Raziskovanje trenutnega stanja in potenciala laserske obdelave stekla

Tehnologija laserske izdelave se je v zadnjem desetletju hitro razvila, njena glavna uporaba pa je laserska obdelava kovinskih materialov. Lasersko rezanje, lasersko varjenje in lasersko oblaganje kovin sodijo med najpomembnejše postopke pri laserski obdelavi kovin. Vendar pa je z naraščanjem koncentracije homogenizacija laserskih izdelkov postala huda, kar omejuje rast laserskega trga. Zato se morajo laserske aplikacije za preboj razširiti na nova področja materialov. Nekovinski materiali, primerni za lasersko uporabo, vključujejo tkanine, steklo, plastiko, polimere, keramiko in drugo. Vsak material vključuje več industrij, vendar že obstajajo zrele tehnike obdelave, zaradi česar laserska zamenjava ni lahka naloga.

Za vstop v polje nekovinskih materialov je treba analizirati, ali je laserska interakcija z materialom izvedljiva in ali bodo prišlo do neželenih reakcij. Trenutno steklo izstopa kot pomembno področje z visoko dodano vrednostjo in potencialom za uporabo v serijskih laserskih aplikacijah.

Velik prostor za lasersko rezanje stekla

Steklo je pomemben industrijski material, ki se uporablja v različnih panogah, kot so avtomobilska, gradbena, medicina in elektronika. Njegove uporabe segajo od majhnih optičnih filtrov, ki merijo mikrometre, do velikih steklenih plošč, ki se uporabljajo v panogah, kot sta avtomobilska industrija ali gradbeništvo.

Steklo lahko razdelimo na optično steklo, kremenovo steklo, mikrokristalno steklo, safirno steklo in drugo. Pomembna značilnost stekla je njegova krhkost, kar predstavlja velik izziv za tradicionalne metode obdelave. Tradicionalne metode rezanja stekla običajno uporabljajo orodja iz trdih zlitin ali diamantov, postopek rezanja pa je razdeljen na dva koraka. Najprej se na stekleni površini z diamantnim orodjem ali brusilnim kolesom iz trde zlitine ustvari razpoka. Drugič, za ločevanje stekla vzdolž linije razpoke se uporabljajo mehanska sredstva. Vendar imajo ti tradicionalni postopki očitne pomanjkljivosti. So relativno neučinkoviti, kar povzroča neenakomerne robove, ki pogosto zahtevajo sekundarno poliranje, poleg tega pa proizvajajo veliko ostankov in prahu. Poleg tega so tradicionalne metode precej zahtevne za naloge, kot so vrtanje lukenj na sredini steklenih plošč ali rezanje nepravilnih oblik. Tukaj postanejo očitne prednosti laserskega rezanja stekla Leta 2022 so prihodki od prodaje kitajske steklarske industrije znašali približno 744,3 milijarde juanov. Stopnja prodiranja tehnologije laserskega rezanja v steklarsko industrijo je še vedno v začetni fazi, kar kaže na velik prostor za uporabo tehnologije laserskega rezanja kot nadomestka.

Lasersko rezanje stekla: od mobilnih telefonov naprej

Pri laserskem rezanju stekla se pogosto uporablja Bezierjeva fokusirna glava za ustvarjanje laserskih žarkov z visoko vršno močjo in gostoto znotraj stekla. Z fokusiranjem Bezierjevega žarka v notranjost stekla se material v trenutku upari in ustvari območje uparjanja, ki se hitro razširi in tvori razpoke na zgornji in spodnji površini. Te razpoke tvorijo rezalni del, sestavljen iz neštetih drobnih por, kar omogoča rezanje skozi zunanje napetostne zlome.

Z znatnim napredkom laserske tehnologije so se povečale tudi ravni moči. Nanosekundni zeleni laser z močjo več kot 20 W lahko učinkovito reže steklo, medtem ko pikosekundni ultravijolični laser z močjo več kot 15 W brez težav reže steklo, debelejše od 2 mm. Obstajajo kitajska podjetja, ki lahko režejo steklo debeline do 17 mm. Lasersko rezanje stekla se ponaša z visoko učinkovitostjo. Na primer, rezanje steklenega kosa s premerom 10 cm na 3 mm debelo steklo z laserskim rezanjem traja le približno 10 sekund v primerjavi z nekaj minutami z mehanskimi noži. Lasersko rezani robovi so gladki, z natančnostjo zarez do 30 μm, kar odpravlja potrebo po sekundarni obdelavi za splošne industrijske izdelke.

