Badanie aktualnego stanu i potencjału obróbki laserowej szkła

Technologia produkcji laserowej rozwinęła się błyskawicznie w ciągu ostatniej dekady, a jej głównym zastosowaniem jest obróbka laserowa materiałów metalowych. Cięcie laserowe, spawanie laserowe i napawanie laserowe metali należą do najważniejszych procesów obróbki laserowej metali. Jednak wraz ze wzrostem koncentracji homogenizacja produktów laserowych stała się poważna, co ograniczyło wzrost rynku laserów. Aby więc osiągnąć sukces, zastosowania laserów muszą objąć nowe dziedziny materiałów. Materiały niemetalowe, które nadają się do stosowania laserowego, to m.in. tkaniny, szkło, tworzywa sztuczne, polimery, ceramika i inne. Każdy materiał jest wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu, ale istnieją już dopracowane techniki przetwarzania, co sprawia, że zastąpienie lasera nie jest łatwym zadaniem.

Aby wejść w dziedzinę materiałów niemetalicznych, należy przeanalizować, czy interakcja lasera z materiałem jest możliwa i czy nie wystąpią niepożądane reakcje. Obecnie szkło wyróżnia się jako obszar o dużej wartości dodanej i potencjale do zastosowań w obróbce laserowej wsadowej.

Duża przestrzeń do cięcia laserowego szkła

Szkło to ważny materiał przemysłowy, wykorzystywany w różnych gałęziach przemysłu, m.in. w motoryzacji, budownictwie, medycynie i elektronice. Zakres zastosowań obejmuje zarówno małogabarytowe filtry optyczne o wielkości mikrometrów, jak i wielkogabarytowe panele szklane wykorzystywane w przemyśle motoryzacyjnym i budowlanym.

Szkło można podzielić na szkło optyczne, szkło kwarcowe, szkło mikrokrystaliczne, szkło szafirowe i inne. Istotną cechą szkła jest jego kruchość, co stanowi poważne wyzwanie dla tradycyjnych metod obróbki. W tradycyjnych metodach cięcia szkła stosuje się zazwyczaj twarde stopy lub narzędzia diamentowe, a proces cięcia dzieli się na dwa etapy. Najpierw za pomocą narzędzia z końcówką diamentową lub tarczy szlifierskiej ze stopu twardego tworzy się pęknięcie na powierzchni szkła. Po drugie, stosuje się środki mechaniczne w celu rozdzielenia szkła wzdłuż linii pęknięcia. Jednakże te tradycyjne procesy mają wyraźne wady. Są one stosunkowo nieefektywne, co skutkuje nierównymi krawędziami, które często wymagają ponownego polerowania, a ponadto wytwarzają dużo zanieczyszczeń i pyłu. Ponadto w przypadku zadań takich jak wiercenie otworów pośrodku paneli szklanych lub wycinanie nieregularnych kształtów, tradycyjne metody okazują się dużym wyzwaniem. Tutaj ujawniają się zalety cięcia szkła laserem W 2022 roku przychody ze sprzedaży chińskiego przemysłu szklarskiego wyniosły około 744,3 miliardów juanów. Stopień penetracji technologii cięcia laserowego w przemyśle szklarskim jest wciąż w początkowej fazie, co wskazuje na znaczną przestrzeń do zastosowania technologii cięcia laserowego jako zamiennika.

Cięcie szkła laserem: od telefonów komórkowych w górę

Cięcie szkła laserem często odbywa się za pomocą głowicy Béziera, która wykorzystuje zjawisko ogniskowania, aby wytworzyć w szkle wiązki laserowe o dużej mocy szczytowej i gęstości. Ogniskując wiązkę światła Béziera wewnątrz szkła, materiał natychmiast odparowuje, tworząc strefę odparowywania, która szybko się rozszerza, tworząc pęknięcia na górnej i dolnej powierzchni. Pęknięcia te tworzą sekcję tnącą składającą się z niezliczonej ilości maleńkich punktów porów, umożliwiających przecięcie zewnętrznych pęknięć naprężeniowych.

Dzięki znacznemu rozwojowi technologii laserowej wzrosła również moc. Nanosekundowy zielony laser o mocy ponad 20 W może skutecznie ciąć szkło, natomiast pikosekundowy laser ultrafioletowy o mocy ponad 15 W bez trudu tnie szkło o grubości poniżej 2 mm. Istnieją chińskie przedsiębiorstwa, które potrafią ciąć szkło o grubości do 17 mm. Cięcie szkła laserem charakteryzuje się wysoką wydajnością. Na przykład cięcie szkła o średnicy 10 cm ze szkła o grubości 3 mm zajmuje tylko około 10 sekund za pomocą lasera, podczas gdy w przypadku noży mechanicznych trwa to kilka minut. Krawędzie cięte laserowo są gładkie, a dokładność nacięć wynosi do 30 μm, co eliminuje potrzebę dodatkowej obróbki w przypadku produktów ogólnego przeznaczenia.

