בחינת המצב הנוכחי והפוטנציאל של עיבוד לייזר זכוכית

טכנולוגיית ייצור הלייזר חוותה התפתחות מהירה בעשור האחרון, כאשר היישום העיקרי שלה הוא עיבוד לייזר לחומרי מתכת. חיתוך לייזר, ריתוך לייזר וציפוי לייזר של מתכות הם בין התהליכים החשובים ביותר בעיבוד לייזר למתכות. עם זאת, ככל שהריכוז עולה, ההומוגניזציה של מוצרי לייזר הפכה חמורה, מה שמגביל את צמיחת שוק הלייזר. לכן, כדי לפרוץ, יישומי לייזר חייבים להתרחב לתחומי חומרים חדשים. חומרים לא מתכתיים המתאימים ליישומי 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. כיום, זכוכית בולטת כתחום עיקרי בעל ערך מוסף גבוה ופוטנציאל ליישומי עיבוד לייזר באצווה.

שטח גדול לחיתוך לייזר זכוכית

זכוכית היא חומר תעשייתי חשוב המשמש בתעשיות שונות כגון רכב, בנייה, רפואה ואלקטרוניקה. יישומיה 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, מה שמציב 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 חוד יהלום או גלגל השחזה מסגסוגת קשה. שנית, נעשה שימוש באמצעים מכניים כדי להפריד את הזכוכית לאורך קו הסדק. עם זאת, לתהליכים מסורתיים אלה יש חסרונות ברורים. הם יחסית לא יעילים, וכתוצאה מכך קצוות לא אחידים הדורשים לעתים קרובות ליטוש משני, והם מייצרים הרבה פסולת ואבק. יתר על כן, עבור משימות כמו 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. שיעור החדירה של טכנולוגיית חיתוך הלייזר בתעשיית הזכוכית עדיין נמצא 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 באופן מיידי את החומר, ויוצרת אזור אידוי, אשר מתרחב במהירות ויוצר סדקים על המשטחים העליונים והתחתונים. סדקים אלה יוצרים את מקטע החיתוך המורכב מנקודות נקבוביות זעירות רבות, ומשיגים חיתוך דרך שברי מאמץ חיצוניים.

עם ההתקדמות המשמעותית בטכנולוגיית הלייזר, גם רמות ההספק עלו. לייזר ירוק ננו-שנייה עם הספק של מעל 20W יכול לחתוך זכוכית ביעילות, בעוד לייזר אולטרה סגול פיקו-שנייה עם הספק של מעל 15W 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 מתגאה 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. הקצוות בחיתוך 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 להיעלמות. עם הפופולריות של סמארטפונים בעלי מסך מלא, חיתוך לייזר מדויק של לוחות זכוכית גדולים שלמים הגביר משמעותית את קיבולת עיבוד הזכוכית. חיתוך לייזר הפך נפוץ בכל הנוגע לעיבוד רכיבי זכוכית עבור טלפונים ניידים. מגמה זו הונעה בעיקר על ידי ציוד אוטומטי לעיבוד לייזר של זכוכית כיסוי טלפונים ניידים, מכשירי חיתוך לייזר לעדשות הגנה על מצלמה 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 רבים המונעים על ידי אנרגיה חדשה מצוידים במערכות חכמות ובמסכי בקרה מרכזיים גדולים במיוחד. מערכות חכמות הפכו לסטנדרט ברכבים, כאשר מסכים גדולים ומרובים, כמו גם מסכים מעוקלים תלת-ממדיים שהופכים בהדרגה למיינסטרים בשוק. לוחות כיסוי מזכוכית למסכים המותקנים ברכב נמצאים בשימוש נרחב בשל תכונותיהם המצוינות, וזכוכית מסך מעוקלת 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 מידה גדולות במהלך חיתוך מסכי 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 כגון יעילות נמוכה, איכות ירודה, שיעור תפוקה נמוך ועלות גבוהה. לאחר חיתוך הגלגלים, עיבוד שבבי CNC של צורת זכוכית כיסוי מרכזית אחת למכונית יכול להימשך עד 8-10 דקות. בעזרת לייזרים מהירים במיוחד של מעל 100W, ניתן לחתוך זכוכית בקוטר 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, המקשה על חיתוך פיצול באמצעות לייזרים, אך ניתן להשתמש בלייזרי פמטו-שנייה לאכלוט על זכוכית קוורץ. זהו יישום של לייזרי פמטו-שנייה לעיבוד מדויק ואכלוט על זכוכית קוורץ. טכנולוגיית לייזר פמטו-שנייה היא טכנולוגיית עיבוד מתקדמת המתפתחת במהירות בשנים האחרונות, עם דיוק ומהירות עיבוד גבוהים במיוחד, המסוגלת לאכלוט ועיבוד ברמת מיקרומטר עד ננומטר על משטחי חומרים שונים. טכנולוגיית קירור הלייזר משתנה בהתאם לדרישות השוק המשתנות. כיצרנית צ'ילרים מנוסה המעדכנת את קווי הייצור של צ'ילרי המים שלה בהתאם למגמות השוק, צ'ילרי הלייזר האולטרה-מהירים מסדרת CWUP של יצרן הצ'ילרים של TEYU יכולים לספק פתרונות קירור יעילים ויציבים עבור לייזרים פיקו-שנייה ופמטו-שנייה בהספק של עד 60W.

ריתוך זכוכית בלייזר הוא טכנולוגיה חדשה שצצה בשנתיים-שלוש האחרונות, והופיעה לראשונה בגרמניה. נכון לעכשיו, רק מספר מצומצם של יחידות בסין, כמו לייזר הואגונג, מכון שיאן לאופטיקה ומכניקה עדינה, וטכנולוגיית ריתוך חרבין היט, פרצו דרך טכנולוגיה זו. תחת פעולתם של לייזרים בעלי עוצמה גבוהה ובעלי פולסים קצרים במיוחד, גלי הלחץ הנוצרים על ידי לייזרים יכולים ליצור סדקים מיקרוסקופיים או ריכוזי מאמץ בזכוכית, מה שיכול לקדם הדבקה בין שתי חתיכות זכוכית. הזכוכית המודבקת לאחר הריתוך יציבה מאוד, וכבר ניתן להשיג ריתוך הדוק בין זכוכית בעובי 3 מ"מ. בעתיד, חוקרים מתמקדים גם בריתוך חפיפה 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.