Lasersko rezanje stekla je relativno nov razvoj, ki se je začel pred približno šestimi do sedmimi leti. Industrija proizvodnje mobilnih telefonov je bila med prvimi, ki so to tehnologijo začeli uporabljati, saj je uporabljala lasersko rezanje steklenih pokrovov kamer in doživela porast z uvedbo naprave za lasersko rezanje, ki je omogočila nevidnost. Z naraščajočo priljubljenostjo pametnih telefonov s celozaslonskim zaslonom je natančno lasersko rezanje celotnih steklenih plošč z velikim zaslonom znatno povečalo zmogljivost obdelave stekla. Lasersko rezanje je postalo pogosto pri obdelavi steklenih komponent za mobilne telefone. Ta trend je v prvi vrsti posledica avtomatizirane opreme za lasersko obdelavo zaščitnih stekel mobilnih telefonov, naprav za lasersko rezanje zaščitnih leč kamer in inteligentne opreme za lasersko vrtanje steklenih substratov.

Avtomobilsko nameščeno elektronsko steklo postopoma sprejema lasersko rezanje

Zasloni, nameščeni v avtomobilih, porabijo veliko steklenih plošč, zlasti za zaslone centralnega upravljanja, navigacijske sisteme, armaturne kamere itd. Dandanes je veliko vozil na novo energijo opremljenih z inteligentnimi sistemi in prevelikimi centralnimi nadzornimi zasloni. Inteligentni sistemi so postali standard v avtomobilih, veliki in več zasloni ter 3D-ukrivljeni zasloni pa postopoma postajajo prevladujoči na trgu. Steklene zaščitne plošče za zaslone, nameščene v avtomobilih, se pogosto uporabljajo zaradi svojih odličnih lastnosti, visokokakovostno ukrivljeno steklo zaslona pa lahko avtomobilski industriji zagotovi vrhunsko izkušnjo. Vendar pa visoka trdota in krhkost stekla predstavljata izziv za obdelavo.

Stekleni zasloni, nameščeni na avtomobilih, zahtevajo visoko natančnost, tolerance sestavljenih strukturnih komponent pa so zelo majhne. Velike dimenzijske napake med rezanjem kvadratnih/paličnic lahko povzročijo težave pri montaži. Tradicionalne metode obdelave vključujejo več korakov, kot so rezanje koles, ročno lomljenje, CNC oblikovanje in posnemanje robov, med drugim. Ker gre za mehansko obdelavo, ima težave, kot so nizka učinkovitost, slaba kakovost, nizek izkoristek in visoki stroški. Po rezanju koles lahko CNC obdelava posamezne oblike stekla centralnega krmilnega pokrova avtomobila traja do 8-10 minut. Z ultra hitrimi laserji z močjo nad 100 W je mogoče 17 mm steklo razrezati v enem samem potegu; integracija več proizvodnih procesov poveča učinkovitost za 80 %, kjer je 1 laser enak 20 CNC strojem. To močno izboljša produktivnost in zmanjša stroške obdelave enot.

Druge uporabe laserjev v steklu

Kremenčevo steklo ima edinstveno strukturo, zaradi česar ga je težko razrezati z laserji, vendar se femtosekundni laserji lahko uporabljajo za jedkanje kremenčevega stekla. To je uporaba femtosekundnih laserjev za natančno obdelavo in jedkanje kremenčevega stekla. Femtosekundna laserska tehnologija je v zadnjih letih hitro razvijajoča se napredna tehnologija obdelave, ki z izjemno visoko natančnostjo in hitrostjo obdelave omogoča jedkanje in obdelavo na različnih materialnih površinah v mikrometrskih do nanometrskih razsežnostih.  Tehnologija laserskega hlajenja se spreminja glede na spreminjajoče se zahteve trga. Kot izkušen proizvajalec hladilnikov, ki posodablja naše hladilnik vode  Proizvodne linije v skladu s tržnimi trendi, ultra hitri laserski hladilniki serije CWUP proizvajalca hladilnikov TEYU lahko zagotovijo učinkovite in stabilne hladilne rešitve za pikosekundne in femtosekundne laserje z močjo do 60 W.

Lasersko varjenje stekla je nova tehnologija, ki se je pojavila v zadnjih dveh do treh letih, sprva v Nemčiji. Trenutno je to tehnologijo prebilo le nekaj enot na Kitajskem, kot so Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics in Harbin Hit Weld Technology. Pod delovanjem visokozmogljivih laserjev z ultra kratkimi impulzi lahko tlačni valovi, ki jih ustvarjajo laserji, ustvarijo mikrorazpoke ali koncentracije napetosti v steklu, kar lahko spodbudi lepljenje dveh kosov stekla.  Zlepljeno steklo je po varjenju zelo trdno in že je mogoče doseči tesno varjenje med 3 mm debelimi stekli. V prihodnosti se bodo raziskovalci osredotočili tudi na prekrivno varjenje stekla z drugimi materiali. Trenutno ti novi postopki še niso bili široko uporabljeni v serijah, a ko bodo dozoreli, bodo nedvomno igrali pomembno vlogo na nekaterih področjih visokokakovostnih aplikacij.