Analisi dello stato attuale e delle potenzialità della lavorazione del vetro con laser.

Negli ultimi dieci anni, la tecnologia di produzione laser ha conosciuto un rapido sviluppo, con la sua principale applicazione nella lavorazione laser di materiali metallici. Il taglio, la saldatura e la placcatura laser dei metalli sono tra i processi più importanti nella lavorazione laser dei metalli. Tuttavia, con l'aumento della concentrazione, l'omogeneizzazione dei prodotti laser è diventata un problema serio, limitando la crescita del mercato. Pertanto, per superare questa tendenza, le applicazioni laser devono espandersi a nuovi ambiti di materiali. I materiali non metallici adatti all'applicazione laser includono tessuti, vetro, plastica, polimeri, ceramica e molti altri. Ciascun materiale è coinvolto in molteplici settori industriali, ma esistono già tecniche di lavorazione consolidate, il che rende la sostituzione con il laser un'impresa tutt'altro che semplice.

Per entrare nel campo dei materiali non metallici, è necessario analizzare se l'interazione del laser con il materiale sia fattibile e se si verificheranno reazioni indesiderate. Attualmente, il vetro si distingue come un settore di grande valore aggiunto e potenziale per applicazioni di lavorazione laser in serie.

Ampio spazio per il taglio laser del vetro.

Il vetro è un importante materiale industriale utilizzato in diversi settori, come quello automobilistico, edile, medico ed elettronico. Le sue applicazioni spaziano dai filtri ottici di piccole dimensioni, con misure in micrometri, ai pannelli di vetro di grandi dimensioni impiegati in settori come quello automobilistico o edile.

Il vetro può essere classificato in vetro ottico, vetro al quarzo, vetro microcristallino, vetro zaffiro e altro ancora. La caratteristica principale del vetro è la sua fragilità, che pone notevoli sfide ai metodi di lavorazione tradizionali. I metodi tradizionali di taglio del vetro utilizzano in genere utensili in lega dura o diamantati, con il processo di taglio suddiviso in due fasi. In primo luogo, viene creata una crepa sulla superficie del vetro utilizzando un utensile con punta diamantata o una mola in lega dura. In secondo luogo, si utilizzano mezzi meccanici per separare il vetro lungo la linea di crepa. Tuttavia, questi processi tradizionali presentano evidenti svantaggi. Sono relativamente inefficienti, con conseguenti bordi irregolari che spesso richiedono una lucidatura secondaria, e producono molti detriti e polvere. Inoltre, per operazioni come la foratura di fori al centro di pannelli di vetro o il taglio di forme irregolari, i metodi tradizionali risultano piuttosto complessi. È qui che emergono i vantaggi del taglio laser del vetro. Nel 2022, il fatturato dell'industria vetraria cinese si è attestato a circa 744,3 miliardi di yuan. Il tasso di penetrazione della tecnologia di taglio laser nell'industria del vetro è ancora nella sua fase iniziale, il che indica un ampio margine per l'applicazione del taglio laser come alternativa.

Taglio laser del vetro: dai telefoni cellulari in poi

Il taglio laser del vetro spesso impiega una testa di focalizzazione Bezier per generare fasci laser ad alta potenza e densità di picco all'interno del vetro. Focalizzando il fascio Bezier all'interno del vetro, il materiale viene vaporizzato istantaneamente, creando una zona di vaporizzazione che si espande rapidamente formando crepe sulle superfici superiore e inferiore. Queste crepe costituiscono la sezione di taglio, composta da innumerevoli minuscoli punti porosi, consentendo il taglio attraverso fratture da stress esterne.

Grazie ai significativi progressi nella tecnologia laser, anche i livelli di potenza sono aumentati. Un laser verde a nanosecondi con una potenza superiore a 20 W può tagliare efficacemente il vetro, mentre un laser ultravioletto a picosecondi con una potenza superiore a 15 W taglia senza sforzo vetri con uno spessore inferiore a 2 mm. Esistono aziende cinesi in grado di tagliare vetri fino a 17 mm di spessore. Il taglio laser del vetro vanta un'elevata efficienza. Ad esempio, tagliare un pezzo di vetro di 10 cm di diametro su un vetro di 3 mm di spessore richiede solo circa 10 secondi con il taglio laser, rispetto ai diversi minuti necessari con le lame meccaniche. I bordi tagliati al laser sono lisci, con una precisione di taglio fino a 30 μm, eliminando la necessità di lavorazioni secondarie per i prodotti industriali in generale.

