ガラスレーザー加工の現状と可能性を探る

レーザー製造技術は過去10年間で急速に発展し、その主な用途は金属材料のレーザー加工です。金属のレーザー切断、レーザー溶接、レーザークラッディングは、金属レーザー加工において最も重要な工程です。しかし、市場の集中化が進むにつれ、レーザー製品の均質化が深刻化し、レーザー市場の成長を阻害しています。そのため、この状況を打破するには、レーザーの応用分野を新たな材料領域へと拡大する必要があります。レーザー加工に適した非金属材料には、布地、ガラス、プラスチック、ポリマー、セラミックスなどがあります。それぞれの材料は複数の産業分野に関わっていますが、既に成熟した加工技術が存在するため、レーザーによる代替は容易ではありません。

非金属材料分野に参入するには、レーザーと材料との相互作用が可能かどうか、また有害な反応が発生しないかどうかを分析する必要がある。現在、ガラスは付加価値が高く、バッチ式レーザー加工用途の可能性を秘めた主要分野として注目されている。

ガラスレーザー切断用の広いスペース

ガラスは、自動車、建設、医療、電子機器など、さまざまな産業で使用される重要な工業材料です。その用途は、マイクロメートル単位の小型光学フィルターから、自動車や建設などの産業で使用される大型ガラスパネルまで多岐にわたります。

ガラスは、光学ガラス、石英ガラス、微結晶ガラス、サファイアガラスなどに分類できます。ガラスの重要な特徴は脆さであり、これが従来の加工方法にとって大きな課題となっています。従来のガラス切断方法では、通常、硬質合金またはダイヤモンドの工具が使用され、切断プロセスは2つのステップに分かれています。まず、ダイヤモンドチップの工具または硬質合金の研削ホイールを使用してガラスの表面に亀裂を作成します。次に、機械的な手段を使用して、亀裂線に沿ってガラスを分離します。しかし、これらの従来のプロセスには明らかな欠点があります。効率が比較的悪く、不均一なエッジが発生し、二次研磨が必要になることが多く、大量の破片や粉塵が発生します。さらに、ガラスパネルの中央に穴を開けたり、不規則な形状を切断したりする作業では、従来の方法は非常に困難です。ここで、ガラスのレーザー切断の利点が明らかになります。2022年の中国のガラス産業の売上高は約7443億元でした。ガラス産業におけるレーザー切断技術の普及率はまだ初期段階にあり、代替技術としてのレーザー切断技術の応用には大きな余地があることを示している。

ガラスレーザー切断：携帯電話から未来へ

ガラスのレーザー切断では、ガラス内部に高出力・高密度のレーザービームを生成するために、ベジェ集束ヘッドがよく用いられます。ベジェビームをガラス内部に集束させることで、材料は瞬時に蒸発し、蒸発ゾーンが形成されます。この蒸発ゾーンは急速に拡大し、ガラスの上下面に亀裂を形成します。これらの亀裂は、無数の微細な孔点からなる切断部を形成し、外部応力による亀裂を通して切断を実現します。

レーザー技術の著しい進歩に伴い、出力レベルも向上しました。20Wを超える出力のナノ秒グリーンレーザーはガラスを効果的に切断でき、15Wを超える出力のピコ秒紫外線レーザーは厚さ2mm以下のガラスを容易に切断できます。厚さ17mmまでのガラスを切断できる中国企業も存在します。ガラスのレーザー切断は高い効率性を誇ります。例えば、厚さ3mmのガラスの直径10cmの切断は、機械式ナイフでは数分かかるのに対し、レーザー切断ではわずか10秒程度で済みます。レーザー切断されたエッジは滑らかで、ノッチ精度は最大30μmにも達するため、一般的な工業製品では二次加工が不要になります。

