Exploration de l'état actuel et du potentiel du traitement du verre au laser

La technologie de fabrication laser a connu un développement rapide au cours de la dernière décennie, son application principale étant le traitement laser des matériaux métalliques. La découpe, le soudage et le rechargement laser des métaux figurent parmi les procédés les plus importants du traitement laser des métaux. Cependant, la concentration croissante du marché a entraîné une forte homogénéisation des produits laser, limitant ainsi sa croissance. Par conséquent, pour se démarquer, les applications laser doivent s'étendre à de nouveaux matériaux. Parmi les matériaux non métalliques adaptés au traitement laser, on trouve les textiles, le verre, les plastiques, les polymères, la céramique, etc. Chaque matériau concerne plusieurs secteurs industriels, mais des techniques de traitement éprouvées existent déjà, rendant la substitution par le laser complexe.

Pour s'orienter vers le domaine des matériaux non métalliques, il est nécessaire d'analyser la faisabilité de l'interaction laser avec le matériau et d'évaluer le risque de réactions indésirables. Actuellement, le verre se distingue comme un domaine majeur à forte valeur ajoutée et présentant un grand potentiel pour les applications de traitement laser en série.

Grand espace pour la découpe laser du verre

Le verre est un matériau industriel important utilisé dans divers secteurs tels que l'automobile, la construction, le médical et l'électronique. Ses applications vont des filtres optiques de petite taille (mesurés au micromètre) aux panneaux de verre de grande dimension utilisés dans des industries comme l'automobile ou la construction.

Le verre se décline en plusieurs catégories : verre optique, verre de quartz, verre microcristallin, verre saphir, etc. Sa principale caractéristique est sa fragilité, qui représente un défi majeur pour les méthodes de transformation traditionnelles. Ces dernières utilisent généralement des outils en alliage dur ou en diamant, et le processus de découpe se déroule en deux étapes. Premièrement, une fissure est créée à la surface du verre à l'aide d'un outil à pointe diamantée ou d'une meule en alliage dur. Deuxièmement, le verre est séparé mécaniquement le long de cette fissure. Cependant, ces procédés traditionnels présentent des inconvénients majeurs : leur faible rendement entraîne des bords irréguliers qui nécessitent souvent un polissage secondaire, et ils génèrent une quantité importante de débris et de poussière. De plus, pour des tâches telles que le perçage au centre de panneaux de verre ou la découpe de formes irrégulières, les méthodes traditionnelles s'avèrent particulièrement difficiles. C'est là que les avantages de la découpe laser du verre deviennent évidents. En 2022, le chiffre d'affaires de l'industrie verrière chinoise s'élevait à environ 744,3 milliards de yuans. Le taux de pénétration de la technologie de découpe laser dans ce secteur étant encore à ses débuts, son potentiel d'application comme alternative aux méthodes traditionnelles est considérable.

Découpe laser du verre : des téléphones portables à nos jours

La découpe du verre au laser utilise souvent une tête de focalisation Bézier pour générer des faisceaux laser de haute puissance et densité à l'intérieur du verre. En focalisant le faisceau Bézier, on vaporise instantanément le matériau, créant une zone de vaporisation qui s'étend rapidement et forme des fissures sur les surfaces supérieure et inférieure. Ces fissures constituent la zone de découpe, composée d'innombrables micropores, permettant ainsi une découpe par microfractures.

Grâce aux progrès considérables réalisés dans le domaine des lasers, leur puissance a également augmenté. Un laser vert nanoseconde d'une puissance supérieure à 20 W peut découper efficacement le verre, tandis qu'un laser ultraviolet picoseconde d'une puissance supérieure à 15 W découpe sans effort le verre d'une épaisseur inférieure à 2 mm. Certaines entreprises chinoises sont capables de découper du verre jusqu'à 17 mm d'épaisseur. La découpe laser du verre offre une grande efficacité. Par exemple, la découpe d'une pièce de verre de 10 cm de diamètre dans une épaisseur de 3 mm ne prend qu'une dizaine de secondes avec un laser, contre plusieurs minutes avec des couteaux mécaniques. Les bords découpés au laser sont lisses, avec une précision d'entaille allant jusqu'à 30 µm, ce qui élimine le besoin d'usinage secondaire pour les produits industriels courants.

