Stiklo lazerinio apdirbimo dabartinės būklės ir potencialo tyrimas

Per pastarąjį dešimtmetį lazerių gamybos technologijos sparčiai vystėsi, o pagrindinė jų taikymo sritis yra metalų apdirbimas lazeriu. Lazerinis pjovimas, lazerinis suvirinimas ir metalų plakiravimas lazeriu yra vieni svarbiausių metalo lazerinio apdirbimo procesų. Tačiau didėjant koncentracijai, lazerinių gaminių homogenizacija tapo labai didelė, o tai riboja lazerių rinkos augimą. Todėl norint prasiveržti, lazerių taikymas turi išsiplėsti į naujas medžiagų sritis. Nemetalinės medžiagos, tinkamos lazeriniam pritaikymui, yra audiniai, stiklas, plastikas, polimerai, keramika ir kt. Kiekviena medžiaga naudojama daugelyje pramonės šakų, tačiau jau egzistuoja brandūs apdorojimo metodai, todėl lazerių pakeitimas nėra lengva užduotis.

Norint patekti į nemetalinių medžiagų sritį, būtina išanalizuoti, ar lazerio sąveika su medžiaga yra įmanoma ir ar neatsiras nepageidaujamų reakcijų. Šiuo metu stiklas išsiskiria kaip svarbi sritis, turinti didelę pridėtinę vertę ir potencialą partijinio lazerinio apdorojimo taikymams.

Didelė erdvė stiklo lazeriniam pjovimui

Stiklas yra svarbi pramoninė medžiaga, naudojama įvairiose pramonės šakose, tokiose kaip automobilių pramonė, statyba, medicina ir elektronika. Jo pritaikymo galimybės įvairios – nuo ​​mažų optinių filtrų, kurių matmenys mikrometrai, iki didelių stiklo plokščių, naudojamų tokiose pramonės šakose kaip automobilių pramonė ar statyba.

Stiklą galima suskirstyti į optinį stiklą, kvarcinį stiklą, mikrokristalinį stiklą, safyro stiklą ir kt. Svarbi stiklo savybė yra jo trapumas, kuris kelia didelių iššūkių tradiciniams apdirbimo metodams. Tradiciniams stiklo pjovimo metodams paprastai naudojami kietojo lydinio arba deimantiniai įrankiai, o pjovimo procesas yra padalintas į du etapus. Pirma, stiklo paviršiuje sukuriamas įtrūkimas naudojant deimantinį įrankį arba kietojo lydinio šlifavimo diską. Antra, stiklui išilgai įtrūkimo linijos atskirti naudojamos mechaninės priemonės. Tačiau šie tradiciniai procesai turi aiškių trūkumų. Jie yra gana neefektyvūs, todėl kraštai nelygūs, todėl dažnai reikia pakartotinio poliravimo, be to, jie sukuria daug šiukšlių ir dulkių. Be to, atliekant tokias užduotis kaip skylių gręžimas stiklo plokščių viduryje arba netaisyklingų formų pjovimas, tradiciniai metodai yra gana sudėtingi. Čia išryškėja lazerinio stiklo pjovimo privalumai. 2022 m. Kinijos stiklo pramonės pardavimo pajamos siekė maždaug 744,3 mlrd. juanių. Lazerinio pjovimo technologijos skverbties lygis stiklo pramonėje vis dar yra pradinėje stadijoje, o tai rodo didelę erdvę lazerinio pjovimo technologijos, kaip pakaitalo, taikymui.

Stiklo pjovimas lazeriu: nuo mobiliųjų telefonų pradžios

Pjaunant stiklą lazeriu dažnai naudojama Bezjė fokusavimo galvutė, kad stiklo viduje būtų generuojami didelės maksimalios galios ir tankio lazerio spinduliai. Fokusuojant Bezjė spindulį stiklo viduje, jis akimirksniu išgarina medžiagą, sukurdamas garinimo zoną, kuri greitai išsiplečia ir viršutiniame bei apatiniame paviršiuose susidaro įtrūkimai. Šie įtrūkimai suformuoja pjovimo dalį, sudarytą iš daugybės mažyčių porų taškų, todėl pjaunama per išorinius įtempimo įtrūkimus.

Tobulėjant lazerių technologijoms, padidėjo ir galios lygiai. Nanosekundinis žalias lazeris, kurio galia didesnė nei 20 W, gali efektyviai pjauti stiklą, o pikosekundinis ultravioletinis lazeris, kurio galia didesnė nei 15 W, be vargo pjausto stiklą, kurio storis mažesnis nei 2 mm. Yra Kinijos įmonių, kurios gali pjauti iki 17 mm storio stiklą. Stiklo pjovimas lazeriu pasižymi dideliu efektyvumu. Pavyzdžiui, 10 cm skersmens stiklo gabalo pjovimas ant 3 mm storio stiklo lazeriu trunka tik apie 10 sekundžių, palyginti su keliomis minutėmis pjaunant mechaniniais peiliais. Lazeriu pjauti kraštai yra lygūs, o įpjovos tikslumas siekia iki 30 μm, todėl įprastiems pramoniniams gaminiams nereikia antrinio apdirbimo.

