Prieskum súčasného stavu a potenciálu laserového spracovania skla

Technológia laserovej výroby zaznamenala v poslednom desaťročí rýchly rozvoj, pričom jej primárnou aplikáciou je laserové spracovanie kovových materiálov. Laserové rezanie, laserové zváranie a laserové plátovanie kovov patria medzi najdôležitejšie procesy v laserovom spracovaní kovov. S rastúcou koncentráciou sa však homogenizácia laserových produktov stala závažnou, čo obmedzuje rast trhu s lasermi. Preto, aby sa laserové aplikácie presadili, musia sa rozšíriť do nových materiálových oblastí. Medzi nekovové materiály vhodné na laserové aplikácie patria tkaniny, sklo, plasty, polyméry, keramika a ďalšie. Každý materiál sa používa vo viacerých odvetviach, ale už existujú vyspelé techniky spracovania, čo robí laserovú náhradu ťažkou úlohou.

Pre vstup do poľa nekovových materiálov je potrebné analyzovať, či je interakcia laseru s materiálom možná a či sa vyskytnú nežiaduce reakcie. V súčasnosti sa sklo vyznačuje ako hlavná oblasť s vysokou pridanou hodnotou a potenciálom pre aplikácie dávkového laserového spracovania.

Veľký priestor na rezanie skla laserom

Sklo je dôležitý priemyselný materiál používaný v rôznych odvetviach, ako je automobilový priemysel, stavebníctvo, medicína a elektronika. Jeho aplikácie siahajú od malých optických filtrov merajúcich mikrometre až po veľkoplošné sklenené panely používané v odvetviach ako automobilový priemysel alebo stavebníctvo.

Sklo možno rozdeliť na optické sklo, kremenné sklo, mikrokryštalické sklo, zafírové sklo a ďalšie. Významnou charakteristikou skla je jeho krehkosť, ktorá predstavuje značné výzvy pre tradičné metódy spracovania. Tradičné metódy rezania skla zvyčajne používajú nástroje z tvrdej zliatiny alebo diamantové nástroje, pričom proces rezania je rozdelený do dvoch krokov. Najprv sa na povrchu skla vytvorí trhlina pomocou diamantového nástroja alebo brúsneho kotúča z tvrdej zliatiny. Po druhé, na oddelenie skla pozdĺž línie trhliny sa používajú mechanické prostriedky. Tieto tradičné postupy však majú zjavné nevýhody. Sú relatívne neefektívne, čo vedie k nerovným hranám, ktoré často vyžadujú sekundárne leštenie, a produkujú veľa nečistôt a prachu. Navyše, pri úlohách, ako je vŕtanie otvorov uprostred sklenených panelov alebo rezanie nepravidelných tvarov, sú tradičné metódy dosť náročné. Tu sa prejavia výhody laserového rezania skla V roku 2022 dosiahli tržby z predaja v čínskom sklárskom priemysle približne 744,3 miliardy juanov. Miera penetrácie technológie laserového rezania v sklárskom priemysle je stále v počiatočnom štádiu, čo naznačuje významný priestor pre uplatnenie technológie laserového rezania ako jej náhrady.

Rezanie skla laserom: Od mobilných telefónov ďalej

Rezanie skla laserom často využíva Bézierovu zaostrovaciu hlavu na generovanie laserových lúčov s vysokým špičkovým výkonom a hustotou v skle. Zaostrením Bézierovho lúča dovnútra skla sa materiál okamžite odparí, čím sa vytvorí odparovacia zóna, ktorá sa rýchlo rozširuje a vytvára praskliny na hornom a dolnom povrchu. Tieto trhliny tvoria reznú časť zloženú z nespočetných drobných pórov, čím sa dosahuje rezanie cez vonkajšie napäťové fraktúry.

S významným pokrokom v laserovej technológii sa zvýšili aj úrovne výkonu. Nanosekundový zelený laser s výkonom viac ako 20 W dokáže efektívne rezať sklo, zatiaľ čo pikosekundový ultrafialový laser s výkonom viac ako 15 W bez námahy reže sklo s hrúbkou menšou ako 2 mm. Existujú čínske podniky, ktoré dokážu rezať sklo s hrúbkou až 17 mm. Laserové rezanie skla sa vyznačuje vysokou účinnosťou. Napríklad rezanie kusu skla s priemerom 10 cm na skle s hrúbkou 3 mm trvá laserovým rezaním iba približne 10 sekúnd v porovnaní s niekoľkými minútami s mechanickými nožmi. Laserom rezané hrany sú hladké s presnosťou zárezu až 30 μm, čo eliminuje potrebu sekundárneho obrábania pre bežné priemyselné výrobky.

