Stikla lāzerapstrādes pašreizējā stāvokļa un potenciāla izpēte

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

Lai iekļūtu nemetālisko materiālu jomā, 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 pielietojumiem.

Liela telpa stikla lāzergriešanai

Stikls ir svarīgs rūpnieciskais materiāls, ko izmanto dažādās nozarēs, piemēram, autobūves, būvniecības, medicīnas un elektronikas nozarē. Tā pielietojums ir plašs, sākot no maziem optiskajiem filtriem, kuru mērīšana ir mikrometri, līdz lieliem stikla paneļiem, ko izmanto tādās nozarēs kā autobūves vai būvniecības nozares.

Stiklu var iedalīt optiskajā stiklā, kvarca stiklā, mikrokristāliskā stiklā, safīra stiklā un citos. Stikla būtiska īpašība ir tā trauslums, kas rada ievērojamas grūtības tradicionālajām apstrādes metodēm. Tradicionālajās stikla griešanas metodēs parasti tiek izmantoti cieto sakausējumu vai dimanta instrumenti, un griešanas process ir sadalīts divos posmos. Pirmkārt, stikla virsmā tiek izveidota plaisa, izmantojot dimanta 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 vien nepieciešama otrreizēja 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 redzamas lāzergriešanas stikla 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 stikla iekšpusē 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 daļu, kas sastāv no neskaitāmiem sīkiem poru punktiem, panākot griešanu caur ārējiem sprieguma plaisām.

Līdz ar ievērojamu lāzertehnoloģiju attīstību ir palielinājies arī jaudas līmenis. 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, kura biezums ir mazāks par 2 mm. Ir Ķīnas uzņēmumi, kas var griezt stiklu līdz 17 mm biezumam. Stikla lāzergriešana 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 ar mehāniskiem nažiem. Lāzergrieztās malas ir gludas, ar iegriezuma precizitāti līdz 30 μm, novēršot nepieciešamību pēc sekundāras apstrādes vispārējiem rūpniecības izstrādājumiem.

Lāzergriešana stiklā ir salīdzinoši nesena attīstība, kas aizsākās apmēram pirms sešiem līdz septiņiem gadiem. Mobilo tālruņu ražošanas nozare bija viena no pirmajām, kas izmantoja 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 izplatīta mobilo tālruņu stikla detaļu apstrādē. Šo tendenci galvenokārt ir veicinājušas automatizētas iekārtas mobilo tālruņu pārsegu stikla lāzerapstrādei, lāzergriešanas ierīces kameru aizsarglēcām un viedās iekārtas stikla substrātu lāzerurbšanai.

Automašīnā montējams elektroniskais ekrāna stikls pakāpeniski pieņem lāzergriešanu

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

Automašīnām montējamiem stikla ekrāniem ir nepieciešama augsta precizitāte, un salikto konstrukcijas komponentu pielaides ir ļoti mazas. Lielas izmēru kļūdas kvadrātveida/stieņu ekrānu griešanas laikā var radīt montāžas problēmas. Tradicionālās apstrādes metodes ietver vairākus soļus, piemēram, riteņu griešanu, manuālu laušanu, CNC formēšanu un fāzēšanu, kā arī citas. 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 centrālās vadības vāka stikla formas CNC apstrāde var ilgt līdz pat 8–10 minūtēm. Ar īpaši ātriem lāzeriem, kuru jauda pārsniedz 100 W, 17 mm stiklu var sagriezt vienā piegājienā; vairāku ražošanas procesu integrēšana palielina efektivitāti par 80%, kur 1 lāzers ir vienāds ar 20 CNC iekārtām. Tas ievērojami uzlabo produktivitāti un samazina vienības apstrādes izmaksas.

Citi lāzeru pielietojumi stiklā

Kvarca stiklam ir unikāla struktūra, kas apgrūtina tā šķelšanu ar lāzeriem, taču femtosekundes lāzerus var izmantot kodināšanai uz kvarca stikla. Šis ir femtosekundes lāzeru pielietojums precīzai apstrādei un kodināšanai uz kvarca stikla. Femtosekundes lāzera tehnoloģija pēdējos gados ir strauji attīstoša progresīva apstrādes tehnoloģija 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 dzesētāju ražošanas līnijas atbilstoši tirgus tendencēm, TEYU dzesētāju ražotāja CWUP sērijas īpaši ātrie lāzera dzesētāji var nodrošināt efektīvus un stabilus dzesēšanas risinājumus pikosekunžu un femtosekundes 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 Optics and Fine Mechanics Institute 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 koncentrējas arī uz stikla pārklājuma metināšanu 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 pielietojuma jomās.