Onderzoek naar de huidige status en het potentieel van glaslaserbewerking

De technologie voor laserfabricage heeft de afgelopen tien jaar een snelle ontwikkeling doorgemaakt. De belangrijkste toepassing is laserbewerking van metalen materialen. Lasersnijden, laserlassen en lasercladden van metalen behoren tot de belangrijkste processen in de metaallaserbewerking. Door de toenemende concentratie is er echter sprake van een sterke homogenisering van laserproducten, wat de groei van de lasermarkt beperkt. Om door te breken, moeten lasertoepassingen zich uitbreiden naar nieuwe materiaaldomeinen. Niet-metalen materialen die geschikt zijn voor lasertoepassingen zijn onder andere stoffen, glas, kunststoffen, polymeren, keramiek en meer. Elk materiaal is van belang voor meerdere industrieën, maar er bestaan al geavanceerde verwerkingstechnieken, waardoor het vervangen van lasers geen eenvoudige opgave is.

Om het veld van niet-metalen materialen te betreden, is het noodzakelijk om te analyseren of laserinteractie met het materiaal haalbaar is en of er nadelige reacties zullen optreden. Momenteel is glas een belangrijk segment met een hoge toegevoegde waarde en potentie voor batch-laserverwerkingstoepassingen.

Grote ruimte voor glaslasersnijden

Glas is een belangrijk industrieel materiaal dat in verschillende sectoren wordt gebruikt, zoals de automobielindustrie, de bouw, de medische sector en de elektronicasector. Toepassingen variëren van optische filters op kleine schaal die micrometers meten tot grootschalige glaspanelen die worden gebruikt in sectoren als de auto-industrie of de bouw.

Glas kan worden onderverdeeld in optisch glas, kwartsglas, microkristallijn glas, saffierglas en meer. De belangrijkste eigenschap van glas is zijn broosheid, wat een grote uitdaging vormt voor traditionele verwerkingsmethoden. Bij traditionele glas snijmethoden worden doorgaans gereedschappen van harde legeringen of diamanten gebruikt. Het snijproces is verdeeld in twee stappen. Eerst wordt er met een diamantgereedschap of een slijpschijf van een harde legering een scheur in het glasoppervlak aangebracht. Ten tweede worden mechanische middelen gebruikt om het glas langs de scheurlijn te scheiden. Deze traditionele processen hebben echter duidelijke nadelen. Ze zijn relatief inefficiënt, waardoor de randen ongelijkmatig zijn en vaak opnieuw gepolijst moeten worden. Bovendien produceren ze veel vuil en stof. Bovendien zijn traditionele methoden behoorlijk uitdagend voor taken zoals het boren van gaten in het midden van glaspanelen of het snijden van onregelmatige vormen. Hier worden de voordelen van het lasersnijden van glas duidelijk In 2022 bedroeg de omzet van de Chinese glasindustrie ongeveer 744,3 miljard yuan. De penetratiegraad van lasersnijtechnologie in de glasindustrie staat nog in de kinderschoenen. Dit wijst erop dat er nog veel ruimte is voor de toepassing van lasersnijtechnologie als vervanging.

Glas lasersnijden: van mobiele telefoons tot verder

Bij het lasersnijden van glas wordt vaak gebruikgemaakt van een Bézier-focusseerkop om laserstralen met een hoog piekvermogen en een hoge dichtheid in het glas te genereren. Door de Bézierstraal in het glas te concentreren, verdampt het materiaal onmiddellijk. Hierdoor ontstaat een verdampingszone die snel uitzet en scheuren vormt op het boven- en onderoppervlak. Deze scheuren vormen het snijgedeelte dat bestaat uit talloze kleine poriënpunten, waardoor externe spanningsbreuken kunnen worden doorgesneden.

Door de grote vooruitgang in lasertechnologie zijn ook de vermogensniveaus toegenomen. Een nanoseconde groene laser met een vermogen van meer dan 20 W kan effectief glas snijden, terwijl een picoseconde ultraviolette laser met een vermogen van meer dan 15 W moeiteloos glas van minder dan 2 mm dik snijdt. Er bestaan Chinese bedrijven die glas tot 17 mm dik kunnen snijden. Het lasersnijden van glas heeft een hoge efficiëntie. Bijvoorbeeld, het snijden van een stuk glas met een diameter van 10 cm uit een glas van 3 mm dik duurt met lasersnijden slechts ongeveer 10 seconden, vergeleken met enkele minuten met mechanische messen. Lasergesneden randen zijn glad en hebben een kerfnauwkeurigheid tot wel 30 μm. Hierdoor is er voor algemene industriële producten geen nabewerking meer nodig.

