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

La tecnologia di produzione laser ha conosciuto un rapido sviluppo nell'ultimo decennio e la sua applicazione principale è la 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 dei laser. Pertanto, per avere successo, le applicazioni laser devono espandersi in nuovi ambiti di materiali. I materiali non metallici adatti all'applicazione laser includono tessuti, vetro, plastica, polimeri, ceramica e altro ancora. Ogni materiale coinvolge più settori, ma esistono già tecniche di lavorazione mature, il che rende la sostituzione con il laser un compito non facile.

Per entrare nel campo dei materiali non metallici, è necessario analizzare se l'interazione del 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 le 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, tra cui quello automobilistico, edile, medico ed elettronico. Le sue applicazioni spaziano dai filtri ottici di piccole dimensioni che misurano micrometri ai pannelli di vetro di grandi dimensioni utilizzati in settori come quello automobilistico o edile.

Il vetro può essere suddiviso in vetro ottico, vetro al quarzo, vetro microcristallino, vetro zaffiro e altri ancora. La caratteristica più importante del vetro è la sua fragilità, che pone notevoli sfide ai metodi di lavorazione tradizionali. I metodi tradizionali di taglio del vetro utilizzano solitamente utensili in lega dura o diamantati e il processo di taglio è suddiviso in due fasi. Per prima cosa si crea una crepa sulla superficie del vetro utilizzando uno strumento con punta diamantata o una mola in lega dura. In secondo luogo, vengono impiegati mezzi meccanici per separare il vetro lungo la linea di frattura. Tuttavia, questi processi tradizionali presentano evidenti svantaggi. Sono relativamente inefficienti, il che comporta bordi irregolari che spesso richiedono una lucidatura secondaria e producono molti detriti e polvere. Inoltre, per compiti come la foratura di fori al centro di pannelli di vetro o il taglio di forme irregolari, i metodi tradizionali risultano piuttosto impegnativi. È qui che diventano evidenti i vantaggi del taglio laser del vetro 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 spesso impiega una testa di focalizzazione Bezier per generare raggi laser ad alta potenza di picco e densità all'interno del vetro. Concentrando il raggio di Bézier 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 notevoli 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 il vetro con uno spessore inferiore a 2 mm. Esistono aziende cinesi in grado di tagliare il vetro 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 ai diversi minuti dei coltelli meccanici. I bordi tagliati al laser sono lisci, con una precisione di tacca 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 soluzione, utilizzando il taglio laser sulle coperture in vetro 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 preciso di interi pannelli di vetro con schermo 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 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 dei substrati di 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 gli schermi di controllo centrale, i sistemi di navigazione, le dashcam, ecc. Oggigiorno, molti veicoli alimentati da nuove energie sono dotati di sistemi intelligenti e schermi di controllo centrali sovradimensionati. I sistemi intelligenti sono diventati standard nelle automobili, con schermi grandi e multipli, nonché schermi curvi 3D che stanno gradualmente diventando la norma sul mercato. I pannelli di copertura in vetro per schermi montati sulle auto sono ampiamente utilizzati grazie alle loro eccellenti caratteristiche; inoltre, un vetro curvo di alta qualità può offrire un'esperienza ancora più completa per il settore automobilistico. Tuttavia, l'elevata durezza e fragilità del vetro rappresentano una sfida per la lavorazione.

Gli schermi in vetro montati sulle auto richiedono un'elevata precisione e le tolleranze dei componenti strutturali assemblati sono molto ridotte. Grandi errori dimensionali durante il taglio di schermi quadrati/a barre possono causare problemi di assemblaggio. I metodi di lavorazione tradizionali prevedono più fasi, tra cui il taglio della ruota, la rottura 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 della ruota, la lavorazione CNC della forma del vetro di copertura del pannello di controllo centrale di un'auto può richiedere fino a 8-10 minuti. Grazie ai laser ultraveloci da oltre 100 W, è possibile tagliare un vetro da 17 mm in un solo colpo; l'integrazione di più processi di produzione aumenta l'efficienza dell'80%, dove 1 laser equivale a 20 macchine CNC. Ciò migliora notevolmente la produttività e riduce i costi di elaborazione 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 per l'incisione sul vetro di quarzo è possibile utilizzare i laser a femtosecondi. Si tratta di 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 elaborazione avanzata in rapido sviluppo negli ultimi anni, con una precisione e una velocità di elaborazione 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 di refrigeratori esperto che aggiorna il nostro refrigeratore d'acqua  linee di produzione in linea con le tendenze del mercato, i refrigeratori laser ultraveloci della serie CWUP del produttore di refrigeratori TEYU 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 ultra-corti, le onde di pressione generate dai laser possono creare microfessure o concentrazioni di stress nel vetro, che possono favorire l'adesione tra due pezzi di vetro  Dopo la saldatura, il vetro incollato risulta molto resistente ed è già possibile ottenere una saldatura ermetica tra vetri spessi 3 mm. In futuro i ricercatori si concentreranno anche sulla saldatura sovrapposta del vetro con altri materiali. Attualmente, questi nuovi processi non sono ancora stati ampiamente applicati in lotti, ma una volta maturi, svolgeranno senza dubbio un ruolo importante in alcuni campi applicativi di fascia alta.