Изучение текущего состояния и потенциала лазерной обработки стекла

За последнее десятилетие технология лазерного производства получила стремительное развитие, при этом ее основным применением является лазерная обработка металлических материалов. Лазерная резка, лазерная сварка и лазерная наплавка металлов являются одними из важнейших процессов в лазерной обработке металлов. Однако по мере увеличения концентрации гомогенизация лазерной продукции стала серьезной, что ограничило рост рынка лазеров. Поэтому, чтобы добиться прорыва, лазерные приложения должны распространяться на новые области материалов. К неметаллическим материалам, подходящим для лазерной обработки, относятся ткани, стекло, пластик, полимеры, керамика и многое другое. Каждый материал используется в нескольких отраслях, но уже существуют отработанные методы его обработки, что делает замену лазера непростой задачей.

Чтобы войти в область неметаллических материалов, необходимо проанализировать, возможно ли взаимодействие лазера с материалом и возникнут ли побочные реакции. В настоящее время стекло выделяется как важная отрасль с высокой добавленной стоимостью и потенциалом для пакетной лазерной обработки.

Большое пространство для лазерной резки стекла

Стекло — важный промышленный материал, используемый в различных отраслях промышленности, таких как автомобилестроение, строительство, медицина и электроника. Диапазон его применения простирается от небольших оптических фильтров, измеряемых микрометрами, до крупногабаритных стеклянных панелей, используемых в таких отраслях, как автомобилестроение или строительство.

Стекло можно разделить на оптическое стекло, кварцевое стекло, микрокристаллическое стекло, сапфировое стекло и т. д. Важной особенностью стекла является его хрупкость, что создает значительные проблемы для традиционных методов обработки. Традиционные методы резки стекла обычно используют инструменты из твердого сплава или алмаза, а процесс резки делится на два этапа. Сначала на поверхности стекла создается трещина с помощью алмазного инструмента или твердосплавного шлифовального круга. Во-вторых, для разделения стекла по линии трещины применяются механические средства. Однако эти традиционные процессы имеют явные недостатки. Они относительно неэффективны, что приводит к неровным краям, которые часто требуют повторной полировки, а также к образованию большого количества мусора и пыли. Более того, для таких задач, как сверление отверстий в середине стеклянных панелей или резка нестандартных форм, традиционные методы довольно сложны. Вот здесь и становятся очевидными преимущества лазерной резки стекла. В 2022 году выручка от продаж стекольной промышленности Китая составила около 744,3 млрд юаней. Степень проникновения технологии лазерной резки в стекольную промышленность все еще находится на начальном этапе, что указывает на значительные возможности применения технологии лазерной резки в качестве замены.

Лазерная резка стекла: от мобильных телефонов до наших дней

При лазерной резке стекла часто используется фокусирующая головка Безье для создания лазерных лучей высокой пиковой мощности и плотности внутри стекла. Фокусируя луч Безье внутри стекла, он мгновенно испаряет материал, создавая зону испарения, которая быстро расширяется, образуя трещины на верхней и нижней поверхностях. Эти трещины образуют режущую часть, состоящую из бесчисленных мельчайших точек пор, что обеспечивает прорезание внешних напряженных трещин.

Благодаря значительному прогрессу в лазерных технологиях увеличились и уровни мощности. Наносекундный зеленый лазер мощностью более 20 Вт способен эффективно резать стекло, а пикосекундный ультрафиолетовый лазер мощностью более 15 Вт без труда режет стекло толщиной менее 2 мм. Существуют китайские предприятия, которые могут резать стекло толщиной до 17 мм. Лазерная резка стекла отличается высокой эффективностью. Например, резка куска стекла диаметром 10 см на стекле толщиной 3 мм занимает всего около 10 секунд при лазерной резке по сравнению с несколькими минутами при использовании механических ножей. Кромки, вырезанные лазером, гладкие, с точностью надреза до 30 мкм, что исключает необходимость вторичной обработки для общепромышленных изделий.

