בחינת המצב הנוכחי והפוטנציאל של עיבוד לייזר זכוכית

טכנולוגיית ייצור הלייזר חוותה התפתחות מהירה בעשור האחרון, כאשר היישום העיקרי שלה הוא עיבוד לייזר עבור חומרי מתכת. חיתוך בלייזר, ריתוך בלייזר וציפוי בלייזר של מתכות הם בין התהליכים החשובים ביותר בעיבוד לייזר של מתכות. עם זאת, ככל שהריכוז עולה, ההומוגניזציה של מוצרי לייזר הפכה חמורה, מה שמגביל את צמיחת שוק הלייזר. לכן, כדי לפרוץ דרך, יישומי לייזר חייבים להתרחב לתחומי חומרים חדשים. חומרים לא מתכתיים המתאימים ליישום לייזר כוללים בדים, זכוכית, פלסטיק, פולימרים, קרמיקה ועוד. כל חומר כרוך בתעשיות מרובות, אך טכניקות עיבוד בוגרות כבר קיימות, מה שהופך את החלפת הלייזר למשימה לא קלה.

כדי להיכנס לתחום חומרים לא מתכתיים, יש צורך לנתח האם אינטראקציה של לייזר עם החומר אפשרית והאם יתרחשו תגובות שליליות. נכון לעכשיו, זכוכית בולטת כתחום מרכזי בעל ערך מוסף גבוה ופוטנציאל ליישומי עיבוד לייזר אצווה.

שטח גדול לחיתוך לייזר זכוכית

זכוכית היא חומר תעשייתי חשוב המשמש במגוון תעשיות כגון רכב, בנייה, רפואה ואלקטרוניקה. יישומיו נעים בין מסננים אופטיים בקנה מידה קטן המודדים מיקרומטרים ועד פאנלים מזכוכית בקנה מידה גדול המשמשים בתעשיות כמו רכב או בנייה.

ניתן לסווג זכוכית לזכוכית אופטית, זכוכית קוורץ, זכוכית מיקרוקריסטלית, זכוכית ספיר ועוד. המאפיין המשמעותי של זכוכית הוא שבירותה, אשר מציבה אתגרים משמעותיים לשיטות עיבוד מסורתיות. שיטות חיתוך זכוכית מסורתיות משתמשות בדרך כלל בכלי סגסוגת קשה או יהלום, כאשר תהליך החיתוך מחולק לשני שלבים. ראשית, נוצר סדק על פני הזכוכית באמצעות כלי בעל קצה יהלום או גלגל השחזה מסגסוגת קשה. שנית, אמצעים מכניים משמשים להפרדת הזכוכית לאורך קו הסדק. עם זאת, לתהליכים המסורתיים הללו יש חסרונות ברורים. הם יחסית לא יעילים, וכתוצאה מכך יוצרים קצוות לא אחידים שלעתים קרובות דורשים ליטוש משני, והם מייצרים הרבה פסולת ואבק. יתר על כן, עבור משימות כגון קידוח חורים באמצע לוחות זכוכית או חיתוך צורות לא סדירות, שיטות מסורתיות הן מאתגרות למדי. כאן מתגלים היתרונות של חיתוך זכוכית בלייזר בשנת 2022, הכנסות המכירות של תעשיית הזכוכית בסין היו כ-744.3 מיליארד יואן. קצב החדירה של טכנולוגיית חיתוך לייזר בתעשיית הזכוכית עדיין בשלב הראשוני שלו, דבר המצביע על מרחב משמעותי ליישום טכנולוגיית חיתוך לייזר כתחליף.

חיתוך לייזר לזכוכית: מטלפונים ניידים ואילך

חיתוך לייזר לזכוכית משתמש לרוב בראש מיקוד בזייה כדי לייצר קרני לייזר בעלות עוצמה שיא וצפיפות גבוהה בתוך הזכוכית. על ידי מיקוד קרן הבזייה בתוך הזכוכית, היא מאדה את החומר באופן מיידי, ויוצרת אזור אידוי, אשר מתרחב במהירות ויוצר סדקים על המשטחים העליונים והתחתונים. סדקים אלה יוצרים את מקטע החיתוך המורכב מנקודות נקבוביות זעירות רבות, המאפשרות חיתוך דרך שברי מאמץ חיצוניים.

עם ההתקדמות המשמעותית בטכנולוגיית הלייזר, גם רמות ההספק גדלו. לייזר ירוק ננו-שנייה עם הספק של מעל 20 וואט יכול לחתוך זכוכית ביעילות, בעוד לייזר אולטרה סגול פיקו-שנייה עם הספק של מעל 15 וואט חותך ללא מאמץ זכוכית בעובי של פחות מ-2 מ"מ. קיימים מפעלים סיניים שיכולים לחתוך זכוכית בעובי של עד 17 מ"מ. חיתוך זכוכית בלייזר מתהדר ביעילות גבוהה. לדוגמה, חיתוך חתיכת זכוכית בקוטר 10 ס"מ על זכוכית בעובי 3 מ"מ לוקח רק כ-10 שניות בחיתוך לייזר בהשוואה למספר דקות עם סכינים מכניות. קצוות חיתוך לייזר חלקים, עם דיוק חריץ של עד 30 מיקרון, מה שמבטל את הצורך בעיבוד משני עבור מוצרים תעשייתיים כלליים.

