Badanie aktualnego stanu i potencjału obróbki laserowej szkła

Technologia produkcji laserowej dynamicznie rozwinęła się w ciągu ostatniej dekady, a jej głównym zastosowaniem jest laserowa obróbka materiałów metalowych. Cięcie laserowe, spawanie laserowe i napawanie laserowe metali należą do najważniejszych procesów w laserowej obróbce metali. Jednak wraz ze wzrostem koncentracji, homogenizacja produktów laserowych stała się poważna, co ogranicza rozwój rynku laserów. Dlatego, aby przebić się na rynku, zastosowania laserów muszą rozszerzyć się na nowe dziedziny materiałowe. Materiały niemetaliczne nadające się do zastosowań laserowych to tkaniny, szkło, tworzywa sztuczne, polimery, ceramika i wiele innych. Każdy materiał jest wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu, ale istnieją już zaawansowane techniki przetwarzania, co utrudnia zastąpienie lasera.

Aby wejść w obszar materiałów niemetalicznych, konieczne jest przeanalizowanie, czy interakcja lasera z materiałem jest możliwa i czy wystąpią niepożądane reakcje. Obecnie szkło wyróżnia się jako ważny obszar o wysokiej wartości dodanej i potencjale do zastosowań w obróbce laserowej wsadowej.

Duża przestrzeń do cięcia laserowego szkła

Szkło jest ważnym materiałem przemysłowym, wykorzystywanym w różnych gałęziach przemysłu, takich jak motoryzacja, budownictwo, medycyna i elektronika. Jego zastosowania sięgają od małych filtrów optycznych o wymiarach mikrometrów po wielkogabarytowe panele szklane wykorzystywane w takich branżach jak motoryzacja czy budownictwo.

Szkło można podzielić na szkło optyczne, kwarcowe, mikrokrystaliczne, szafirowe i inne. Istotną cechą szkła jest jego kruchość, która stanowi poważne wyzwanie dla tradycyjnych metod obróbki. Tradycyjne metody cięcia szkła zazwyczaj wykorzystują narzędzia ze stopów twardych lub diamentowe, a proces cięcia składa się z dwóch etapów. Najpierw na powierzchni szkła tworzy się pęknięcie za pomocą narzędzia z końcówką diamentową lub tarczy szlifierskiej ze stopu twardego. Następnie stosuje się środki mechaniczne do rozdzielenia szkła wzdłuż linii pęknięcia. Jednak te tradycyjne procesy mają wyraźne wady. Są stosunkowo nieefektywne, co skutkuje nierównymi krawędziami, które często wymagają wtórnego polerowania, a także wytwarzają dużo zanieczyszczeń i pyłu. Ponadto, w przypadku zadań takich jak wiercenie otworów pośrodku tafli szklanych lub cięcie nieregularnych kształtów, tradycyjne metody są dość trudne. Właśnie tutaj ujawniają się zalety laserowego cięcia szkła. W 2022 roku przychody ze sprzedaży chińskiego przemysłu szklarskiego wyniosły około 744,3 miliarda 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 laserowe szkła często wykorzystuje głowicę Béziera z ogniskiem, która generuje wiązki laserowe o wysokiej mocy szczytowej i gęstości wewnątrz szkła. Ogniskując wiązkę Béziera wewnątrz szkła, natychmiast odparowuje ona materiał, tworząc strefę parowania, która szybko rozszerza się, tworząc pęknięcia na górnej i dolnej powierzchni. Pęknięcia te tworzą sekcję cięcia złożoną z niezliczonych drobnych punktów porów, umożliwiając cięcie przez zewnętrzne pęknięcia naprężeniowe.

Dzięki znacznemu postępowi w technologii laserowej, wzrosły również poziomy mocy. Nanosekundowy zielony laser o mocy ponad 20 W może skutecznie ciąć szkło, a 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 na szkle o grubości 3 mm zajmuje zaledwie około 10 sekund w przypadku cięcia laserowego, w porównaniu z kilkoma minutami w przypadku noży mechanicznych. Krawędzie cięcia laserowego są gładkie, a dokładność nacinania do 30 μm eliminuje potrzebę dodatkowej obróbki w przypadku produktów ogólnego przeznaczenia.