Stiklo pjovimas lazeriu yra gana naujas reiškinys, pradėtas maždaug prieš šešerius–septynerius metus. Mobiliųjų telefonų gamybos pramonė buvo viena iš pirmųjų, pradėjusi lazeriu pjauti fotoaparatų stiklo dangčius ir išgyveno didelį šuolį, kai buvo pristatytas lazerinis nematomumo pjovimo įrenginys. Išpopuliarėjus viso ekrano išmaniesiems telefonams, tikslus viso didelio ekrano stiklo plokščių pjovimas lazeriu žymiai padidino stiklo apdorojimo pajėgumus. Lazerinis pjovimas tapo įprastu reiškiniu, kai kalbama apie mobiliųjų telefonų stiklo komponentų apdirbimą. Šią tendenciją pirmiausia skatino automatizuota mobiliųjų telefonų dangtelių stiklo lazerinio apdirbimo įranga, lazerinio pjovimo įrenginiai fotoaparatų apsauginiams lęšiams ir išmanioji įranga stiklo pagrindams lazeriniam gręžimui.

Automobilyje montuojamas elektroninis ekrano stiklas palaipsniui pjaustomas lazeriu

Automobiliuose montuojamuose ekranuose sunaudojama daug stiklo plokščių, ypač centriniuose valdymo ekranuose, navigacijos sistemose, vaizdo registratoriuose ir kt. Šiais laikais daugelyje naujų energijos transporto priemonių įrengtos išmaniosios sistemos ir dideli centrinio valdymo ekranai. Išmaniosios sistemos tapo standartu automobiliuose, o dideli ir daugiafunkciniai ekranai, taip pat 3D lenkti ekranai pamažu tampa pagrindine rinkos dalimi. Stiklinės dangos plokštės, skirtos automobiliams montuojamiems ekranams, yra plačiai naudojamos dėl puikių savybių, o aukštos kokybės lenktas ekrano stiklas gali suteikti išskirtinesnę patirtį automobilių pramonei. Tačiau didelis stiklo kietumas ir trapumas kelia iššūkių apdorojimui.

Automobiliuose montuojamiems stikliniams ekranams reikalingas didelis tikslumas, o surinktų konstrukcinių komponentų tolerancijos yra labai mažos. Didelės matmenų paklaidos pjaunant kvadratinius/strypo formos ekranus gali sukelti surinkimo problemų. Tradiciniai apdorojimo metodai apima kelis etapus, tokius kaip ratų pjovimas, rankinis laužymas, CNC formavimas ir nuožulnų formavimas. Kadangi tai yra mechaninis apdirbimas, jis kenčia nuo tokių problemų kaip mažas efektyvumas, prasta kokybė, mažas našumas ir didelės sąnaudos. Po ratų pjovimo vieno automobilio centrinio valdymo dangtelio stiklo formos CNC apdirbimas gali užtrukti iki 8–10 minučių. Naudojant itin greitus lazerius, kurių galia didesnė nei 100 W, 17 mm stiklą galima pjauti vienu judesiu; integruojant kelis gamybos procesus, efektyvumas padidėja 80 %, kai 1 lazeris prilygsta 20 CNC staklių. Tai labai pagerina našumą ir sumažina vieneto apdorojimo sąnaudas.

Kiti lazerių pritaikymai stikle

Kvarcinis stiklas turi unikalią struktūrą, todėl jį sunku pjauti lazeriais, tačiau femtosekundiniai lazeriai gali būti naudojami kvarcinio stiklo ėsdinimui. Tai femtosekundinių lazerių pritaikymas tiksliam kvarcinio stiklo apdirbimui ir ėsdinimui. Femtosekundinių lazerių technologija yra pastaraisiais metais sparčiai besivystanti pažangi apdorojimo technologija, pasižyminti itin dideliu apdorojimo tikslumu ir greičiu, leidžiančia ėsdinti ir apdoroti įvairių medžiagų paviršius mikrometrų ir nanometrų lygmenyje. Lazerinio aušinimo technologija kinta priklausomai nuo kintančių rinkos poreikių. Būdami patyrusiu aušintuvų gamintoju, kuris atnaujina savo vandens aušintuvų gamybos linijas atsižvelgdamas į rinkos tendencijas, „TEYU Chiller Manufacturer“ CWUP serijos itin greiti lazeriniai aušintuvai gali pasiūlyti efektyvius ir stabilius aušinimo sprendimus pikosekundiniams ir femtosekundiniams lazeriams, kurių galia iki 60 W.

Lazerinis stiklo suvirinimas yra nauja technologija, atsiradusi per pastaruosius dvejus trejus metus, iš pradžių Vokietijoje. Šiuo metu Kinijoje šią technologiją ištobulino tik keli padaliniai, tokie kaip „Huagong Laser“, Siano optikos ir smulkiosios mechanikos institutas ir Harbinas „Hit Weld Technology“. Veikiant didelės galios, itin trumpų impulsų lazeriams, lazerių generuojamos slėgio bangos gali sukurti mikroįtrūkimus arba įtempių koncentracijas stikle, o tai gali paskatinti dviejų stiklo gabalų sukibimą. Suvirintas stiklas yra labai tvirtas, ir jau dabar galima pasiekti glaudų suvirinimą tarp 3 mm storio stiklo. Ateityje tyrėjai taip pat daugiausia dėmesio skirs stiklo suvirinimui su kitomis medžiagomis. Šiuo metu šie nauji procesai dar nėra plačiai taikomi partijomis, tačiau, kai bus subrendę, jie neabejotinai atliks svarbų vaidmenį kai kuriose aukštos klasės taikymo srityse.