Het lasersnijden van glas is een relatief recente ontwikkeling. Deze begon zo'n zes tot zeven jaar geleden. De mobiele telefoonindustrie behoorde tot de eerste bedrijven die dit toepast. Zij gebruikten lasersnijden op cameraglas en beleefden een enorme opleving met de introductie van een onzichtbaarheidssnijapparaat met laser. Met de populariteit van smartphones met een volledig scherm is het nauwkeurig lasersnijden van complete glaspanelen van grote schermen de glasverwerkingscapaciteit aanzienlijk toegenomen. Lasersnijden is steeds gebruikelijker geworden bij de bewerking van glasonderdelen voor mobiele telefoons. Deze trend wordt voornamelijk aangestuurd door geautomatiseerde apparatuur voor het laserbewerken van glas voor mobiele telefoons, lasersnijapparatuur voor camerabeschermingslenzen en intelligente apparatuur voor het laserboren van glassubstraten.

Elektronische schermen voor auto's maken geleidelijk gebruik van lasersnijden

Schermen die in auto's worden gemonteerd, verbruiken veel glaspanelen. Dit geldt met name voor centrale bedieningsschermen, navigatiesystemen, dashcams en dergelijke. Tegenwoordig zijn veel nieuwe energievoertuigen uitgerust met intelligente systemen en grote centrale bedieningsschermen. Intelligente systemen zijn standaard geworden in auto's, waarbij grote en meerdere schermen, maar ook 3D-gebogen schermen, geleidelijk aan de markt mainstream worden. Glazen afdekpanelen voor schermen in auto's worden veel gebruikt vanwege hun uitstekende eigenschappen. Een hoogwaardig gebogen schermglas kan een ultieme ervaring bieden in de auto-industrie. De hoge hardheid en broosheid van glas vormen echter een uitdaging bij de verwerking.

Voor het monteren van glazen schermen in auto's is een hoge precisie vereist. Bovendien zijn de toleranties van de gemonteerde structurele componenten zeer klein. Grote maatafwijkingen bij het snijden van vierkante/staafschermen kunnen tot montageproblemen leiden. Traditionele verwerkingsmethoden bestaan uit meerdere stappen, zoals onder andere het snijden van wielen, handmatig breken, CNC-vormen en afschuinen. Omdat het om mechanische verwerking gaat, kent het problemen als lage efficiëntie, slechte kwaliteit, lage opbrengst en hoge kosten. Na het snijden van de wielen kan het CNC-bewerken van een enkele auto met een centraal bedieningsdeksel 8 tot 10 minuten duren. Met ultrasnelle lasers van meer dan 100 W kan glas van 17 mm in één keer worden gesneden; door meerdere productieprocessen te integreren, neemt de efficiëntie met 80% toe: 1 laser staat gelijk aan 20 CNC-machines. Hierdoor wordt de productiviteit aanzienlijk verbeterd en worden de kosten voor eenheidsverwerking verlaagd.

Andere toepassingen van lasers in glas

Kwartsglas heeft een unieke structuur, waardoor het moeilijk is om het met lasers te snijden. Femtosecondelasers kunnen echter wel worden gebruikt om kwartsglas te etsen. Dit is een toepassing van femtosecondelasers voor precisiebewerking en etsen op kwartsglas. Femtoseconde lasertechnologie is een geavanceerde verwerkingstechnologie die zich de afgelopen jaren snel heeft ontwikkeld, met een extreem hoge verwerkingsprecisie en -snelheid, die in staat is tot etsen en bewerken op micrometer- tot nanometerniveau op verschillende materiaaloppervlakken.  Laserkoeltechnologie verandert mee met de veranderende marktvraag. Als ervaren fabrikant van koelmachines die onze kennis up-to-date houdt, waterkoeler  productielijnen in lijn met de markttrends kunnen de CWUP-serie ultrasnelle laserkoelers van de fabrikant TEYU Chiller efficiënte en stabiele koeloplossingen bieden voor picoseconde- en femtosecondelasers met maximaal 60 W.

Laserlassen van glas is een nieuwe technologie die de afgelopen twee tot drie jaar is ontstaan en die oorspronkelijk in Duitsland werd toegepast. Momenteel zijn het slechts enkele bedrijven in China die deze technologie hebben doorgebroken, zoals Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics en Harbin Hit Weld Technology. Onder invloed van lasers met een hoog vermogen en een ultrakorte puls kunnen de door lasers gegenereerde drukgolven microscheuren of spanningsconcentraties in het glas creëren, waardoor de verbinding tussen twee stukken glas kan worden bevorderd.  Het gelijmde glas is na het lassen zeer stevig en het is al mogelijk om een strakke las te realiseren tussen glas met een dikte van 3 mm. In de toekomst richten onderzoekers zich ook op het overlappen van glas met andere materialen. Momenteel worden deze nieuwe processen nog niet op grote schaal batchgewijs toegepast, maar zodra ze volwassen zijn, zullen ze ongetwijfeld een belangrijke rol spelen in een aantal hoogwaardige toepassingsgebieden.