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年間で急速な発展を遂げ、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ける最も重要なプロセスの一つです。しかし、集中化が進むにつれて、レーザー製品の均質化が深刻化し、レーザー市場の成長が制限されています。そのため、この状況を打破するには、レーザーの用途を新たな材料領域に拡大する必要があります。レーザーの適用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に関わっていますが、成熟した加工技術が既に存在しているため、レーザーの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、レーザーと材料の相互作用が可能かどうか、また有害反応が発生しないかどうかを分析する必要があります。現在、ガラスは高い付加価値とバッチレーザー加工への応用可能性を秘めた主要分野として際立っています。

ガラスレーザー切断のための広いスペース

ガラスは、自動車、建設、医療、電子機器など、様々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されます。ガラスの大きな特性は脆さであり、従来の加工方法では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工具が使用され、切断工程は2段階に分かれています。まず、ダイヤモンドチップ工具または硬質合金砥石を用いてガラス表面に亀裂を入れます。次に、機械的な手段を用いて亀裂に沿ってガラスを分割します。しかし、これらの従来の工程には明らかな欠点があります。効率が悪く、エッジが不均一になり、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は、従来の方法では非常に困難です。そこで、レーザーガラス切断の利点が顕著になります。2022年の中国のガラス産業の売上高は約7,443億元でした。ガラス業界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、代替手段としてのレーザー切断技術の応用に大きな余地があることを示しています。

ガラスレーザー切断：携帯電話から未来へ

ガラスレーザー切断では、ガラス内部に高ピーク出力・高密度のレーザービームを生成するために、ベジェ集光ヘッドが用いられることが多い。ベジェビームをガラス内部に集光することで、材料は瞬時に蒸発し、蒸発領域が形成される。蒸発領域は急速に拡大し、上下面に亀裂を形成する。これらの亀裂は、無数の微細な気孔点からなる切断面を形成し、外部応力による亀裂を切断する。

レーザー技術の飛躍的な進歩に伴い、出力レベルも向上しています。20Wを超えるナノ秒緑色レーザーはガラスを効果的に切断でき、15Wを超えるピコ秒紫外線レーザーは厚さ2mm以下のガラスを楽々と切断します。中国には、最大17mmの厚さのガラスを切断できる企業も存在します。レーザーによるガラス切断は高い効率を誇ります。例えば、直径10cmのガラス片を厚さ3mmのガラスに切断する場合、機械式カッターでは数分かかるところ、レーザー切断ではわずか10秒程度で切断できます。レーザー切断面は滑らかで、ノッチ精度は最大30μmと、一般的な工業製品における二次加工の手間が省けます。

ガラスのレーザー切断は比較的最近の発展で、6～7年前に始まりました。携帯電話製造業界は、いち早く導入した企業の一つで、カメラのガラスカバーにレーザー切断を採用し、レーザー不可視切断装置の導入により、市場は急速に成長しました。フルスクリーンスマートフォンの普及に伴い、大画面ガラスパネル全体を精密にレーザー切断できるようになり、ガラス加工能力が大幅に向上しました。携帯電話のガラス部品加工において、レーザー切断は一般的になっています。このトレンドを牽引したのは、携帯電話のカバーガラスをレーザー加工する自動化装置、カメラ保護レンズをレーザー切断する装置、ガラス基板をレーザーで穴あけするインテリジェント装置です。

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導入

車載スクリーンは、特に中央操作スクリーン、ナビゲーションシステム、ドライブレコーダーなどに多くのガラスパネルを消費します。近年、多くの新エネルギー車にはインテリジェントシステムと大型の中央操作スクリーンが搭載されています。自動車においてインテリジェントシステムは標準となり、大型・多面的なスクリーンや3D曲面スクリーンが徐々に市場の主流になりつつあります。車載スクリーン用ガラスカバーパネルは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します。しかしながら、ガラスは高硬度で脆いため、加工が困難です。

車載ガラススクリーンは高精度が求められ、組み立てられた構造部品の公差は非常に小さい。角型/棒型スクリーンの切断中に寸法誤差が大きいと、組み立てに問題が生じる可能性がある。従来の加工方法は、ホイールカット、手作業による破断、CNC成形、面取りなど、複数のステップを踏む。機械加工であるため、効率が低い、品質が悪い、歩留まりが低い、コストが高いなどの問題を抱えている。ホイールカット後、1枚の車載中央制御カバーガラス形状のCNC加工には、最大8～10分かかることがある。100Wを超える超高速レーザーを使用すれば、17mmのガラスを一撃で切断できる。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台はCNCマシン20台に相当し、生産性が大幅に向上する。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用途

石英ガラスは特殊な構造のため、レーザーで分割切断することは困難ですが、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とエッチングへのフェムト秒レーザーの応用です。フェムト秒レーザー技術は、近年急速に発展している高度な加工技術であり、加工精度と速度が極めて高く、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と加工が可能です。レーザー冷却技術は、変化する市場の需要に合わせて変化します。市場のトレンドに合わせて水チラーの生産ラインを更新する経験豊富なチラーメーカーとして、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、最初はドイツで登場しました。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突破しました。高出力超短パルスレーザーの作用下で、レーザーによって生成された圧力波がガラスに微小亀裂や応力集中を引き起こし、2枚のガラス間の接合を促進します。溶接後の接合ガラスは非常に強固で、すでに3mm厚のガラス間の密着溶接が可能です。将来的には、ガラスと他の材料のオーバーレイ溶接にも研究者が注力しています。現在、これらの新しいプロセスはまだバッチで広く適用されていませんが、成熟すれば、いくつかのハイエンド応用分野で重要な役割を果たすことは間違いありません。