Лазерная резка стекла — сравнительно недавняя разработка, появившаяся около шести-семи лет назад. Индустрия по производству мобильных телефонов была среди первых, кто применил лазерную резку на стеклянных крышках камер и пережила всплеск активности с появлением устройства лазерной невидимой резки. С ростом популярности полноэкранных смартфонов точная лазерная резка целых стеклянных панелей большого экрана значительно увеличила производительность обработки стекла. Лазерная резка получила широкое распространение при обработке стеклянных компонентов мобильных телефонов. Эту тенденцию в первую очередь стимулируют автоматизированное оборудование для лазерной обработки защитных стекол мобильных телефонов, устройства лазерной резки для защитных линз камер и интеллектуальное оборудование для лазерного сверления стеклянных подложек.

Электронные экраны автомобилей постепенно оснащаются лазерной резкой

Автомобильные экраны потребляют много стеклянных панелей, особенно это касается центральных экранов управления, навигационных систем, видеорегистраторов и т. д. В настоящее время многие транспортные средства на новых источниках энергии оснащены интеллектуальными системами и большими центральными экранами управления. Интеллектуальные системы стали стандартом в автомобилях, причем большие и множественные экраны, а также изогнутые 3D-экраны постепенно становятся основной тенденцией на рынке. Стеклянные панели для автомобильных экранов широко используются благодаря своим превосходным характеристикам, а высококачественное изогнутое экранное стекло может обеспечить более совершенные ощущения для автомобильной промышленности. Однако высокая твердость и хрупкость стекла создают трудности при его обработке.

Стеклянные экраны, устанавливаемые на автомобили, требуют высокой точности, а допуски собранных конструктивных элементов очень малы. Большие погрешности размеров при резке квадратных/стержневых сит могут привести к проблемам при сборке. Традиционные методы обработки включают в себя несколько этапов, таких как круговая резка, ручная ломка, формовка на станке с ЧПУ, снятие фаски и т. д. Поскольку это механическая обработка, ей присущи такие проблемы, как низкая эффективность, низкое качество, низкая производительность и высокая стоимость. После резки диска обработка на станке с ЧПУ одной формы защитного стекла центральной панели управления автомобиля может занять до 8–10 минут. Благодаря сверхбыстрым лазерам мощностью более 100 Вт стекло толщиной 17 мм можно разрезать за один проход; интеграция нескольких производственных процессов повышает эффективность на 80%, при этом 1 лазер эквивалентен 20 станкам с ЧПУ. Это значительно повышает производительность и снижает затраты на обработку единицы продукции.

Другие применения лазеров в стекле

Кварцевое стекло имеет уникальную структуру, из-за чего его трудно расколоть или разрезать лазером, однако фемтосекундные лазеры можно использовать для травления кварцевого стекла. Это применение фемтосекундных лазеров для прецизионной обработки и травления кварцевого стекла. Технология фемтосекундного лазера — это быстро развивающаяся в последние годы передовая технология обработки, которая отличается чрезвычайно высокой точностью и скоростью обработки, позволяющей осуществлять травление и обработку на уровне от микрометра до нанометра на поверхностях различных материалов.  Технология лазерного охлаждения меняется в зависимости от меняющихся требований рынка. Как опытный производитель чиллеров, который обновляет наши охладитель воды  Производственные линии, соответствующие тенденциям рынка, сверхбыстрые лазерные охладители серии CWUP от производителя TEYU Chiller Manufacturer могут обеспечить эффективное и стабильное охлаждение пикосекундных и фемтосекундных лазеров мощностью до 60 Вт.

Лазерная сварка стекла — новая технология, появившаяся в последние два-три года и первоначально появившаяся в Германии. В настоящее время лишь несколько предприятий в Китае, такие как Huagong Laser, Сианьский институт оптики и точной механики и Harbin Hit Weld Technology, освоили эту технологию. Под воздействием мощных сверхкоротких лазерных импульсов волны давления, генерируемые лазерами, могут создавать микротрещины или концентрации напряжений в стекле, что может способствовать склеиванию двух стеклянных деталей.  Склеенное стекло после сварки очень прочное, и уже можно добиться герметичной сварки между стеклами толщиной 3 мм. В будущем исследователи также сосредоточатся на наплавке стекла на другие материалы. В настоящее время эти новые процессы еще не нашли широкого применения в серийном производстве, но после того, как они станут более совершенными, они, несомненно, будут играть важную роль в некоторых высокотехнологичных областях применения.