Изучение текущего состояния и потенциала лазерной обработки стекла

Технология лазерного производства стремительно развивается в последнее десятилетие, и её основная область применения – лазерная обработка металлических материалов. Лазерная резка, лазерная сварка и лазерная наплавка металлов – одни из важнейших процессов в лазерной обработке металлов. Однако с ростом концентрации происходит резкое увеличение однородности лазерной продукции, что ограничивает рост рынка лазеров. Поэтому для достижения успеха лазеры должны применяться в новых областях материалов. К неметаллическим материалам, пригодным для лазерной обработки, относятся ткани, стекло, пластик, полимеры, керамика и другие. Каждый материал используется в различных отраслях промышленности, но уже существуют отработанные методы обработки, что делает замену лазеров непростой задачей.

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

Большое пространство для лазерной резки стекла

Стекло — важный промышленный материал, используемый в различных отраслях, таких как автомобилестроение, строительство, медицина и электроника. Его применение варьируется от изготовления небольших оптических фильтров микрометрического размера до крупногабаритных стеклянных панелей, используемых в таких отраслях, как автомобилестроение и строительство.

Стекло можно разделить на оптическое стекло, кварцевое стекло, микрокристаллическое стекло, сапфировое стекло и другие. Важной характеристикой стекла является его хрупкость, что создает значительные проблемы для традиционных методов обработки. Традиционные методы резки стекла обычно используют инструменты из твердого сплава или алмаза, при этом процесс резки делится на два этапа. Во-первых, на поверхности стекла создается трещина с помощью инструмента с алмазным наконечником или твердосплавного шлифовального круга. Во-вторых, для разделения стекла по линии трещины используются механические средства. Однако эти традиционные процессы имеют явные недостатки. Они относительно неэффективны, приводят к неровным краям, которые часто требуют вторичной полировки, и производят много мусора и пыли. Более того, для таких задач, как сверление отверстий в середине стеклянных панелей или резка неправильной формы, традиционные методы довольно сложны. Именно здесь преимущества лазерной резки стекла становятся очевидными. В 2022 году выручка от продаж стекольной промышленности Китая составила приблизительно 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 генерации 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 множества мельчайших пор, что позволяет прорезать трещины, вызванные внешним напряжением.

Благодаря значительному прогрессу в лазерных технологиях возросла и мощность лазерного реза. Наносекундный зелёный лазер мощностью более 20 Вт может эффективно резать стекло, а пикосекундный ультрафиолетовый лазер мощностью более 15 Вт без труда режет стекло толщиной менее 2 мм. В Китае существуют предприятия, способные 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, в то время как механические ножи занимают несколько минут. Кромки, вырезанные лазером, гладкие, с точностью надреза до 30 мкм, что исключает необходимость вторичной обработки для общепромышленной продукции.

Лазерная резка стекла – относительно недавняя разработка, появившаяся около шести-семи лет назад. Производство мобильных телефонов было одним из первых, кто применил эту технологию, используя лазерную резку стеклянных крышек камер и переживая бурный рост с появлением устройства для лазерной резки, не позволяющего увидеть изображение. С ростом популярности полноэкранных смартфонов точная лазерная резка целых стеклянных панелей больших экранов значительно увеличила производительность обработки стекла. Лазерная резка стала широко распространенной технологией обработки стеклянных компонентов для мобильных телефонов. Эта тенденция обусловлена, прежде всего, появлением автоматизированного оборудования для лазерной обработки стекол для мобильных телефонов, лазерных режущих устройств для защитных линз камер и интеллектуального оборудования для лазерного сверления стеклянных подложек.

Электронные экраны автомобилей постепенно оснащаются лазерной резкой

Автомобильные экраны потребляют много стеклянных панелей, особенно для центральных экранов управления, навигационных систем, видеорегистраторов и т. д. В настоящее время многие новые энергетические автомобили оснащены интеллектуальными системами и большими центральными экранами управления. Интеллектуальные системы стали стандартом в автомобилях, при этом большие и многоэкранные, а также изогнутые 3D-экраны постепенно становятся основным направлением рынка. Стеклянные панели для автомобильных экранов широко используются благодаря своим превосходным характеристикам, а высококачественное изогнутое стекло может обеспечить более высокий уровень комфорта в автомобильной промышленности. Однако высокая твёрдость и хрупкость стекла создают трудности при его обработке.

Автомобильные стеклянные экраны требуют высокой точности, а допуски собранных конструктивных элементов очень малы. Большие погрешности размеров при резке квадратных/стержневых экранов могут привести к проблемам сборки. Традиционные методы обработки включают в себя несколько этапов, таких как резка на круге, ручная ломка, формовка на станке с ЧПУ и снятие фаски, среди прочего. Поскольку это механическая обработка, ей присущи такие проблемы, как низкая эффективность, низкое качество, низкий процент выхода годного и высокая стоимость. После резки на круге обработка на станке с ЧПУ одной формы защитного стекла центральной панели управления автомобиля может занять до 8-10 минут. Сверхбыстрые лазеры мощностью более 100 Вт позволяют резать стекло толщиной 17 мм за один проход; интеграция нескольких производственных процессов повышает эффективность на 80%, где 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, что затрудняет его резку лазерами, но фемтосекундные лазеры можно использовать для травления кварцевого стекла. Это применение фемтосекундных лазеров для прецизионной обработки и травления кварцевого стекла. Технология фемтосекундных лазеров в последние годы является быстро развивающейся передовой технологией обработки с чрезвычайно высокой точностью и скоростью обработки, способной выполнять травление и обработку на уровне микрометров и нанометров на поверхностях различных материалов. Технология лазерного охлаждения меняется в зависимости от меняющихся требований рынка. Будучи опытным производителем охладитель, который обновляет наши линии по производству воды охладитель в соответствии с рыночными тенденциями, сверхбыстрые лазерные охладители серии CWUP производителя TEYU Чиллер могут обеспечить эффективные и стабильные решения по охлаждению для пикосекундных и фемтосекундных лазеров мощностью до 60 Вт.

Лазерная сварка стекла – это новая технология, появившаяся в последние два-три года, изначально в Германии. В настоящее время лишь несколько китайских предприятий, таких как Huagong Laser, Сианьский институт оптики и точной механики и Harbin Hit Weld Technology, освоили эту технологию. Под воздействием мощных сверхкоротких лазеров генерируемые лазерами волны давления могут создавать микротрещины или концентрации напряжений в стекле, что способствует склеиванию двух стекол. Сваренное стекло после сварки очень прочное, и уже сейчас можно добиться герметичного соединения стекол толщиной 3 мм. В будущем исследователи также сосредоточатся на наплавке стекла с другими материалами. В настоящее время эти новые процессы пока не получили широкого распространения в серийном производстве, но после завершения разработки они, несомненно, сыграют важную роль в некоторых высокотехнологичных областях применения.