Istraživanje trenutnog stanja i potencijala laserske obrade stakla

Tehnologija laserske proizvodnje doživjela je brzi razvoj u posljednjem desetljeću, a njezina primarna primjena je laserska obrada metalnih materijala. Lasersko rezanje, lasersko zavarivanje i lasersko oblaganje metala među su najvažnijim procesima u laserskoj obradi metala. Međutim, kako se koncentracija povećava, homogenizacija laserskih proizvoda postaje ozbiljna, što ograničava rast tržišta lasera. Stoga, da bi se probili, laserske primjene moraju se proširiti na nove domene materijala. Nemetalni materijali prikladni za lasersku primjenu uključuju tkanine, staklo, plastiku, polimere, keramiku i drugo. Svaki materijal uključuje više industrija, ali već postoje zrele tehnike obrade, što čini lasersku zamjenu teškom zadaćom.

Za ulazak u područje nemetalnih materijala potrebno je analizirati je li interakcija lasera s materijalom izvediva i hoće li doći do neželjenih reakcija. Trenutno se staklo ističe kao glavno područje s visokom dodanom vrijednošću i potencijalom za primjenu u serijskoj laserskoj obradi.

Veliki prostor za lasersko rezanje stakla

Staklo je važan industrijski materijal koji se koristi u raznim industrijama poput automobilske, građevinske, medicinske i elektroničke. Njegova primjena kreće se od malih optičkih filtera koji mjere mikrometre do velikih staklenih ploča koje se koriste u industrijama poput automobilske ili građevinske.

Staklo se može podijeliti na optičko staklo, kvarcno staklo, mikrokristalno staklo, safirno staklo i drugo. Značajna karakteristika stakla je njegova krhkost, što predstavlja značajne izazove za tradicionalne metode obrade. Tradicionalne metode rezanja stakla obično koriste alate od tvrde legure ili dijamantne alate, a proces rezanja podijeljen je u dva koraka. Prvo, pukotina se stvara na površini stakla pomoću alata s dijamantnim vrhom ili brusnog kotača od tvrde legure. Drugo, koriste se mehanička sredstva za odvajanje stakla duž linije pukotine. Međutim, ovi tradicionalni procesi imaju jasne nedostatke. Relativno su neučinkoviti, što rezultira neravnim rubovima koji često zahtijevaju sekundarno poliranje, a proizvode i puno krhotina i prašine. Štoviše, za zadatke poput bušenja rupa u sredini staklenih ploča ili rezanja nepravilnih oblika, tradicionalne metode su prilično izazovne. Tu dolaze do izražaja prednosti laserskog rezanja stakla. U 2022. godini prihod od prodaje u kineskoj industriji stakla iznosio je približno 744,3 milijarde juana. Stopa prodora tehnologije laserskog rezanja u industriju stakla još je uvijek u početnoj fazi, što ukazuje na značajan prostor za primjenu tehnologije laserskog rezanja kao zamjene.

Lasersko rezanje stakla: Od mobitela nadalje

Lasersko rezanje stakla često koristi Bezierovu glavu za fokusiranje kako bi generirala laserske zrake visoke vršne snage i gustoće unutar stakla. Fokusiranjem Bezierove zrake unutar stakla, materijal se trenutno isparava, stvarajući zonu isparavanja koja se brzo širi i stvara pukotine na gornjoj i donjoj površini. Ove pukotine tvore dio za rezanje sastavljen od bezbrojnih sitnih pora, čime se postiže rezanje kroz vanjske pukotine uzrokovane naprezanjem.

Značajnim napretkom u laserskoj tehnologiji, povećale su se i razine snage. Nanosekundni zeleni laser snage preko 20 W može učinkovito rezati staklo, dok pikosekundni ultraljubičasti laser snage preko 15 W bez napora reže staklo debljine manje od 2 mm. Postoje kineska poduzeća koja mogu rezati staklo debljine do 17 mm. Lasersko rezanje stakla može se pohvaliti visokom učinkovitošću. Na primjer, rezanje komada stakla promjera 10 cm na staklu debljine 3 mm traje samo oko 10 sekundi laserskim rezanjem u usporedbi s nekoliko minuta mehaničkim noževima. Rubovi izrezani laserom su glatki, s točnošću zareza do 30 μm, što eliminira potrebu za sekundarnom obradom za opće industrijske proizvode.

