Stiklo lazerinio apdirbimo dabartinės būklės ir potencialo tyrimas

Lazerinės gamybos technologija per pastarąjį dešimtmetį sparčiai vystėsi, o pagrindinė jos taikymo sritis yra metalinių medžiagų lazerinis apdirbimas. Lazerinis pjovimas, lazerinis suvirinimas ir lazerinė metalų plakiravimas yra vieni svarbiausių metalo lazerinio apdirbimo procesų. Tačiau didėjant koncentracijai, lazerinių gaminių homogenizacija tapo labai didelė, o tai riboja lazerių rinkos augimą. Todėl norint prasimušti, lazerių taikymas turi išsiplėsti į naujas medžiagų sritis. Nemetalinės medžiagos, tinkamos lazeriniam naudojimui, yra audiniai, stiklas, plastikas, polimerai, keramika ir kt. Kiekviena medžiaga apdorojama keliose pramonės šakose, tačiau jau egzistuoja brandūs apdorojimo būdai, todėl lazerio pakeitimas nėra lengva užduotis.

Norint patekti į nemetalinių medžiagų lauką, būtina išanalizuoti, ar lazerio sąveika su medžiaga yra įmanoma ir ar atsiras nepageidaujamų reakcijų. Šiuo metu stiklas išsiskiria kaip svarbi sritis, turinti didelę pridėtinę vertę ir potencialą paketinio 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 sritys – 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. Svarbiausia stiklo savybė yra jo trapumas, kuris kelia didelių iššūkių tradiciniams apdorojimo metodams. Tradiciniuose stiklo pjovimo metoduose paprastai naudojami kietojo lydinio arba deimantiniai įrankiai, o pjovimo procesas yra padalintas į du etapus. Pirmiausia, stiklo paviršiuje deimantiniu įrankiu arba kietojo lydinio šlifavimo disku sukuriamas įtrūkimas. 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 antrinio poliravimo, be to, jie sukuria daug šiukšlių ir dulkių. Be to, tradiciniai metodai yra gana sudėtingi tokioms užduotims kaip skylių gręžimas stiklo plokščių viduryje arba netaisyklingų formų pjovimas. Štai čia ir išryškėja lazerinio stiklo pjovimo privalumai 2022 m. Kinijos stiklo pramonės pardavimo pajamos siekė maždaug 744,3 mlrd. juanių. Lazerinio pjovimo technologijos skverbties tempas 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 galios ir tankio lazerio spinduliai. Fokusuojant Bezjė spindulį stiklo viduje, jis akimirksniu išgarina medžiagą, sukurdamas garinimo zoną, kuri greitai plečiasi ir sudaro įtrūkimus viršutiniame ir apatiniame paviršiuose. Šie įtrūkimai sudaro pjovimo dalį, sudarytą iš daugybės mažyčių porų taškų, todėl pjaunama per išorinius įtempimo įtrūkimus.

Tobulėjant lazerių technologijoms, padidėjo ir jų galia. 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 pjauna stiklą, kurio storis mažesnis nei 2 mm. Yra Kinijos įmonių, kurios gali pjaustyti iki 17 mm storio stiklą. Lazerinis stiklo pjovimas 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 pjaustant 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 stiklus ir išgyvenusi didžiulį populiarumą, kai buvo pristatytas lazerinio pjovimo nematomumo užtikrinimo įrenginys. Išpopuliarėjus viso ekrano išmaniesiems telefonams, tikslus viso ekrano stiklo plokščių pjovimas lazeriu gerokai padidino stiklo apdorojimo pajėgumus. Lazerinis pjovimas tapo įprastu dalyku, kai kalbama apie mobiliųjų telefonų stiklo komponentų apdirbimą. Šią tendenciją daugiausia lėmė 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 montuojami ekranai sunaudoja daug stiklo plokščių, ypač centrinio valdymo ekranai, navigacijos sistemos, vaizdo registratoriai ir kt. Šiais laikais daugelyje naujų energiją varomų transporto priemonių įrengtos išmaniosios sistemos ir dideli centriniai valdymo ekranai. Išmaniosios sistemos tapo standartu automobiliuose, o dideli ir keli ekranai, taip pat 3D lenkti ekranai pamažu tampa pagrindine rinkos dalimi. Stikliniai automobilių ekranų dangteliai yra plačiai naudojami 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 sietus gali sukelti surinkimo problemų. Tradiciniai apdorojimo metodai apima kelis etapus, tokius kaip ratų pjovimas, rankinis laužymas, CNC formavimas ir nuožulnų šlifavimas. Kadangi tai mechaninis apdorojimas, jis kenčia nuo tokių problemų kaip mažas efektyvumas, prasta kokybė, mažas derlius ir didelės išlaidos. Po ratlankio pjovimo, vieno automobilio centrinio valdymo dangtelio stiklo formos CNC apdirbimas gali užtrukti iki 8–10 minučių. Itin greitais, daugiau nei 100 W galios lazeriais 17 mm storio stiklą galima pjauti vienu brūkštelėjimu; kelių gamybos procesų integravimas padidina efektyvumą 80 %, kai 1 lazeris prilygsta 20 CNC staklių. Tai žymiai padidina 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 taikymas tiksliam kvarcinio stiklo apdirbimui ir ėsdinimui. Femtosekundinio lazerio technologija – tai pastaraisiais metais sparčiai besivystanti pažangi apdorojimo technologija, pasižyminti itin dideliu apdorojimo tikslumu ir greičiu, galinčia ėsdinti ir apdoroti įvairius medžiagų paviršius mikrometrų ir nanometrų lygmenyje.  Lazerinio aušinimo technologija kinta priklausomai nuo kintančių rinkos poreikių. Kaip patyręs šaldymo įrenginių gamintojas, kuris atnaujina savo vandens aušintuvas  Atsižvelgiant į rinkos tendencijas, „TEYU“ aušintuvų gamintojo CWUP serijos itin greiti lazeriniai aušintuvai gali užtikrinti efektyvius ir stabilius pikosekundinių ir femtosekundinių lazerių, kurių galia iki 60 W, aušinimo sprendimus.

Stiklo suvirinimas lazeriu yra nauja technologija, atsiradusi per pastaruosius dvejus trejus metus, iš pradžių Vokietijoje. Šiuo metu Kinijoje šią technologiją yra ištobulinę tik keli padaliniai, pavyzdžiui, „Huagong Laser“, Siano optikos ir smulkiosios mechanikos institutas ir „Harbin Hit Weld Technology“. Veikiant didelio galingumo, itin trumpų impulsų lazeriams, lazerių generuojamos slėgio bangos gali sukelti stikle mikroįtrūkimus arba įtempių koncentracijas, kurios gali skatinti 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 nebuvo plačiai taikomi partijomis, tačiau subrendę jie neabejotinai atliks svarbų vaidmenį kai kuriose aukščiausios klasės taikymo srityse.