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. Rezanie laserom, laserové zváranie a laserové plátovanie kovov patria medzi najdôležitejšie procesy pri laserovom spracovaní kovov. S rastúcou koncentráciou sa však homogenizácia laserových produktov stáva závažnou, čo obmedzuje rast trhu s lasermi. Preto sa laserové aplikácie musia rozšíriť do nových materiálových oblastí, aby sa dosiahol ich úspech. Medzi nekovové materiály vhodné na laserové aplikácie patria tkaniny, sklo, plasty, polyméry, keramika a ďalšie. Každý materiál zahŕňa viacero odvetví, ale už existujú vyspelé techniky spracovania, takže nahradenie laserom nie je jednoduchá úloha.

Pre vstup do oblasti nekovových materiálov je potrebné analyzovať, či je interakcia laseru s materiálom možná a či sa vyskytnú nežiaduce reakcie. V súčasnosti sklo vyniká 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 využitie siaha od malých optických filtrov merajúcich mikrometre až po veľkoplošné sklenené panely používané v odvetviach, ako je 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 diamantu, pričom proces rezania je rozdelený do dvoch krokov. Po prvé, na povrchu skla sa pomocou diamantového nástroja alebo brúsneho kotúča z tvrdej zliatiny vytvorí trhlina. Po druhé, na oddelenie skla pozdĺž línie trhliny sa používajú mechanické prostriedky. Tieto tradičné procesy však majú zjavné nevýhody. Sú relatívne neefektívne, čo vedie k nerovným okrajom, 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 prejavujú výhody laserového rezania skla. V roku 2022 predstavovali 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 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 vo vnútri skla sa materiál okamžite odparí a vytvorí sa odparovacia zóna, ktorá sa rýchlo rozširuje a vytvára trhliny 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. Rezanie skla laserom 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. Hrany rezané laserom sú hladké s presnosťou zárezu až 30 μm, čo eliminuje potrebu sekundárneho obrábania pre bežné priemyselné výrobky.

Rezanie skla laserom je relatívne nový vývoj, ktorý sa začal približne pred šiestimi až siedmimi rokmi. Priemysel výroby mobilných telefónov patril medzi prvých, ktorí ho začali používať na sklenené kryty fotoaparátov, a zaznamenal prudký nárast so zavedením zariadenia na rezanie laserom, 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 skiel mobilných telefónov, zariadeniami na laserové rezanie ochranných šošoviek fotoaparátov a inteligentnými zariadeniami na laserové vŕtanie sklenených substrátov.

Elektronické sklo namontované do auta postupne prijíma laserové rezanie

Obrazovky montované do automobilov spotrebúvajú veľa sklenených panelov, najmä pre centrálne ovládacie obrazovky, navigačné systémy, palubné kamery atď. V súčasnosti je mnoho vozidiel s novými energetickými systémami 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 bežným prúdom na trhu. Sklenené krycie panely pre obrazovky montované do automobilov sa vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam široko používajú a vysoko kvalitné zakrivené sklo obrazovky môže poskytnúť dokonalejší zážitok pre automobilový priemysel. Vysoká tvrdosť a krehkosť skla však predstavuje výzvu pri spracovaní.

Sklenené obrazovky montované do automobilov vyžadujú vysokú presnosť a tolerancie zostavených konštrukčných komponentov sú veľmi malé. Veľké rozmerové chyby počas rezania štvorcových/tyčových obrazoviek môžu viesť k problémom s montážou. Tradičné metódy spracovania zahŕňajú viacero krokov, ako je rezanie kolies, ručné lámanie, CNC tvarovanie a skosenie, okrem iného. Keďže ide o mechanické spracovanie, trpí problémami, ako je nízka účinnosť, nízka kvalita, nízka výťažnosť a vysoké náklady. Po rezaní kolies môže CNC obrábanie jedného tvaru krycieho skla centrálneho ovládacieho panela automobilu trvať až 8 – 10 minút. S ultrarýchlymi lasermi s výkonom nad 100 W je možné 17 mm sklo vyrezať jedným ťahom; integrácia viacerých výrobných procesov zvyšuje účinnosť o 80 %, pričom 1 laser sa rovná 20 CNC strojom. To výrazne zlepšuje produktivitu a znižuje náklady na spracovanie jednotky.

Ďalšie aplikácie laserov v skle

Kremeňové sklo má jedinečnú štruktúru, vďaka ktorej sa ťažko delí a reže lasermi, ale femtosekundové lasery sa dajú použiť na leptanie kremenného skla. Ide o aplikáciu femtosekundových laserov na presné obrábanie a leptanie kremenného skla. Technológia femtosekundového laseru je v posledných rokoch rýchlo sa rozvíjajúca pokročilá technológia spracovania s extrémne vysokou presnosťou a rýchlosťou spracovania, ktorá je schopná leptať a spracovávať rôzne povrchy materiálov na mikrometrovej až nanometrovej úrovni. Technológia laserového chladenia sa mení v závislosti od meniacich sa požiadaviek trhu. Ako skúsený výrobca chladičov, ktorý modernizuje svoje výrobné linky vodných chladičov v súlade s trendmi na trhu, môžu ultrarýchle laserové chladiče radu CWUP od výrobcu chladičov TEYU poskytnúť efektívne a stabilné riešenia chladenia 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 s touto technológiou prepracovalo len niekoľko zariadení v Číne, ako napríklad Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics a Harbin Hit Weld Technology. Pôsobením vysokovýkonných laserov s ultrakrátkymi pulzmi môžu tlakové vlny generované lasermi vytvárať v skle mikrotrhliny alebo koncentrácie napätia, čo môže podporiť spojenie dvoch kusov skla. Spojené sklo je po zváraní veľmi pevné a už teraz je možné dosiahnuť tesné zvarenie medzi 3 mm hrubým sklom. V budúcnosti sa výskumníci zameriavajú aj na prekrývacie zváranie skla s inými materiálmi. V súčasnosti sa tieto nové procesy ešte široko nepoužívajú v dávkach, ale po ich overení budú nepochybne hrať dôležitú úlohu v niektorých oblastiach špičkových aplikácií.