesta lasereiden synnyttämät paineaallot voivat aiheuttaa lasiin mikrohalkeamia tai jännityskeskittymiä, mikä voi edistää kahden lasikappaleen välistä sitoutumista.  Hitsauksen jälkeen liimattu lasi on erittäin lujaa, ja jo nyt on mahdollista saavuttaa tiivis hitsaus 3 mm paksujen lasien väliin. Tulevaisuudessa tutkijat keskittyvät myös lasin ja muiden materiaalien päällekkäishitsaukseen. Näitä uusia prosesseja ei ole vielä laajalti sovellettu erissä, mutta kypsyttyään ne tulevat epäilemättä olemaan tärkeässä roolissa joillakin huippuluokan sovellusalueilla.