Stikla lāzerapstrādes pašreizējā stāvokļa un potenciāla izpēte

Lāzera ražošanas tehnoloģija pēdējās desmitgades laikā ir strauji attīstījusies, un tās galvenais pielietojums ir metāla materiālu lāzerapstrāde. Lāzergriešana, lāzermetināšana un metālu lāzerapstrāde ir vieni no svarīgākajiem metālu lāzerapstrādes procesiem. Tomēr, palielinoties koncentrācijai, lāzera izstrādājumu homogenizācija ir kļuvusi nopietna, ierobežojot lāzera tirgus izaugsmi. Tāpēc, lai gūtu panākumus, lāzera pielietojumam ir jāpaplašinās jaunās materiālu jomās. Lāzera pielietošanai piemēroti nemetāliski materiāli ir audumi, stikls, plastmasa, polimēri, keramika un citi. Katrs materiāls ietver vairākas nozares, taču jau pastāv nobriedušas apstrādes metodes, tāpēc lāzera aizstāšana nav viegls uzdevums.

Lai iekļūtu nemetālisku materiālu laukā, ir jāanalizē, vai lāzera mijiedarbība ar materiālu ir iespējama un vai radīsies nevēlamas reakcijas. Pašlaik stikls izceļas kā nozīmīga joma ar augstu pievienoto vērtību un potenciālu sērijveida lāzerapstrādes lietojumprogrammām.

Liela telpa stikla lāzergriešanai

Stikls ir svarīgs rūpnieciskais materiāls, ko izmanto dažādās nozarēs, piemēram, automobiļos, būvniecībā, medicīnā un elektronikā. Tās pielietojums ir plašs, sākot no maziem optiskajiem filtriem, kuru mērīšana ir mikrometri, līdz liela mēroga stikla paneļiem, ko izmanto tādās nozarēs kā autobūve vai būvniecība.

Stiklu var iedalīt optiskajā stiklā, kvarca stiklā, mikrokristāliskā stiklā, safīra stiklā un citur. Stikla būtiska īpašība ir tā trauslums, kas rada ievērojamas grūtības tradicionālajām apstrādes metodēm. Tradicionālās stikla griešanas metodes parasti izmanto cieto sakausējumu vai dimanta instrumentus, un griešanas process ir sadalīts divos posmos. Vispirms stikla virsmā tiek izveidota plaisa, izmantojot dimanta uzgaļa instrumentu vai cieto sakausējumu slīpripu. Otrkārt, stikla atdalīšanai pa plaisas līniju tiek izmantoti mehāniski līdzekļi. Tomēr šiem tradicionālajiem procesiem ir acīmredzami trūkumi. Tie ir relatīvi neefektīvi, kā rezultātā rodas nelīdzenas malas, kurām bieži nepieciešama atkārtota pulēšana, un tie rada daudz gružu un putekļu. Turklāt tādiem uzdevumiem kā caurumu urbšana stikla paneļu vidū vai neregulāru formu griešana, tradicionālās metodes ir diezgan sarežģītas. Šeit kļūst acīmredzamas stikla lāzergriešanas priekšrocības 2022. gadā Ķīnas stikla rūpniecības pārdošanas ieņēmumi bija aptuveni 744,3 miljardi juaņu. Lāzergriešanas tehnoloģijas izplatības līmenis stikla rūpniecībā joprojām ir sākumstadijā, kas norāda uz ievērojamu telpu lāzergriešanas tehnoloģijas pielietošanai kā aizstājējam.

Stikla lāzergriešana: no mobilajiem tālruņiem uz priekšu

Stikla lāzergriešanai bieži tiek izmantota Bezjē fokusēšanas galviņa, lai stiklā ģenerētu augstas maksimālās jaudas un blīvuma lāzera starus. Fokusējot Bezjē staru stikla iekšpusē, tas acumirklī iztvaicē materiālu, radot iztvaikošanas zonu, kas strauji izplešas, veidojot plaisas augšējā un apakšējā virsmā. Šīs plaisas veido griešanas sadaļu, kas sastāv no neskaitāmiem sīkiem poru punktiem, panākot griešanu caur ārējiem sprieguma plaisām.

Līdz ar ievērojamu lāzertehnoloģiju attīstību ir palielinājusies arī jaudas pakāpe. Nanosekundes zaļais lāzers ar jaudu virs 20 W var efektīvi griezt stiklu, savukārt pikosekunžu ultravioletais lāzers ar jaudu virs 15 W bez piepūles griež stiklu, kas ir mazāks par 2 mm biezu. Ķīnā ir uzņēmumi, kas var griezt stiklu līdz 17 mm biezumā. Lāzergriešanas stikls lepojas ar augstu efektivitāti. Piemēram, 10 cm diametra stikla gabala griešana uz 3 mm bieza stikla ar lāzergriešanu aizņem tikai aptuveni 10 sekundes, salīdzinot ar vairākām minūtēm, izmantojot mehāniskos nažus. Lāzergrieztās malas ir gludas, ar iegriezuma precizitāti līdz 30 μm, tādējādi novēršot nepieciešamību pēc sekundāras apstrādes vispārējiem rūpnieciskiem izstrādājumiem.