Cięcie szkła laserem to stosunkowo nowa technologia, która pojawiła się około sześć do siedmiu lat temu. Branża produkcji telefonów komórkowych była jednym z pierwszych producentów, którzy wdrożyli tę technologię, wykorzystując cięcie laserowe na szklanych obudowach aparatów i odnotowując gwałtowny wzrost popularności urządzenia do cięcia laserowego. Wraz z popularnością smartfonów z pełnym ekranem, precyzyjne cięcie laserowe całych szklanych paneli o dużych ekranach znacznie zwiększyło wydajność obróbki szkła. Cięcie laserowe stało się powszechne w obróbce elementów szklanych do telefonów komórkowych. Trend ten był napędzany głównie przez zautomatyzowane urządzenia do laserowego cięcia szklanych obudów telefonów komórkowych, urządzenia do laserowego cięcia soczewek ochronnych aparatów oraz inteligentne urządzenia do laserowego wiercenia podłoży szklanych.

Elektroniczne ekrany samochodowe są stopniowo cięte laserowo

Ekrany montowane w samochodach zajmują dużo miejsca, zwłaszcza w przypadku ekranów centralnego sterowania, systemów nawigacyjnych, kamer samochodowych itp. Obecnie wiele pojazdów z nowymi silnikami elektrycznymi jest wyposażonych w inteligentne systemy i duże ekrany centralnego sterowania. Inteligentne systemy stały się standardem w samochodach, a duże i wielowarstwowe ekrany, a także zakrzywione ekrany 3D stopniowo stają się powszechne na rynku. Szklane osłony ekranów montowanych w samochodach są szeroko stosowane ze względu na swoje doskonałe właściwości, a wysokiej jakości szkło zakrzywione może zapewnić branży motoryzacyjnej jeszcze lepsze wrażenia. Jednak wysoka twardość i kruchość szkła stanowią wyzwanie w obróbce.

Szyby montowane w samochodach wymagają wysokiej precyzji, a tolerancje zmontowanych elementów konstrukcyjnych są bardzo małe. Duże błędy wymiarowe podczas cięcia siatek kwadratowych/prętowych mogą prowadzić do problemów z montażem. Tradycyjne metody obróbki obejmują wiele etapów, takich jak cięcie kół, ręczne łamanie, kształtowanie CNC i fazowanie. Ponieważ jest to obróbka mechaniczna, obarczona jest problemami takimi jak niska wydajność, niska jakość, niska wydajność i wysoki koszt. Po wycięciu kół, obróbka CNC pojedynczego kształtu szyby centralnej pokrywy samochodu może zająć do 8-10 minut. Dzięki ultraszybkim laserom o mocy ponad 100 W, szkło o grubości 17 mm można wyciąć jednym pociągnięciem; integracja wielu procesów produkcyjnych zwiększa wydajność o 80%, gdzie 1 laser odpowiada 20 maszynom CNC. To znacznie poprawia wydajność i obniża jednostkowe koszty obróbki.

Inne zastosowania laserów w szkle

Szkło kwarcowe ma unikalną strukturę, która utrudnia cięcie laserowe, ale lasery femtosekundowe mogą być używane do trawienia szkła kwarcowego. Jest to zastosowanie laserów femtosekundowych do precyzyjnej obróbki i trawienia szkła kwarcowego. Technologia laserów femtosekundowych to dynamicznie rozwijająca się w ostatnich latach zaawansowana technologia przetwarzania, charakteryzująca się niezwykle wysoką precyzją i szybkością, umożliwiająca trawienie i obróbkę z dokładnością do mikrometrów i nanometrów na różnych powierzchniach materiałów. Technologia chłodzenia laserowego zmienia się wraz ze zmieniającymi się wymaganiami rynku. Jako doświadczony producent agregatów chłodniczych, który unowocześnia swoje linie produkcyjne agregatów chłodniczych zgodnie z trendami rynkowymi, TEYU Chiller Manufacturer oferuje ultraszybkie agregaty chłodnicze serii CWUP, które zapewniają wydajne i stabilne rozwiązania chłodzenia 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 w Niemczech. Obecnie tylko kilka jednostek w Chinach, takich jak Huagong Laser, Instytut Optyki i Mechaniki Precyzyjnej w Xi'an oraz Harbin Hit Weld Technology, przebiło się przez tę technologię. Pod wpływem laserów o dużej mocy i ultrakrótkich impulsach, fale ciśnienia generowane przez lasery mogą tworzyć mikropęknięcia lub koncentracje naprężeń w szkle, co sprzyja wiązaniu między dwoma taflami szkła. Połączone szkło po spawaniu jest bardzo wytrzymałe i możliwe jest już uzyskanie szczelnego połączenia między taflami szkła o grubości 3 mm. W przyszłości naukowcy koncentrują się również na spawaniu nakładkowym szkła z innymi materiałami. Obecnie te nowe procesy nie zostały jeszcze powszechnie zastosowane w partiach, ale po osiągnięciu dojrzałości niewątpliwie odegrają ważną rolę w niektórych zaawansowanych zastosowaniach.