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ており、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プロセスの 1 つです。 しかし、集中度が高まるにつれて、レーザー製品の均質化が激しくなり、レーザー市場の成長が制限されるようになりました。 したがって、突破口を開くには、レーザーの応用を新しい材料領域に拡大する必要があります。 レーザー用途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、セラミックなどがあります。 各材料は複数の産業に関係していますが、成熟した処理技術がすでに存在しているため、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、材料とのレーザー相互作用が可能かどうか、また有害な反応が起こるかどうかを分析する必要があります。 現在、ガラスは、付加価値が高く、バッチレーザー処理アプリケーションの可能性を秘めた主要分野として注目されています。

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規模な光学フィルターから、自動車や建設などの業界で使用される大規模な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。 ガラスの大きな特徴はその脆さであり、従来の加工方法に大きな課題をもたらします。 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、ガラス表面に亀裂を作成します。 次に、ひび割れ線に沿ってガラスを分離するために機械的な手段が採用されます。 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。 これらは比較的効率が悪く、エッジが不均一になるため二次研磨が必要になることが多く、大量の破片やほこりが発生します。 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。 ここでレーザーカットガラスの利点が明らかになります 2022年、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

ガラスのレーザー切断では、ガラス内に高いピークパワーと密度のレーザービームを生成するために、ベジェ焦点合わせヘッドが使用されることが多いです。 ベジェビームをガラス内部に集中させることで、材料を瞬間的に気化させて気化ゾーンを作り出し、それが急速に拡大して上面と下面にひび割れを形成します。 これらの亀裂は、無数の小さな気孔点で構成される切断部を形成し、外部応力破壊による切断を実現します。

レーザー技術の大きな進歩により、出力レベルも向上しました。 20W を超える出力のナノ秒緑色レーザーはガラスを効果的に切断でき、15W を超える出力のピコ秒紫外線レーザーは厚さ 2mm 未満のガラスを楽々と切断します。 厚さ17mmまでのガラスを切断できる中国企業が存在する。 レーザーガラス切断は高い効率を誇ります。 たとえば、厚さ 3 mm のガラスで直径 10 cm のガラス片を切断する場合、機械式ナイフでは数分かかるところ、レーザー切断ではわずか約 10 秒しかかかりません。 レーザーカットされたエッジは滑らかで、ノッチ精度は最大30μmなので、一般工業製品では二次加工が不要です。

ガラスのレーザー切断は比較的最近の開発であり、約 6 ～ 7 年前に始まりました。 携帯電話製造業界は、カメラのガラスカバーにレーザー切断を採用した初期の導入者の 1 つであり、レーザー不可視切断装置の導入により急増を経験しました。 フルスクリーンスマートフォンの普及により、大画面ガラスパネル全体を精密にレーザーカットすることで、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の加工では、レーザー切断が一般的になっています。 この傾向は主に、携帯電話のカバーガラスのレーザー加工用の自動化装置、カメラ保護レンズのレーザー切断装置、ガラス基板のレーザー穴あけ用のインテリジェント装置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カットが徐々に導入

車載スクリーン、特に中央制御スクリーン、ナビゲーション システム、ドライブレコーダーなどは、大量のガラス パネルを消費します。 現在、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制御画面が搭載されています。 自動車ではインテリジェントシステムが標準となり、大型で複数のスクリーンや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。 車載スクリーン用のガラスカバーパネルは、その優れた特性により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さらに究極の体験を提供することができます。 しかし、ガラスは硬度が高く脆いため、加工が困難です。

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許容誤差は非常に小さくなります。 角型/棒型スクリーンの切断時に大きな寸法誤差が発生すると、組み立てに問題が生じる可能性があります。 従来の加工方法には、ホイールの切断、手作業による破断、CNC 成形、面取りなどの複数のステップが含まれます。 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があります。 ホイールの切断後、単一の車の中央制御カバーガラスの形状の CNC 加工には最大 8 ～ 10 分かかります。 100W を超える超高速レーザーを使用すると、17mm のガラスを 1 回のストロークで切断できます。複数の製造プロセスを統合することで効率が 80% 向上し、1 つのレーザーが 20 台の CNC マシンに相当します。 これにより生産性が大幅に向上し、単位処理コストが削減されます。

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をしているため、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を使用すれば石英ガラスのエッチングが可能です。 石英ガラスの精密加工およびエッチングにフェムト秒レーザーを応用したものです。 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、非常に高い加工精度と速度を備え、様々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応じて変化します。 経験豊富なチラーメーカーとして、 水チラー  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、市場のトレンドに合わせて生産ラインを調整し、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、数社のみがこの技術を突破している。 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枚のガラス間の結合を促進することができる。  溶接後の接合ガラスは非常に強固で、3mm厚のガラス同士でもしっかりとした溶接が可能です。 今後、研究者たちはガラスと他の材料のオーバーレイ溶接にも焦点を当てています。 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、成熟すると、いくつかのハイエンドアプリケーション分野で重要な役割を果たすことは間違いありません。