La découpe laser du verre est une technologie relativement récente, apparue il y a six ou sept ans. L'industrie de la téléphonie mobile a été parmi les premières à l'adopter, notamment pour la fabrication des protections d'objectifs d'appareils photo, et a connu un essor considérable avec l'introduction d'un système de découpe laser invisible. Avec la popularité croissante des smartphones à écran intégral, la découpe laser de précision de panneaux de verre grand format a significativement augmenté les capacités de traitement du verre. La découpe laser est devenue courante pour la fabrication des composants en verre destinés aux téléphones mobiles. Cette tendance est principalement due aux équipements automatisés de traitement laser des verres de protection, aux systèmes de découpe laser pour les lentilles de protection d'objectifs et aux équipements intelligents de perçage laser des substrats en verre.

Les écrans électroniques embarqués dans les voitures adoptent progressivement la découpe laser.

Les écrans embarqués consomment une grande quantité de verre, notamment les écrans de commande centraux, les systèmes de navigation, les caméras embarquées, etc. De nos jours, de nombreux véhicules à énergies nouvelles sont équipés de systèmes intelligents et d'écrans de commande centraux de grande taille. Les systèmes intelligents sont devenus la norme dans l'automobile, avec des écrans multiples et de grande taille, et les écrans incurvés 3D s'imposent progressivement sur le marché. Les panneaux de protection en verre pour écrans embarqués sont largement utilisés en raison de leurs excellentes caractéristiques, et un verre incurvé de haute qualité peut offrir une expérience optimale dans l'industrie automobile. Cependant, la dureté et la fragilité élevées du verre constituent un défi pour sa fabrication.

Les écrans en verre montés sur les véhicules exigent une grande précision, et les tolérances des composants structurels assemblés sont extrêmement faibles. Des erreurs dimensionnelles importantes lors de la découpe des écrans carrés ou à barres peuvent engendrer des problèmes d'assemblage. Les méthodes de traitement traditionnelles comprennent de multiples étapes telles que le découpage à la meule, le cassage manuel, l'usinage CNC et le chanfreinage. Ce procédé mécanique présente des inconvénients tels qu'une faible efficacité, une qualité médiocre, un faible rendement et un coût élevé. Après le découpage à la meule, l'usinage CNC d'une seule vitre de panneau de commande central peut prendre jusqu'à 8 à 10 minutes. Grâce à des lasers ultrarapides de plus de 100 W, une vitre de 17 mm peut être découpée en une seule passe ; l'intégration de plusieurs processus de production accroît l'efficacité de 80 %, un laser équivalant à 20 machines CNC. Ceci améliore considérablement la productivité et réduit les coûts unitaires de traitement.

Autres applications des lasers dans le verre

Le verre de quartz possède une structure unique, ce qui rend sa découpe au laser difficile. Cependant, les lasers femtoseconde peuvent être utilisés pour sa gravure. Il s'agit d'une application des lasers femtoseconde pour l'usinage et la gravure de précision du verre de quartz. La technologie laser femtoseconde est une technologie de traitement avancée en plein essor ces dernières années, offrant une précision et une vitesse de traitement extrêmement élevées, permettant une gravure et un traitement à l'échelle micrométrique, voire nanométrique, sur diverses surfaces. La technologie de refroidissement laser évolue en fonction des besoins du marché. En tant que fabricant expérimenté de refroidisseurs, nous mettons régulièrement à jour nos solutions. refroidisseur d'eau Les lignes de production en phase avec les tendances du marché, les refroidisseurs laser ultrarapides de la série CWUP du fabricant TEYU peuvent fournir des solutions de refroidissement efficaces et stables pour les lasers picosecondes et femtosecondes jusqu'à 60 W.

Le soudage laser du verre est une technologie récente apparue ces deux ou trois dernières années, initialement en Allemagne. Actuellement, seules quelques entreprises en Chine, telles que Huagong Laser, l'Institut d'optique et de mécanique fine de Xi'an et Harbin Hit Weld Technology, maîtrisent cette technologie. Sous l'action de lasers à impulsions ultracourtes de haute puissance, les ondes de pression générées créent des microfissures ou des concentrations de contraintes dans le verre, favorisant ainsi l'assemblage de deux pièces. Le verre ainsi soudé est très résistant, et il est déjà possible d'obtenir un assemblage étanche avec du verre de 3 mm d'épaisseur. Les chercheurs s'intéressent désormais au soudage par recouvrement du verre avec d'autres matériaux. Bien que ces nouveaux procédés ne soient pas encore largement utilisés, ils joueront sans aucun doute un rôle important dans des applications de pointe une fois leur développement achevé.