Lasersko rezanje stakla relativno je nov razvoj, započeo prije otprilike šest do sedam godina. Industrija proizvodnje mobilnih telefona bila je među prvima koji su ga primijenili, koristeći lasersko rezanje na staklenim poklopcima kamera i doživjevši nagli porast uvođenjem uređaja za lasersko rezanje nevidljivosti. S popularnošću pametnih telefona s punim zaslonom, precizno lasersko rezanje cijelih staklenih ploča velikog zaslona značajno je povećalo kapacitet obrade stakla. Lasersko rezanje postalo je uobičajeno kada je u pitanju obrada staklenih komponenti za mobilne telefone. Ovaj trend prvenstveno je potaknut automatiziranom opremom za lasersku obradu stakla zaštitnih leća mobilnih telefona, uređajima za lasersko rezanje zaštitnih leća kamera i inteligentnom opremom za lasersko bušenje staklenih podloga.

Elektroničko staklo za ekrane montirano na automobil postupno usvaja lasersko rezanje

Zasloni montirani u automobilu troše puno staklenih ploča, posebno za središnje upravljačke zaslone, navigacijske sustave, kamere za automobile itd. Danas su mnoga vozila s novim izvorima energije opremljena inteligentnim sustavima i predimenzioniranim središnjim upravljačkim zaslonima. Inteligentni sustavi postali su standard u automobilima, s velikim i višestrukim zaslonima, kao i 3D zakrivljenim zaslonima koji postupno postaju glavni trend na tržištu. Staklene ploče za zaslone montirane u automobilu široko se koriste zbog svojih izvrsnih karakteristika, a visokokvalitetno zakrivljeno staklo zaslona može pružiti vrhunsko iskustvo za automobilsku industriju. Međutim, visoka tvrdoća i krhkost stakla predstavljaju izazov za obradu.

Stakleni ekrani montirani na automobile zahtijevaju visoku preciznost, a tolerancije sastavljenih strukturnih komponenti su vrlo male. Velike dimenzijske pogreške tijekom rezanja kvadratnih/šipkastih ekrana mogu dovesti do problema s montažom. Tradicionalne metode obrade uključuju više koraka kao što su rezanje kotača, ručno lomljenje, CNC oblikovanje i zakošavanje, između ostalog. Budući da se radi o mehaničkoj obradi, pati od problema kao što su niska učinkovitost, loša kvaliteta, niska stopa prinosa i visoki troškovi. Nakon rezanja kotača, CNC obrada jednog oblika staklenog pokrova središnjeg upravljačkog elementa automobila može trajati i do 8-10 minuta. S ultrabrzim laserima od preko 100 W, staklo od 17 mm može se izrezati u jednom potezu; integracija više proizvodnih procesa povećava učinkovitost za 80%, gdje je 1 laser jednak 20 CNC strojeva. To uvelike poboljšava produktivnost i smanjuje troškove obrade po jedinici.

Druge primjene lasera u staklu

Kvarcno staklo ima jedinstvenu strukturu, što ga otežava cijepanje i rezanje laserima, ali femtosekundni laseri mogu se koristiti za nagrizanje kvarcnog stakla. Ovo je primjena femtosekundnih lasera za preciznu obradu i nagrizanje kvarcnog stakla. Femtosekundna laserska tehnologija je brzo razvijajuća napredna tehnologija obrade posljednjih godina, s izuzetno visokom preciznošću i brzinom obrade, sposobna za nagrizanje i obradu na mikrometarskoj do nanometarskoj razini na različitim površinama materijala. Tehnologija laserskog hlađenja varira ovisno o promjenjivim zahtjevima tržišta. Kao iskusni proizvođač hladnjaka koji ažurira svoje proizvodne linije hladnjaka vode u skladu s tržišnim trendovima, TEYU proizvođač hladnjaka CWUP serije ultrabrzih laserskih hladnjaka može pružiti učinkovita i stabilna rješenja za hlađenje pikosekundnih i femtosekundnih lasera snage do 60 W.

Lasersko zavarivanje stakla nova je tehnologija koja se pojavila u posljednje dvije do tri godine, isprva u Njemačkoj. Trenutno je samo nekoliko jedinica u Kini, kao što su Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics i Harbin Hit Weld Technology, probilo ovu tehnologiju. Pod djelovanjem lasera velike snage s ultrakratkim pulsom, tlačni valovi koje generiraju laseri mogu stvoriti mikropukotine ili koncentracije naprezanja u staklu, što može potaknuti lijepljenje dvaju komada stakla. Spojeno staklo nakon zavarivanja vrlo je čvrsto i već je moguće postići čvrsto zavarivanje između stakla debljine 3 mm. U budućnosti će se istraživači usredotočiti i na preklapajuće zavarivanje stakla s drugim materijalima. Trenutno se ovi novi postupci još ne primjenjuju široko u serijama, ali nakon što sazriju, nesumnjivo će igrati važnu ulogu u nekim vrhunskim područjima primjene.