Lāzergriešana ar stiklu ir samērā nesena attīstība, kas aizsākās apmēram pirms sešiem līdz septiņiem gadiem. Mobilo tālruņu ražošanas nozare bija viena no pirmajām, kas sāka izmantot lāzergriešanu kameru stikla pārsegiem un piedzīvoja strauju pieaugumu, ieviešot lāzergriešanas ierīci neredzamības nodrošināšanai. Līdz ar pilnekrāna viedtālruņu popularitāti, precīza visu liela ekrāna stikla paneļu lāzergriešana ir ievērojami palielinājusi stikla apstrādes jaudu. Lāzergriešana ir kļuvusi par izplatītu paņēmienu mobilo tālruņu stikla detaļu apstrādē. Šo tendenci galvenokārt ir veicinājušas automatizētas iekārtas mobilo tālruņu vāciņu stikla lāzerapstrādei, lāzergriešanas ierīces kameru aizsarglēcām un viedās iekārtas stikla substrātu lāzerurbšanai.

Automašīnā montējams elektroniskais ekrāna stikls pakāpeniski pieņem lāzergriešanu

Automašīnās uzstādītie ekrāni patērē daudz stikla paneļu, īpaši centrālajiem vadības ekrāniem, navigācijas sistēmām, videoreģistratoriem utt. Mūsdienās daudzi jauni enerģijas transportlīdzekļi ir aprīkoti ar intelektiskām sistēmām un lielizmēra centrālajiem vadības ekrāniem. Inteliģentās sistēmas ir kļuvušas par standartu automašīnās, un lieli un vairāki ekrāni, kā arī 3D izliekti ekrāni pakāpeniski kļūst par tirgus pamatstratēģiju. Automašīnās montējamu ekrānu stikla pārseguma paneļi tiek plaši izmantoti to izcilo īpašību dēļ, un augstas kvalitātes izliekts ekrāna stikls var nodrošināt vēl labāku pieredzi autobūves nozarē. Tomēr stikla augstā cietība un trauslums rada izaicinājumu apstrādei.

Automašīnām montējamiem stikla ekrāniem ir nepieciešama augsta precizitāte, un salikto konstrukcijas elementu pielaides ir ļoti mazas. Lielas izmēru kļūdas kvadrātveida/stieņu sietu griešanas laikā var radīt montāžas problēmas. Tradicionālās apstrādes metodes ietver vairākus soļus, piemēram, riteņu griešanu, manuālu laušanu, CNC formēšanu un fāzēšanu. Tā kā tā ir mehāniska apstrāde, tai ir tādas problēmas kā zema efektivitāte, slikta kvalitāte, zems ražas līmenis un augstas izmaksas. Pēc riteņu griešanas viena automašīnas centrālā vadības paneļa stikla formas CNC apstrāde var aizņemt līdz 8–10 minūtēm. Ar īpaši ātriem lāzeriem, kuru jauda pārsniedz 100 W, 17 mm stiklu var griezt vienā piegājienā; vairāku ražošanas procesu integrēšana palielina efektivitāti par 80 %, kur 1 lāzers ir līdzvērtīgs 20 CNC iekārtām. Tas ievērojami palielina produktivitāti un samazina vienības apstrādes izmaksas.

Citi lāzeru pielietojumi stiklā

Kvarca stiklam ir unikāla struktūra, kuras dēļ to ir grūti griezt ar lāzeriem, bet femtosekundes lāzerus var izmantot kodināšanai uz kvarca stikla. Šis ir femtosekundes lāzeru pielietojums precīzai apstrādei un kodināšanai uz kvarca stikla. Femtosekundes lāzertehnoloģija ir strauji attīstoša, progresīva apstrādes tehnoloģija pēdējos gados ar ārkārtīgi augstu apstrādes precizitāti un ātrumu, kas spēj veikt mikrometru līdz nanometru līmeņa kodināšanu un apstrādi uz dažādām materiālu virsmām.  Lāzera dzesēšanas tehnoloģija mainās atkarībā no mainīgajām tirgus prasībām. Kā pieredzējis dzesētāju ražotājs, kas atjaunina mūsu ūdens dzesētājs  Atbilstoši tirgus tendencēm, TEYU dzesētāju ražotāja CWUP sērijas īpaši ātrie lāzerdzesētāji var nodrošināt efektīvus un stabilus dzesēšanas risinājumus pikosekunžu un femtosekundžu lāzeriem ar jaudu līdz 60 W.

Stikla lāzermetināšana ir jauna tehnoloģija, kas parādījusies pēdējo divu līdz trīs gadu laikā, sākotnēji Vācijā. Pašlaik tikai dažas vienības Ķīnā, piemēram, Huagong Laser, Xi'an Optikas un smalkmehānikas institūts un Harbin Hit Weld Technology, ir izlauzušās cauri šai tehnoloģijai. Lieljaudas, īpaši īsu impulsu lāzeru iedarbībā lāzeru radītie spiediena viļņi var radīt mikroplaisas vai sprieguma koncentrācijas stiklā, kas var veicināt divu stikla gabalu saķeri.  Pēc metināšanas salīmētais stikls ir ļoti stingrs, un jau tagad ir iespējams panākt ciešu metināšanu starp 3 mm biezu stiklu. Nākotnē pētnieki pievērsīsies arī stikla pārklājuma metināšanai ar citiem materiāliem. Pašlaik šie jaunie procesi vēl nav plaši pielietoti partijās, taču, tiklīdz tie būs nobrieduši, tiem neapšaubāmi būs svarīga loma dažās augstas klases lietojumprogrammu jomās.