חיתוך זכוכית בלייזר הוא פיתוח חדש יחסית, שהחל לפני כשש עד שבע שנים. תעשיית ייצור הטלפונים הניידים הייתה בין המאמצים הראשונים, תוך שימוש בחיתוך לייזר על כיסויי זכוכית של מצלמות וחוותה גל עם הצגת מכשיר חיתוך לייזר להעלמות. עם הפופולריות של סמארטפונים עם מסך מלא, חיתוך לייזר מדויק של לוחות זכוכית גדולים שלמים הגביר משמעותית את יכולת עיבוד הזכוכית. חיתוך בלייזר הפך לנפוץ בכל הנוגע לעיבוד רכיבי זכוכית עבור טלפונים ניידים. מגמה זו הונעה בעיקר על ידי ציוד אוטומטי לעיבוד לייזר של זכוכית כיסוי לטלפונים ניידים, מכשירי חיתוך לייזר לעדשות הגנה על מצלמות וציוד חכם לקידוח לייזר על מצעי זכוכית.

זכוכית מסך אלקטרונית המותקנת ברכב מאמצת בהדרגה חיתוך לייזר

מסכים המותקנים ברכב צורכים הרבה פאנלים מזכוכית, במיוחד עבור מסכי בקרה מרכזית, מערכות ניווט, מצלמות רכב וכו'. כיום, כלי רכב חדשים רבים מצוידים במערכות חכמות ובמסכי בקרה מרכזיים גדולים במיוחד. מערכות חכמות הפכו לסטנדרט במכוניות, כאשר מסכים גדולים ומרובים, כמו גם מסכים תלת-ממדיים מעוקלים, הפכו בהדרגה לזרם המרכזי בשוק. לוחות זכוכית למסכים המותקנים ברכב נמצאים בשימוש נרחב בשל תכונותיהם המצוינות, וזכוכית מסך מעוגלת באיכות גבוהה יכולה לספק חוויה אולטימטיבית יותר לתעשיית הרכב. עם זאת, הקשיות הגבוהה והשבירות של הזכוכית מהוות אתגר לעיבוד.

מסכי זכוכית המותקנים במכוניות דורשים דיוק גבוה, והסבולות של הרכיבים המבניים המורכבים קטנה מאוד. שגיאות מידות גדולות במהלך חיתוך מסכים מרובעים/מוטות עלולות להוביל לבעיות הרכבה. שיטות עיבוד מסורתיות כוללות שלבים מרובים כגון חיתוך גלגלים, שבירה ידנית, עיצוב CNC ושיפוע, בין היתר. מכיוון שמדובר בעיבוד מכני, הוא סובל מבעיות כמו יעילות נמוכה, איכות ירודה, שיעור תפוקה נמוך ועלות גבוהה. לאחר חיתוך הגלגלים, עיבוד שבבי CNC של צורת זכוכית כיסוי בקרה מרכזית של מכונית בודדת יכול להימשך עד 8-10 דקות. בעזרת לייזרים אולטרה-מהירים של מעל 100W, ניתן לחתוך זכוכית של 17 מ"מ בפעימה אחת; שילוב תהליכי ייצור מרובים מגביר את היעילות ב-80%, כאשר לייזר אחד שווה ערך ל-20 מכונות CNC. זה משפר מאוד את הפרודוקטיביות ומפחית את עלויות העיבוד ליחידה.

יישומים נוספים של לייזרים בזכוכית

לזכוכית קוורץ מבנה ייחודי, מה שמקשה על חיתוך פיצול באמצעות לייזרים, אך ניתן להשתמש בלייזרי פמטו-שנייה לחריטה על זכוכית קוורץ. זהו יישום של לייזרים פמטו-שניים לעיבוד שבבי מדויק וחריטה על זכוכית קוורץ. טכנולוגיית לייזר פמטו-שנייה היא טכנולוגיית עיבוד מתקדמת המתפתחת במהירות בשנים האחרונות, עם דיוק ומהירות עיבוד גבוהים במיוחד, המסוגלת לחרוט ועיבוד ברמת מיקרומטר עד ננומטר על משטחי חומרים שונים.  טכנולוגיית קירור לייזר משתנה בהתאם לדרישות השוק המשתנות. כיצרנית צ'ילרים מנוסה שמעדכנת את שלנו מצנן מים  קווי ייצור בהתאם למגמות השוק, צ'ילרי הלייזר האולטרה-מהירים מסדרת CWUP של יצרן הצ'ילרים של TEYU יכולים לספק פתרונות קירור יעילים ויציבים עבור לייזרים בפיקוסקונדה ובפמטו-שנייה בהספק של עד 60W.

ריתוך זכוכית בלייזר היא טכנולוגיה חדשה שצצה בשנתיים-שלוש האחרונות, והופיעה בתחילה בגרמניה. נכון לעכשיו, רק כמה יחידות בסין, כמו Huagong Laser, מכון שיאן לאופטיקה ומכניקה עדינה, ו-Harbin Hit Weld Technology, פרצו דרך טכנולוגיה זו. תחת פעולתם של לייזרים בעלי עוצמה גבוהה ופולסים קצרים במיוחד, גלי הלחץ הנוצרים על ידי לייזרים יכולים ליצור סדקים זעירים או ריכוזי מתח בזכוכית, מה שיכול לקדם הדבקה בין שתי חתיכות זכוכית.  הזכוכית המודבקת לאחר הריתוך יציבה מאוד, וכבר ניתן להשיג ריתוך מדויק בין זכוכית בעובי 3 מ"מ. בעתיד, חוקרים יתמקדו גם בריתוך שכבות של זכוכית עם חומרים אחרים. נכון לעכשיו, תהליכים חדשים אלה טרם יושמו באופן נרחב בקבוצות, אך לאחר שיבשילו, הם ללא ספק ימלאו תפקיד חשוב בכמה תחומי יישומים מתקדמים.