Cięcie szkła laserem jest stosunkowo nową technologią, która pojawiła się około sześć, siedem lat temu. Branża produkująca telefony komórkowe była jedną z pierwszych, która zaczęła stosować cięcie laserowe szklanych obudów aparatów fotograficznych i odnotowała wzrost zainteresowania tą technologią po wprowadzeniu urządzenia do cięcia, którego nie widać na ekranie. Dzięki popularności smartfonów z dużym ekranem precyzyjne cięcie laserowe całych paneli szklanych o dużym ekranie znacznie zwiększyło wydajność obróbki szkła. Cięcie laserowe stało się powszechną techniką w obróbce szklanych elementów telefonów komórkowych. Trend ten jest napędzany przede wszystkim przez zautomatyzowane urządzenia do laserowej obróbki szklanych obudów telefonów komórkowych, urządzenia do laserowego cięcia soczewek ochronnych aparatów fotograficznych oraz inteligentny sprzęt do laserowego wiercenia podłoży szklanych.

Elektroniczne ekrany samochodowe są stopniowo cięte laserowo

Ekrany montowane w samochodzie zajmują dużo powierzchni szklanej, szczególnie w przypadku ekranów sterowania centralnego, systemów nawigacyjnych, kamer samochodowych itp. Obecnie wiele nowych pojazdów elektrycznych jest wyposażonych w inteligentne systemy i duże ekrany centralnego sterowania. Inteligentne systemy stały się standardem w samochodach, a duże i wielokrotne ekrany, a także zakrzywione ekrany 3D stopniowo stają się dominującym rozwiązaniem na rynku. Szklane osłony ekranów montowanych w samochodach są powszechnie stosowane ze względu na swoje doskonałe właściwości, a wysokiej jakości szkło zakrzywione na ekranie może zapewnić lepsze wrażenia w branży motoryzacyjnej. Jednak duża twardość i kruchość szkła utrudnia jego obróbkę.

Szklane ekrany montowane w samochodach wymagają dużej precyzji, a tolerancje montowanych elementów konstrukcyjnych są bardzo małe. Duże błędy wymiarowe występujące podczas cięcia sit kwadratowych/prętowych mogą powodować problemy z montażem. Tradycyjne metody przetwarzania obejmują wiele etapów, takich jak cięcie krążków, ręczne rozbijanie, kształtowanie CNC i fazowanie, aby wymienić tylko niektóre. Ponieważ jest to obróbka mechaniczna, jej wady to niska wydajność, słaba jakość, niska wydajność i wysokie koszty. Po wycięciu koła obróbka CNC pojedynczego kształtu szyby centralnej skrzynki rozdzielczej samochodu może zająć od 8 do 10 minut. Dzięki ultraszybkim laserom o mocy ponad 100 W szkło o grubości 17 mm można wyciąć jednym cyklem; integracja wielu procesów produkcyjnych zwiększa wydajność o 80%, gdzie 1 laser odpowiada 20 maszynom CNC. Znacznie zwiększa to wydajność i obniża koszty przetwarzania jednostkowego.

Inne zastosowania laserów w szkle

Szkło kwarcowe ma specyficzną strukturę, która utrudnia jego cięcie laserowe, jednak do trawienia szkła kwarcowego można stosować lasery femtosekundowe. Jest to zastosowanie laserów femtosekundowych do precyzyjnej obróbki i trawienia szkła kwarcowego. Technologia laserów femtosekundowych to szybko rozwijająca się w ostatnich latach zaawansowana technologia przetwarzania, charakteryzująca się wyjątkowo wysoką precyzją i szybkością przetwarzania, umożliwiająca trawienie i przetwarzanie powierzchni różnych materiałów z dokładnością od mikrometrów do nanometrów.  Technologia chłodzenia laserowego zmienia się wraz ze zmieniającymi się wymaganiami rynku. Jako doświadczony producent agregatów chłodniczych, który stale aktualizuje nasze agregat wody lodowej  Linie produkcyjne podążają za trendami rynkowymi, a chłodziarki laserowe TEYU serii CWUP o ultraszybkim działaniu mogą zapewnić wydajne i stabilne rozwiązania chłodzące dla laserów pikosekundowych i femtosekundowych o mocy do 60 W.

Spawanie laserowe szkła to nowa technologia, która rozwinęła się w ciągu ostatnich dwóch, trzech lat. Początkowo pojawiła się w Niemczech. Obecnie tylko nielicznym jednostkom w Chinach, takim jak Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics i Harbin Hit Weld Technology, udało się przebić przez tę technologię. Pod wpływem działania laserów o dużej mocy i ultrakrótkich impulsach fale ciśnienia generowane przez lasery mogą tworzyć mikropęknięcia lub koncentracje naprężeń w szkle, co może sprzyjać łączeniu dwóch kawałków szkła  Po spawaniu połączone szkło jest bardzo mocne i możliwe jest uzyskanie szczelnego spawu między taflami szkła o grubości 3 mm. W przyszłości naukowcy będą skupiać się także na napawaniu szkła innymi materiałami. Obecnie te nowe procesy nie znalazły jeszcze szerokiego zastosowania w dużych partiach, lecz gdy tylko nabiorą dojrzałości, niewątpliwie odegrają ważną rolę w niektórych zaawansowanych zastosowaniach.