Laserové rezanie skla je relatívne nový vývoj, ktorý sa začal používať približne pred šiestimi až siedmimi rokmi. Výroba mobilných telefónov patrila medzi prvých, ktorí túto technológiu začali používať na sklenené kryty fotoaparátov pomocou laserového rezania a zaznamenala prudký nárast so zavedením zariadenia na laserové rezanie, ktoré zabezpečuje neviditeľnosť. S popularitou smartfónov s celou obrazovkou výrazne zvýšilo presné laserové rezanie celých sklenených panelov s veľkou obrazovkou kapacitu spracovania skla. Rezanie laserom sa stalo bežným, pokiaľ ide o spracovanie sklenených komponentov pre mobilné telefóny. Tento trend je primárne poháňaný automatizovanými zariadeniami na laserové spracovanie krycích sklenených krytov mobilných telefónov, laserovými rezacími zariadeniami na ochranné šošovky fotoaparátov a inteligentnými zariadeniami na laserové vŕtanie sklenených substrátov.

Elektronické sklo namontované do auta postupne prijíma laserové rezanie

Obrazovky namontované v aute spotrebúvajú veľa sklenených panelov, najmä pri centrálnych ovládacích obrazovkách, navigačných systémoch, palubných kamerách atď. V súčasnosti je mnoho vozidiel na novú energiu vybavených inteligentnými systémami a nadrozmernými centrálnymi ovládacími obrazovkami. Inteligentné systémy sa stali štandardom v automobiloch, pričom veľké a viacnásobné obrazovky, ako aj 3D zakrivené obrazovky, sa postupne stávajú hlavným prúdom na trhu. Sklenené krycie panely pre obrazovky montované do automobilov sa široko používajú vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam a vysoko kvalitné zakrivené sklo obrazovky môže poskytnúť dokonalejší zážitok pre automobilový priemysel. Vysoká tvrdosť a krehkosť skla však predstavujú výzvu pre spracovanie.

Sklenené obrazovky montované do auta vyžadujú vysokú presnosť a tolerancie zostavených konštrukčných komponentov sú veľmi malé. Veľké rozmerové chyby počas rezania štvorcových/tyčových sít môžu viesť k problémom pri montáži. Tradičné metódy spracovania zahŕňajú viacero krokov, ako je rezanie kotúčom, ručné lámanie, CNC tvarovanie a zrážanie hrán, okrem iného. Keďže ide o mechanické spracovanie, trpí problémami, ako je nízka účinnosť, nízka kvalita, nízky výťažok a vysoké náklady. Po vyrezaní kolesa môže CNC obrábanie tvaru skla centrálneho ovládacieho panela jedného vozidla trvať až 8 – 10 minút. S ultrarýchlymi lasermi s výkonom viac ako 100 W je možné rezať 17 mm sklo jedným ťahom; integrácia viacerých výrobných procesov zvyšuje efektivitu o 80 %, pričom 1 laser sa rovná 20 CNC strojom. To výrazne zvyšuje produktivitu a znižuje náklady na spracovanie jednotiek.

Ďalšie aplikácie laserov v skle

Kremenné sklo má jedinečnú štruktúru, vďaka ktorej sa ťažko delí a režú lasermi, ale na leptanie kremenného skla sa dajú použiť femtosekundové lasery. Ide o aplikáciu femtosekundových laserov na presné obrábanie a leptanie kremenného skla. Femtosekundová laserová technológia je v posledných rokoch rýchlo sa rozvíjajúca pokročilá technológia spracovania s extrémne vysokou presnosťou a rýchlosťou spracovania, ktorá je schopná leptať a opracovávať rôzne povrchy materiálov na úrovni mikrometrov až nanometrov.  Technológia laserového chladenia sa mení v závislosti od meniacich sa požiadaviek trhu. Ako skúsený výrobca chladiacich jednotiek, ktorý aktualizuje naše chladič vody  Výrobné linky v súlade s trhovými trendmi, ultrarýchle laserové chladiče radu CWUP od výrobcu chladiacich jednotiek TEYU dokážu poskytnúť efektívne a stabilné chladiace riešenia pre pikosekundové a femtosekundové lasery s výkonom až 60 W.

Laserové zváranie skla je nová technológia, ktorá sa objavila v posledných dvoch až troch rokoch a pôvodne sa objavila v Nemecku. V súčasnosti sa tejto technológii podarilo prelomiť len niekoľko jednotiek v Číne, ako napríklad Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics a Harbin Hit Weld Technology. Pod pôsobením vysokovýkonných laserov s ultrakrátkymi pulzmi môžu tlakové vlny generované lasermi vytvárať mikrotrhliny alebo koncentrácie napätia v skle, čo môže podporiť spojenie medzi dvoma kusmi skla.  Lepené sklo je po zváraní veľmi pevné a je možné dosiahnuť tesné zvarenie aj medzi 3 mm hrubým sklom. V budúcnosti sa výskumníci zamerajú aj na prekrývacie zváranie skla s inými materiálmi. V súčasnosti sa tieto nové procesy ešte široko nepoužívajú v dávkach, ale akonáhle dozrejú, nepochybne zohrajú dôležitú úlohu v niektorých oblastiach špičkových aplikácií.