Il taglio laser del vetro è una tecnologia relativamente recente, sviluppatasi circa sei o sette anni fa. L'industria della produzione di telefoni cellulari è stata tra le prime ad adottarla, utilizzando il taglio laser per i vetri di protezione delle fotocamere e registrando un'impennata con l'introduzione di un dispositivo di taglio laser invisibile. Con la diffusione degli smartphone a schermo intero, il taglio laser di precisione di interi pannelli di vetro di grandi dimensioni ha incrementato significativamente la capacità di lavorazione del vetro. Il taglio laser è diventato una pratica comune nella lavorazione dei componenti in vetro per telefoni cellulari. Questa tendenza è stata trainata principalmente dalle apparecchiature automatizzate per la lavorazione laser del vetro di copertura dei telefoni cellulari, dai dispositivi di taglio laser per le lenti di protezione delle fotocamere e dalle apparecchiature intelligenti per la foratura laser di substrati di vetro.

Il vetro elettronico per schermi di automobili sta gradualmente adottando il taglio laser.

Gli schermi montati sulle auto consumano grandi quantità di pannelli di vetro, soprattutto per i display centrali, i sistemi di navigazione, le dashcam, ecc. Oggi, molti veicoli a energia pulita sono dotati di sistemi intelligenti e schermi centrali di grandi dimensioni. I sistemi intelligenti sono diventati uno standard nelle automobili, con schermi grandi e multipli, e gli schermi curvi 3D stanno gradualmente diventando la norma sul mercato. I pannelli di copertura in vetro per gli schermi montati sulle auto sono ampiamente utilizzati grazie alle loro eccellenti caratteristiche, e un vetro curvo di alta qualità può offrire un'esperienza ancora migliore per l'industria automobilistica. Tuttavia, l'elevata durezza e fragilità del vetro rappresentano una sfida per la sua lavorazione.

I vetri per schermi montati sulle auto richiedono un'elevata precisione e le tolleranze dei componenti strutturali assemblati sono molto ridotte. Errori dimensionali significativi durante il taglio di schermi quadrati/a barre possono causare problemi di assemblaggio. I metodi di lavorazione tradizionali prevedono diverse fasi, come il taglio con mola, la piegatura manuale, la sagomatura CNC e la smussatura, tra le altre. Trattandosi di una lavorazione meccanica, presenta problemi quali bassa efficienza, scarsa qualità, basso tasso di resa e costi elevati. Dopo il taglio con mola, la lavorazione CNC di un singolo vetro di copertura della console centrale di un'auto può richiedere fino a 8-10 minuti. Con laser ultraveloci da oltre 100 W, è possibile tagliare un vetro da 17 mm in un'unica passata; l'integrazione di più processi produttivi aumenta l'efficienza dell'80%, dove 1 laser equivale a 20 macchine CNC. Ciò migliora notevolmente la produttività e riduce i costi unitari di lavorazione.

Altre applicazioni dei laser nel vetro

Il vetro al quarzo ha una struttura unica, che rende difficile il taglio a spacco con i laser, ma i laser a femtosecondi possono essere utilizzati per l'incisione sul vetro al quarzo. Questa è un'applicazione dei laser a femtosecondi per la lavorazione di precisione e l'incisione sul vetro al quarzo. La tecnologia laser a femtosecondi è una tecnologia di elaborazione avanzata in rapido sviluppo negli ultimi anni, con una precisione e velocità di elaborazione estremamente elevate, in grado di eseguire incisioni e lavorazioni a livello micrometrico e nanometrico su varie superfici di materiali. La tecnologia di raffreddamento laser varia in base alle mutevoli esigenze del mercato. In qualità di produttore di refrigeratori esperto che aggiorna i nostri refrigeratore d'acqua linee di produzione in linea con le tendenze del mercato, TEYU I refrigeratori laser ultraveloci della serie CWUP del produttore di refrigeratori possono fornire soluzioni di raffreddamento efficienti e stabili per laser a picosecondi e femtosecondi fino a 60 W.

La saldatura laser del vetro è una nuova tecnologia emersa negli ultimi due o tre anni, inizialmente sviluppata in Germania. Attualmente, solo poche aziende in Cina, come Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics e Harbin Hit Weld Technology, sono riuscite a perfezionarla. Grazie all'azione di laser ad alta potenza e a impulsi ultracorti, le onde di pressione generate creano microfratture o concentrazioni di stress nel vetro, favorendo l'adesione tra due lastre. Il vetro saldato risulta molto resistente ed è già possibile ottenere saldature ermetiche tra lastre di vetro di 3 mm di spessore. In futuro, i ricercatori si concentreranno anche sulla saldatura a sovrapposizione del vetro con altri materiali. Attualmente, questi nuovi processi non sono ancora ampiamente applicati su larga scala, ma una volta perfezionati, giocheranno senza dubbio un ruolo importante in alcuni settori applicativi di fascia alta.