ガラスのレーザー切断は比較的新しい技術で、6～7年ほど前に始まりました。携帯電話製造業界は、カメラガラスカバーにレーザー切断を採用するなど、いち早くこの技術を取り入れた業界の一つであり、レーザーによる透明切断装置の登場によってその利用が急増しました。フルスクリーンスマートフォンの普及に伴い、大型スクリーンガラスパネル全体の精密なレーザー切断が可能になったことで、ガラス加工能力は飛躍的に向上しました。現在では、携帯電話のガラス部品加工においてレーザー切断は広く普及しています。この傾向は主に、携帯電話カバーガラスのレーザー加工用自動化装置、カメラ保護レンズ用レーザー切断装置、ガラス基板のレーザー穴あけ用インテリジェント装置といった機器の登場によって推進されています。

車載電子スクリーンガラスにレーザー切断技術が徐々に採用されつつある

車載スクリーンは、特に中央制御スクリーン、ナビゲーションシステム、ダッシュカムなどで、大量のガラスパネルを消費します。今日では、多くの新エネルギー車にインテリジェントシステムと大型の中央制御スクリーンが搭載されています。インテリジェントシステムは自動車の標準となり、大型で複数のスクリーン、そして徐々に市場の主流になりつつあります。車載スクリーン用のガラスカバーパネルは、その優れた特性から広く使用されており、高品質の曲面スクリーンガラスは自動車業界に究極の体験を提供できます。しかし、ガラスの高い硬度と脆さは、加工上の課題となっています。

車載ガラススクリーンには高い精度が求められ、組み立てられた構造部品の公差は非常に小さい。正方形/棒状スクリーンの切断時に大きな寸法誤差が生じると、組み立て上の問題につながる可能性がある。従来の加工方法では、ホイール切断、手動破断、CNC成形、面取りなど、複数の工程が必要となる。機械加工であるため、効率が低い、品質が低い、歩留まりが低い、コストが高いといった問題がある。ホイール切断後、車載センターコントロールカバーガラス1枚のCNC加工には最大8～10分かかる。100Wを超える超高速レーザーを使用すれば、17mm厚のガラスを1回のストロークで切断できる。複数の生産工程を統合することで効率が80%向上し、レーザー1台がCNCマシン20台に相当する。これにより生産性が大幅に向上し、単位加工コストが削減される。

ガラスにおけるレーザーのその他の応用例

石英ガラスは独特の構造を持つため、レーザーによる分割切断は困難ですが、フェムト秒レーザーは石英ガラスのエッチングに使用できます。これは、石英ガラスの精密加工およびエッチングにおけるフェムト秒レーザーの応用例です。フェムト秒レーザー技術は、近年急速に発展している先進的な加工技術であり、非常に高い加工精度と速度を持ち、さまざまな材料表面でマイクロメートルからナノメートルレベルのエッチングおよび加工が可能です。レーザー冷却技術は、変化する市場ニーズに応じて変化します。当社は、常に最新の技術を駆使する経験豊富なチラーメーカーです。水冷チラー市場のトレンドに沿った生産ラインにより、TEYU チラーメーカーの CWUP シリーズ超高速レーザーチラーは、最大 60W のピコ秒およびフェムト秒レーザーに効率的で安定した冷却ソリューションを提供できます。

ガラスのレーザー溶接は、ここ2～3年で登場した新しい技術で、当初はドイツで開発されました。現在、中国では華工レーザー、西安光学精密機械研究所、ハルビンヒットウェルドテクノロジーなど、ごく少数の企業がこの技術を実用化しています。高出力の超短パルスレーザーの作用により、レーザーによって発生する圧力波がガラス内部に微細な亀裂や応力集中を引き起こし、2枚のガラスの接合を促進します。溶接後の接合されたガラスは非常に強固で、すでに厚さ3mmのガラス同士の密着溶接が可能となっています。今後、研究者たちはガラスと他の材料との重ね溶接にも注力していく予定です。現在、これらの新しいプロセスはまだ大量生産には至っていませんが、成熟すれば、間違いなく一部のハイエンド分野で重要な役割を果たすでしょう。