Esplorazione dello stato attuale e del potenziale della lavorazione laser del vetro

La tecnologia di produzione laser ha visto un rapido sviluppo nell'ultimo decennio, con la sua applicazione principale nella lavorazione laser di materiali metallici. Il taglio laser, la saldatura laser e il rivestimento 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 grave, limitando la crescita del mercato laser. Pertanto, per affermarsi, le applicazioni laser devono espandersi in nuovi domini di materiali. I materiali non metallici adatti all'applicazione laser includono tessuti, vetro, plastica, polimeri, ceramica e altro ancora. Ogni materiale coinvolge diversi settori, ma esistono già tecniche di lavorazione consolidate, rendendo la sostituzione laser non un compito facile.

Per entrare nel campo dei materiali non metallici, è necessario analizzare se l'interazione laser con il materiale è fattibile e se si verificheranno reazioni avverse. Attualmente, il vetro si distingue come un'area importante con elevato valore aggiunto e potenziale per applicazioni di lavorazione laser in batch.

Ampio spazio per il taglio laser del vetro

Il vetro è un importante materiale industriale utilizzato in vari settori, come quello automobilistico, edile, medico ed elettronico. Le sue applicazioni spaziano dai filtri ottici di piccole dimensioni per la misurazione micrometrica ai pannelli di vetro di grandi dimensioni utilizzati 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 sfide significative 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, vengono impiegati mezzi meccanici per separare il vetro lungo la linea della 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 attività come la foratura al centro di pannelli di vetro o il taglio di forme irregolari, i metodi tradizionali sono piuttosto impegnativi. È qui che i vantaggi del taglio laser del vetro diventano evidenti. Nel 2022, il fatturato dell'industria del vetro in Cina è stato di circa 744,3 miliardi di yuan. Il tasso di penetrazione della tecnologia del taglio laser nell'industria del vetro è ancora in una fase iniziale, il che indica un notevole spazio per l'applicazione della tecnologia del taglio laser come sostituto.

Taglio laser del vetro: dai telefoni cellulari in poi

Il taglio laser del vetro impiega spesso una testa di focalizzazione Bezier per generare fasci laser ad alta potenza di picco e densità all'interno del vetro. Concentrando 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 formano 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 di oltre 20 W può tagliare efficacemente il vetro, mentre un laser ultravioletto a picosecondi con una potenza di oltre 15 W taglia senza sforzo vetri di 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 spesso 3 mm richiede solo circa 10 secondi con il taglio laser, rispetto a diversi minuti con le lame meccaniche. I bordi tagliati al laser sono lisci, con una precisione di intaglio fino a 30 μm, eliminando la necessità di lavorazioni secondarie per i prodotti industriali generici.

Il taglio laser del vetro è uno sviluppo relativamente recente, iniziato circa sei o sette anni fa. L'industria manifatturiera dei telefoni cellulari è stata tra le prime ad adottare questa tecnologia, utilizzando il taglio laser sulle cover in vetro delle fotocamere e registrando un'impennata con l'introduzione di un dispositivo di taglio laser invisibile. Con la popolarità degli smartphone a schermo intero, il taglio laser preciso di interi pannelli in vetro di grandi dimensioni ha notevolmente aumentato la capacità di lavorazione del vetro. Il taglio laser è diventato comune nella lavorazione dei componenti in vetro per telefoni cellulari. Questa tendenza è stata trainata principalmente dalle apparecchiature automatizzate per la lavorazione laser delle cover in vetro dei telefoni cellulari, dai dispositivi di taglio laser per le lenti di protezione delle fotocamere e dalle apparecchiature intelligenti per la foratura laser dei substrati in vetro.

Il vetro dello schermo elettronico montato sulle auto sta gradualmente adottando il taglio laser

Gli schermi montati sulle auto occupano molti pannelli in vetro, soprattutto per i display di controllo centrale, i sistemi di navigazione, le dashcam, ecc. Oggigiorno, molti veicoli alimentati da nuove energie sono dotati di sistemi intelligenti e display di controllo centrale sovradimensionati. I sistemi intelligenti sono diventati standard nelle automobili, con schermi di grandi dimensioni e multipli, così come gli schermi curvi 3D che stanno gradualmente diventando la norma sul mercato. I pannelli di copertura in vetro per i display montati sulle auto sono ampiamente utilizzati grazie alle loro eccellenti caratteristiche, e un vetro curvo di alta qualità può offrire un'esperienza di guida più avanzata per l'industria automobilistica. Tuttavia, l'elevata durezza e la fragilità del vetro rappresentano una sfida per la lavorazione.

I parabrezza montati sulle auto richiedono un'elevata precisione e le tolleranze dei componenti strutturali assemblati sono molto ridotte. Grandi errori dimensionali durante il taglio di parabrezza quadrati/a barre possono causare problemi di assemblaggio. I metodi di lavorazione tradizionali prevedono più fasi, tra cui il taglio con rotella, la troncatura manuale, la sagomatura CNC e la smussatura. Trattandosi di una lavorazione meccanica, presenta problemi quali bassa efficienza, scarsa qualità, basso tasso di resa e costi elevati. Dopo il taglio con rotella, la lavorazione CNC di un singolo vetro di copertura del pannello di controllo 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 di lavorazione unitari.

Altre applicazioni dei laser nel vetro

Il vetro di quarzo ha una struttura unica, che lo rende difficile da tagliare con il laser, ma i laser a femtosecondi possono essere utilizzati per l'incisione su vetro di quarzo. Questa è un'applicazione dei laser a femtosecondi per la lavorazione di precisione e l'incisione su vetro di quarzo. La tecnologia laser a femtosecondi è una tecnologia di lavorazione avanzata in rapida evoluzione negli ultimi anni, con una precisione e una velocità di lavorazione estremamente elevate, in grado di eseguire incisioni e lavorazioni a livello micrometrico o nanometrico su varie superfici di materiali. La tecnologia di raffreddamento laser varia in base alle mutevoli esigenze del mercato. In qualità di produttore esperto refrigeratore che aggiorna le proprie linee di produzione di acqua refrigeratore in linea con le tendenze del mercato, i refrigeratori laser ultraveloci della serie CWUP di TEYU Refrigeratore 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 in Germania. Attualmente, solo poche unità in Cina, come Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics e Harbin Hit Weld Technology, hanno rivoluzionato questa tecnologia. Sotto l'azione di laser ad alta potenza e impulsi ultrabrevi, le onde di pressione generate dai laser possono creare microfessure o concentrazioni di stress nel vetro, che possono favorire l'adesione tra due lastre di vetro. Il vetro incollato dopo la saldatura risulta molto resistente ed è già possibile ottenere una saldatura ermetica tra vetri 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 in lotti, ma una volta maturi, svolgeranno senza dubbio un ruolo importante in alcuni campi applicativi di fascia alta.